采油液力馬達轉子表面織構參數對其摩擦副摩擦學性能的影響

黃志強，熊辰，錢韋吉，王美玲，楊仁松

采油液力馬達轉子表面織構參數對其摩擦副摩擦學性能的影響

黃志強，熊辰，錢韋吉，王美玲，楊仁松

（西南石油大學 機電工程學院，成都 610500）

研究微溝槽織構對采油液力馬達定轉子配副表面摩擦學性能的影響，為減小液力馬達螺旋副的摩擦阻力矩，從而解決大慶油田某型號液力驅動螺桿泵采油系統停機后啟動困難的問題提供設計方向。根據螺桿馬達螺旋副，建立金屬-橡膠平板往復摩擦模型，在金屬試件表面加工出不同織構角度和深度的矩形微溝槽，采用正交試驗方法，研究不同織構參數對液力馬達螺旋副摩擦性能的影響規律，最后再對比分析橡膠試件摩擦磨損試驗前后的表面形貌，以掌握織構存在對橡膠定子使用壽命的影響規律。織構角度一定時，除90-5號試件以外，其余各組試件的摩擦因數表現出隨織構深度的增加而增加的現象。織構深度一定時，各組試件的摩擦因數隨織構角度的增大而表現出先增大后減小的現象。織構角度是摩擦因數的主要影響因素。相同試驗條件下，0—5號試件的摩擦因數比未織構試件降低了20.2%。在液力馬達定轉子這種金屬-橡膠接觸對中，織構的減摩機理主要是通過微溝槽輸送潤滑介質，改善潤滑條件。織構參數設計合理的試樣，在不縮減液力馬達使用壽命的條件下可以有效減小摩擦副的摩擦因數，有利于液力驅動螺桿泵采油系統順利啟動。

采油液力馬達；表面織構；正交試驗；織構參數；摩擦學性能

隨著我國許多油田進入開采后期，為滿足高黏度稠油、高含砂石油等各種特殊油藏的開采需求，螺桿泵采油系統得到了越來越廣泛的運用[1-2]。液力馬達作為其重要的動力傳遞部件，在低速重載的條件下，液壓馬達的運動副表面油膜難以建立或容易破裂，導致橡膠定子發生嚴重磨損，降低了液壓馬達的機械效率和使用壽命，成為了影響螺桿泵采油系統工作效率的關鍵因素[3-4]。目前對液力馬達配副表面的減摩降阻關鍵技術研究，多集中在金屬轉子表面涂層、橡膠定子表面化學改性等方面[5-8]。

織構化處理是一種通過超精密加工，在材料表面加工出具備特定形狀、尺寸特征的微形貌，以達到改善配副間摩擦學性能的表面改性技術[9]。目前，人們主要通過改變織構的形狀、角度、深度、寬度、密度等參數，使表面微織構能夠在不同工況中起到減摩降阻的效果，廣泛應用于活塞[10-11]、切削刀具[12]、滑動軸承[13]、計算機硬盤[14]等部件表面。通過引入表面微織構起到減摩降阻作用的成果案例。Ulrika Pettersson等[3]采用壓花工藝在往復式液壓馬達活塞-滾輪摩擦副上進行了織構化處理，發現織構角度對試件的摩擦學性能的影響較大。張東亞等[15-16]研究了面密度對織構減摩降阻效果的影響規律，發現面密度為10%時能獲得最好的摩擦學性能。蘇峰華等[17-18]探究了溝槽織構深度對不銹鋼表面在油潤滑條件下的摩擦學性能的影響機理，發現織構深度對摩擦學性能有顯著影響，當織構深度為10 μm時，配副表面能獲得最好的摩擦學性能。何霞等[19]研究了織構邊緣凸起對配副摩擦學性能的影響，發現存在邊緣凸起的織構會加劇其摩擦磨損，控制表面織構的加工質量可有效提高織構試件的減摩降阻性能。莫麗等[20]研究了金屬-橡膠配副中的織構直徑對摩擦學性能的影響，發現選擇較小的織構直徑，可以獲得較好的減摩性能。國內外學者對織構化處理在摩擦行為中的摩擦學性能進行了大量研究，并普遍認為其減摩機理是潤滑介質在微溝槽中產生的動壓潤滑效應[21-23]，很少有學者針對金屬-橡膠配副表面織構化處理展開研究。相對于金屬接觸對，金屬-橡膠接觸對中的摩擦情況更復雜，且缺乏較深入的研究，引入表面織構技術來改善金屬-橡膠配副表面摩擦學性能，具有很強的工程意義。

本文根據液力馬達實際工況建立了42CrMo-丁腈橡膠（NBR）平板往復模型，采用正交試驗方法，研究了不同織構參數對其摩擦學性能的影響規律，得到了各參數對摩擦因數的影響權重，找到了減摩降阻的最優參數組合，為解決采油液力馬達停機后再啟動困難的問題提供了設計方向。

