抽油泵柱塞仿生六邊形織構(gòu)表面摩擦和潤滑性能研究

抽油泵柱塞仿生六邊形織構(gòu)表面摩擦和潤滑性能研究石油作為一種不可再生的自然資源,具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和戰(zhàn)略意義。當(dāng)前石油開采方式以機(jī)械采油為主,而有桿抽油泵仍是我國主要的機(jī)械采油工具,其中抽油泵柱塞是有桿抽油泵總成的核心零件。而柱塞運(yùn)動(dòng)過程當(dāng)中的摩擦阻力,在多種環(huán)境因素作用下,將引起柱塞表面磨損失效,影響油田產(chǎn)量及經(jīng)濟(jì)效益。如何延長柱塞的使用壽命,提高抽油泵的工作效率仍是機(jī)械采油急需解決的主要問題之一。為適應(yīng)沙漠中長時(shí)間受沙粒磨損的生活環(huán)境,東方沙蚺進(jìn)化出具有優(yōu)異摩擦學(xué)性能的體表鱗片。研究東方沙蚺體表鱗片減阻耐磨生物機(jī)理可為減阻耐磨抽油泵柱塞表面的設(shè)計(jì)提供仿生學(xué)依據(jù)。本文針對抽油泵柱塞運(yùn)動(dòng)過程中存在摩擦阻力大且表面磨損嚴(yán)重的問題,以東方沙蚺為生物模本,研究了東方沙蚺體表鱗片減阻和耐磨原理,借鑒六邊形鱗片形貌特征,開展了仿生六邊形織構(gòu)表面摩擦和潤滑性能研究。本文使用顯微鏡、仿真模擬、納米壓痕儀和納米摩擦儀,對宏觀及微觀尺度下的東方沙蚺體表鱗片表面形貌特征及材料力學(xué)性能進(jìn)行了測試與分析,探討了東方沙蚺體表鱗片減阻耐磨生物機(jī)理。結(jié)果表明,東方沙蚺體表由六邊形鱗片織構(gòu)所覆蓋,單個(gè)鱗片表面具有微米級鱗片和納米級凹坑的非光滑復(fù)合結(jié)構(gòu),鱗片內(nèi)部為彈性模量/硬度連續(xù)變化的梯度材料且具有摩擦各向異性特點(diǎn)。相比背部和側(cè)部鱗片,腹部鱗片具有較低的表面粗糙度和較高的彈性模量/硬度及較大的摩擦系數(shù)。分析表明,蛇體表鱗片復(fù)合形貌特征與梯度材料之間的耦合作用具有提高鱗片表面減阻耐磨性能的作用。本文借鑒鱗片六邊形織構(gòu)形貌特征及梯度材料,利用激光淬火技術(shù),設(shè)計(jì)并制備出多元耦合仿生試樣,探究了耦合仿生效應(yīng)對試樣表面干摩擦性能的影響。結(jié)果表明,多元耦合仿生試樣表面的溝槽具有減小接觸面積、分散表面應(yīng)力、存儲磨屑、降低二次磨損的作用。而且試樣表層硬度梯度可緩解摩擦過程中對試樣的應(yīng)力沖擊,在實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的同時(shí),能夠減少表面材料的剝落,從而更有效地降低試樣表面磨損,進(jìn)而揭示了耦合仿生減阻耐磨機(jī)理。本文搭建了仿生表面激光加工裝置,探究了仿生六邊形織構(gòu)對45#鋼表面潤滑摩擦性能的影響。對比不同形狀(正三角形、正方形和圓)表面織構(gòu),仿生六邊形織構(gòu)試樣在同樣工況下均表現(xiàn)出最低的摩擦系數(shù),且隨著載荷降低和轉(zhuǎn)速增加,其潤滑效果更顯著。利用ANSYS軟件,先后對試樣表面油膜壓力及接觸壓力進(jìn)行仿真分析,模擬結(jié)果表明,仿生六邊形織構(gòu)表面具有較好的流體動(dòng)壓潤滑效果,且在同等面積下,仿生六邊形織構(gòu)表面具有最小的接觸應(yīng)力,因此,二者的耦合作用使仿生六邊形織構(gòu)表面具有良好的潤滑摩擦性能。本文建立了仿生六邊形織構(gòu)單元體數(shù)學(xué)幾何模型與流體力學(xué)模型,并利用MATLAB軟件進(jìn)行數(shù)值求解分析,探究了幾何尺寸及工況條件對仿生六邊形單元體表面潤滑摩擦性能的影響。理論計(jì)算結(jié)果表明,對于幾何尺寸參數(shù),其摩擦系數(shù)受面密度和溝槽深度共同影響。在低面密度和深溝槽條件下,取向角度對摩擦系數(shù)影響較為顯著。而對于工況條件,其摩擦系數(shù)隨著速度和外載的增加而降低,其主要原因在于相對運(yùn)動(dòng)速度和外載的增大可以提高流體動(dòng)壓和承載力。本文利用自行改建的摩擦摩擦試驗(yàn)裝置,探究仿生六邊形織構(gòu)單元體在潤滑摩擦性能。試驗(yàn)結(jié)果表明,摩擦試驗(yàn)現(xiàn)象與理論研究結(jié)果具有較好的一致性。在相同工況下,對比光滑試樣,不同幾何尺寸下的仿生六邊形織構(gòu)單元體均表現(xiàn)出良好的潤滑摩擦性能。選取合適的尺寸參數(shù),加工出