抽油泵柱塞仿生六边形织构表面摩擦和润滑性能研究.doc

抽油泵柱塞仿生六边形织构表面摩擦和润滑性能研究石油作为一种不可再生的自然资源,具有重要的经济价值和战略意义。当前石油开采方式以机械采油为主,而有杆抽油泵仍是我国主要的机械采油工具,其中抽油泵柱塞是有杆抽油泵总成的核心零件。而柱塞运动过程当中的摩擦阻力,在多种环境因素作用下,将引起柱塞表面磨损失效,影响油田产量及经济效益。如何延长柱塞的使用寿命,提高抽油泵的工作效率仍是机械采油急需解决的主要问题之一。为适应沙漠中长时间受沙粒磨损的生活环境,东方沙蚺进化出具有优异摩擦学性能的体表鳞片。研究东方沙蚺体表鳞片减阻耐磨生物机理可为减阻耐磨抽油泵柱塞表面的设计提供仿生学依据。本文针对抽油泵柱塞运动过程中存在摩擦阻力大且表面磨损严重的问题,以东方沙蚺为生物模本,研究了东方沙蚺体表鳞片减阻和耐磨原理,借鉴六边形鳞片形貌特征,开展了仿生六边形织构表面摩擦和润滑性能研究。本文使用显微镜、仿真模拟、纳米压痕仪和纳米摩擦仪,对宏观及微观尺度下的东方沙蚺体表鳞片表面形貌特征及材料力学性能进行了测试与分析,探讨了东方沙蚺体表鳞片减阻耐磨生物机理。结果表明,东方沙蚺体表由六边形鳞片织构所覆盖,单个鳞片表面具有微米级鳞片和纳米级凹坑的非光滑复合结构,鳞片内部为弹性模量/硬度连续变化的梯度材料且具有摩擦各向异性特点。相比背部和侧部鳞片,腹部鳞片具有较低的表面粗糙度和较高的弹性模量/硬度及较大的摩擦系数。分析表明,蛇体表鳞片复合形貌特征与梯度材料之间的耦合作用具有提高鳞片表面减阻耐磨性能的作用。本文借鉴鳞片六边形织构形貌特征及梯度材料,利用激光淬火技术,设计并制备出多元耦合仿生试样,探究了耦合仿生效应对试样表面干摩擦性能的影响。结果表明,多元耦合仿生试样表面的沟槽具有减小接触面积、分散表面应力、存储磨屑、降低二次磨损的作用。而且试样表层硬度梯度可缓解摩擦过程中对试样的应力冲击,在实现稳定运动的同时,能够减少表面材料的剥落,从而更有效地降低试样表面磨损,进而揭示了耦合仿生减阻耐磨机理。本文搭建了仿生表面激光加工装置,探究了仿生六边形织构对45#钢表面润滑摩擦性能的影响。对比不同形状(正三角形、正方形和圆)表面织构,仿生六边形织构试样在同样工况下均表现出最低的摩擦系数,且随着载荷降低和转速增加,其润滑效果更显著。利用ANSYS软件,先后对试样表面油膜压力及接触压力进行仿真分析,模拟结果表明,仿生六边形织构表面具有较好的流体动压润滑效果,且在同等面积下,仿生六边形织构表面具有最小的接触应力,因此,二者的耦合作用使仿生六边形织构表面具有良好的润滑摩擦性能。本文建立了仿生六边形织构单元体数学几何模型与流体力学模型,并利用MATLAB软件进行数值求解分析,探究了几何尺寸及工况条件对仿生六边形单元体表面润滑摩擦性能的影响。理论计算结果表明,对于几何尺寸参数,其摩擦系数受面密度和沟槽深度共同影响。在低面密度和深沟槽条件下,取向角度对摩擦系数影响较为显著。而对于工况条件,其摩擦系数随着速度和外载的增加而降低,其主要原因在于相对运动速度和外载的增大可以提高流体动压和承载力。本文利用自行改建的摩擦摩擦试验装置,探究仿生六边形织构单元体在润滑摩擦性能。试验结果表明,摩擦试验现象与理论研究结果具有较好的一致性。在相同工况下,对比光滑试样,不同几何尺寸下的仿生六边形织构单元体均表现出良好的润滑摩擦性能。选取合适的尺寸参数,加工出仿生抽油泵柱塞小试样,进行了密封性检验。根据漏失量结果表明,仿生六边形织构没有增大抽油泵柱塞原有的漏失量,且在一定压力下,具有提高表面密封性的作用。