1 試驗

1.1 模型建立

本研究的重點是探究在過盈配合條件下，金屬-橡膠配副中引入表面微織構能否解決液力馬達停機后再啟動困難的問題。圖1a是液力馬達螺旋副結構示意圖。圖1b是液力馬達的軸向截面圖。由于橡膠與摩擦物的接觸面積與正壓力相關，一般來說，壓力越大，接觸面積越大，所以接觸面積和摩擦力的關系，與正壓力和摩擦力的關系基本一致[24]。因此，本研究重點考慮金屬轉子與橡膠定子間接觸面積更大的線接觸區域。實際工況中的液力馬達定、轉子之間為過盈配合，在本研究中認為線接觸區域過盈量處處相等，即橡膠定子變形量處處相等，結合現有設備條件，將線接觸區域展開簡化得到如圖1c所示的兩平行表面。實驗模型的試件材料、裝配條件、潤滑條件設置與實際模型一致。

圖1 試驗模型簡化

1.2 試樣制備

目前，已經形成了十分成熟的表面織構化技術，常見的有激光、壓刻、微切削、離子刻蝕、微磨料射流、光刻電解、LIGA等表面織構化處理技術。在眾多表面織構化技術中，激光加工技術因其精度較高、成本低、污染小、效率高等優點而得到了最廣泛的運用[25-26]。

進行激光加工前，先使用磨床將金屬試件進行粗磨，然后利用線切割機床將金屬試件切割成符合試驗機尺寸要求的小塊，再對上試件表面進行倒圓角處理，以模擬定轉子間的接觸情況。本研究中所需的織構化試驗數量不多，在保證加工精度要求的條件下，選用YLP-20W光纖激光打標機在粗磨后的42CrMo表面加工出如表1（代號中的左側數字表示織構角度，右側數字表示織構深度）所示的溝槽形織構，織構寬度=400 μm，面積比為10%。激光加工參數為：加工速度300 mm/s，功率15 W，激光頻率20 kHz。

表1 試樣代號

Tab.1 The sample code

通過改變試件在激光打標機工作臺上的擺放角度以改變織構角度，受激光熱沖擊效應的影響，會使織構周邊產生凸起[25]，在完成激光織構化處理后，再用2000目的砂紙進行打磨，得到如圖2所示符合液力馬達金屬轉子表面粗糙度要求的金屬試件。

通過改變激光加工次數控制織構深度，本次試驗選用的加工次數分別為1、3、5、7次，通過ContourGT InMotion三維光學顯微鏡觀測織構形貌，得到如圖3所示的表面輪廓。從觀測結果可知，不同加工次數所對應的溝槽深度分別為5、10、15、20 μm。

圖2 不同角度的織構化試件

圖3 不同掃描次數對應的織構深度

1.3 正交試驗

表2為正交試驗影響因素水平表。本試驗選用如圖4所示的UMT-Tribolab型摩擦磨損試驗機。以42CrMo金屬塊上試件模擬金屬轉子，硬度為60HA的丁腈橡膠下試件模擬橡膠定子，選用的試件材料與存在啟動困難問題的液力馬達材料一致。為模擬液力馬達的啟動過程，選用平板往復運動模塊展開試驗，即上試件進行速度從0 mm/s增大到最大值再逐漸降為0 mm/s的周期性運動，模擬試件在一個運動周期內的兩次啟停狀態。

表2 正交試驗影響因素水平

Tab.2 Influence factor level of orthogonal test

圖4 試驗設備

本次試驗選用的潤滑介質為美孚公司生產的600XP220潤滑油。根據液力馬達過盈量求得試驗載荷為79.844 N。由于本次研究的目的是提高液力馬達的啟動性能，主要考慮從靜止到運動這種狀態變化，對速度要求不高，因此本研究選用試驗臺默認的5.0 mm直線往復行程，最大線速度為10 mm/s，摩擦時間為1200 s，溫度為室溫（24 ℃）。

試驗過程中由計算機自動記錄數據，每組試驗進行3次，取3次實驗數據的平均值作為最終的摩擦磨損實驗結果，取各時間點摩擦力與載荷的比值為摩擦因數。

2 結果討論與分析

2.1 織構角度對摩擦因數的影響

從圖5a—d中可以發現，各組試樣的摩擦因數在600 s后趨于穩定，求解各組試樣摩擦因數穩定后的算術平均值得到圖5e。試驗結果顯示，除織構深度為5 μm的試件外，隨著織構角度的增大，各組試件的摩擦因數均表現出先增大后減小的現象，并在織構角度為60°時取得最大值，在0°時取得最小值。然而最大摩擦因數大多出現在織構角度為60°時的實驗組而不是在90°的實驗組，這一現象可能是由織構的角度變化引發的刮切橡膠能力、送油能力變化而導致的。上述結果還需要對織構角度和織構深度的協同影響機理做進一步的研究分析。

圖6是不同織構角度下潤滑介質通過的區域示意圖。由于本次試驗設置的金屬上試件運動方向與長邊方向一致，已知織構角度與潤滑介質運動方向的夾角越小，潤滑介質越容易通過微溝槽流經過盈配合條件下的金屬-橡膠配副接觸區域。當織構密度相同（試驗選用的織構密度為10%）時，夾角越小，潤滑介質越容易進入接觸面，能夠通過的接觸區域也越大，當織構角度為90°時，接觸表面沒有潤滑介質，潤滑條件最差，此時摩擦副的摩擦因數最大；當織構角度為0°時，潤滑介質能通過整個接觸面，潤滑條件最好，此時摩擦副的摩擦因數最小。

圖5 織構深度相同條件下織構角度變化對各實驗組摩擦因數的影響規律

圖6 不同織構角度下潤滑介質通過的區域

2.2 織構深度對摩擦因數的影響

圖7a—d是織構角度相同條件下織構深度變化對各試驗組摩擦因數的影響規律。觀察4組曲線圖可以發現，除織構角度為90°的各組試件摩擦因數表現出在最大靜摩擦力的基礎上先快速增大再逐漸減小最后趨于穩定的現象以外，其余各組試件的摩擦因數均呈現出從最大靜摩擦力逐漸減小最后趨于穩定這一特征。這是因為當織構角度為90°時，微溝槽的送油能力可以忽略，接觸面上的潤滑狀態為干摩擦，運動初期橡膠發生彈性變形直接嵌入微溝槽內部，橡膠的磨損量很大，在50 s左右，嵌入微溝槽內部的橡膠被完全刮除，各試件的摩擦因數開始逐漸減小。

圖7 織構角度相同條件下深度變化對各試驗組摩擦因數的影響規律

圖7e是各組試樣穩定后的摩擦因數平均值柱狀圖。試驗結果顯示，除90-5號試件外，在織構角度一定的條件下，織構深度變化時，各組試件的摩擦因數均表現出隨著織構深度的增大而增大的現象。這是因為隨著織構深度的增大，嵌入微溝槽內部的橡膠量也隨之增多，阻礙接觸對運動的能力越強。

圖8為不考慮織構的送油能力時，不同織構深度下微溝槽內橡膠碎屑的存儲情況?？棙嫿嵌葹?0°時，90-5號試件的平均摩擦因數最大，而0-5、30-5、60-5均是各同織構角度實驗組中摩擦因數最小的試件，這是因為：（1）90-5號試件的送油能力比上述各組試件更差，微溝槽內的潤滑介質可以忽略不計，嵌入微溝槽內部的橡膠越多，刮切產生的橡膠碎屑也越多；（2）產生的碎屑難以隨潤滑介質排出接觸區域；（3）此時的微溝槽深度比織構角度為90°時的其余各組試件更淺，無法完全存儲刮切掉落的橡膠碎屑。以上因素協同影響，導致摩擦副表面接觸狀態惡化，進而導致摩擦因數大幅度增加。

圖8 不同織構深度下織構內橡膠碎屑的儲存情況

2.3 織構在金屬-橡膠配副中的減摩機理

表3為摩擦因數的正交試驗結果。其中，K代表各列水平號為的摩擦因數之和，t代表各水平所得摩擦因數的算術平均值，代表極差，=t(max)?t(min)。的數值越大，則代表該因素對試驗結果的影響越大。從極差分析結果可以看出，織構角度>織構深度，這說明在金屬-橡膠接觸對中，織構角度對摩擦因數的影響比織構深度大。此時0-5號試驗組的摩擦因數最小，為0.122。

表3 摩擦因數正交試驗結果

Tab.3 Friction coefficient orthogonal test results

由現有的研究成果可知，在金屬配副中，織構的減摩機理為：（1）干摩擦條件下，存儲磨粒磨屑，改善接觸條件；（2）存儲潤滑油，在潤滑條件惡劣時向接觸面提供潤滑油，改善潤滑條件；（3）在全油潤滑條件下，其彈流潤滑效應能給油膜附加升力，提升油膜承載能力[21-23]。

從圖7e可以發現，在本次研究的金屬-橡膠配副中，無法提供收斂間隙的0°試件比能提供收斂間隙的90°試件具備更小的摩擦因數，而產生彈流潤滑效應的一個必要條件就是需要收斂的楔形空間，因此可以確定織構在金屬-橡膠配副和金屬配副中的主要減摩機理不同。結合圖6織構角度對潤滑介質通過區域的影響以及表3的極差分析結果可知，送油能力是織構在金屬-橡膠配副中起到減摩降阻作用的主要因素。

2.4 微溝槽對橡膠磨損程度的影響

由于實際工作中縮減液力馬達使用壽命的主要影響因素是橡膠定子的過早磨損[27]，為避免因為在采油液力馬達螺旋副中引入表面微織構而導致采油液力馬達的使用壽命縮減，研究各試驗組中摩擦因數最小的橡膠試件的磨損形貌。

圖9是各典型試件的表面磨損形貌，其中與0-5號試件對磨的橡膠磨損程度和無織構試樣相似。從30-5、60-5和90-10號試件的磨損形貌中可以看出，隨著織構角度的增大，試件表面的磨損程度逐漸劇烈。這是因為，增大織構角度以后，配副表面的潤滑條件逐漸惡化，導致試件急劇升溫，加劇了配副表面的粘著磨損，可見織構角度越大，微溝槽對橡膠的刮切能力越強。這也說明在液力馬達表面引入0-5號試件對應的微織構，不會縮減采油液力馬達的使用壽命，當織構角度不為0時，微溝槽的存在會縮減采油液力馬達的使用壽命。

圖9 橡膠磨損形貌

3 結論

1）織構角度主要影響微溝槽在金屬-橡膠配副中的送油能力，當織構方向與運動方向一致時，其送油能力最強，織構深度主要影響微溝槽對橡膠的刮切作用，織構越深，對橡膠的刮切作用越強。

2）在金屬-橡膠摩擦副中，織構角度是摩擦因數的主要影響因素。摩擦因數最小的一組試件參數組合為：織構角度0°，織構深度5 μm，最小摩擦因數0.122。與未織構化處理的試件相比，其摩擦因數降低了20.2%。

3）織構參數（角度、深度）合理（如0-5號試樣）時，微溝槽的存在能有效改善試件的摩擦學性能，有助于液力馬達順利啟動。若織構參數設計不合理（如90-5號試樣），其摩擦學性能反而會惡化，甚至會縮減液力馬達的使用壽命。

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The Effect of Surface Texture Parameters of the Rotor Surface Texture of Oil Production Hydraulic Motor on the Tribological Performance of the Friction Pair

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(School of Mechanical Engineering, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500,China)

The work aims to study the influence of micro-groove texture on the surface tribological properties of the stator and rotor pairs of oil extraction hydraulic motors, in order to reduce the frictional resistance torque of the screw pair of the hydraulic motor and solve the problem of difficulty in starting the oil production system of a certain type of hydraulic drive screw pump in Daqing Oilfield after shutdown, it provides a design direction. According to the screw pair model of the screw motor, a metal-rubber flat plate reciprocating friction model was established, and rectangular micro grooves with different texture angles and depths were machined on the surface of the metal specimen. Using the orthogonal test method, carry out the research on the influence of different texture parameters on the friction performance of hydraulic motor spiral pair. Finally, the surface morphology of the rubber specimen before and after the friction and wear test is compared and analyzed to grasp the effect of texture on the service life of the rubber stator. When the texture angle is constant, the friction coefficient of each group of specimens was increased with the increase of texture depth except for the 90-5 test piece; when the texture depth is constant, the friction coefficient of each group of specimens was increased first and then decreased with the increase of texture angle; texture angle is the main influencing factor of friction coefficient. Under the same test conditions, the friction coefficient of the 0—5 specimens was reduced by 20.2% compared with the untextured specimens. In the metal-rubber contact centering of the stator and rotor of the hydraulic motor, the texture reduction mechanism is mainly to transport the lubricating medium through the micro groove to improve the lubrication conditions. The sample with reasonable texture parameter design can effectively reduce the friction coefficient of the friction pair without reducing the service life of the hydraulic motor, which is beneficial to the smooth start of the hydraulic drive screw pump oil extraction system.

oil production hydraulic motor; surface texture; orthogonal test; texture parameters; tribological properties

TH117

A

1001-3660(2022)02-0176-09

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.02.016

2021-04-14；

2021-06-21

2021-04-14；

2021-06-21

國家自然科學基金（51974272）

Supported by the National Natural Science Foundation of China (51974272)

黃志強（1968—），男，博士，教授，主要研究方向為油氣開發關鍵技術。

HUANG Zhi-qiang (1968—), Male, Doctor, Professor, Research focus: key technologies for oil and gas development.

黃志強, 熊辰, 錢韋吉, 等.采油液力馬達轉子表面織構參數對其摩擦副的摩擦學性能影響研究[J]. 表面技術, 2022, 51(2): 176-184.

HUANG Zhi-qiang, XIONG Chen, QIAN Wei-ji, et al. The Effect of Surface Texture Parameters of the Rotor Surface Texture of Oil Production Hydraulic Motor on the Tribological Performance of the Friction Pair[J]. Surface Technology, 2022, 51(2): 176-184.