織構(gòu)化鉆頭滑動軸承單元摩擦學性能試驗研究

0摩擦學性能性能測試研究在鉆井過程中，重量、高溫和高壓對牙齒架鉆頭的工作性能和使用壽命有重要影響。近年來,仿生表面織構(gòu)技術(shù)作為一種新穎、有效的潤滑減磨方法,引起了研究人員的廣泛關(guān)注。研究人員對不同工況下的織構(gòu)進行了理論及摩擦學試驗研究,分析了織構(gòu)的潤滑減磨機理及其對摩擦學性能的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明,干摩擦狀態(tài)下表面織構(gòu)能有效捕獲磨屑,減小二次磨損針對上述問題,筆者采用銷、盤摩擦副開展模擬工況下牙輪鉆頭滑動軸承單元摩擦學試驗,研究表面織構(gòu)對牙輪鉆頭滑動軸承的潤滑減磨機理,分析織構(gòu)面積比、織構(gòu)直徑和織構(gòu)深度對織構(gòu)化牙輪鉆頭滑動軸承摩擦學性能的影響規(guī)律,以期為合理選擇牙輪鉆頭滑動軸承織構(gòu)參數(shù),促進表面織構(gòu)技術(shù)在牙輪鉆頭滑動軸承上的應用打下試驗基礎(chǔ)。1鉆頭表面織構(gòu)的影響由于牙輪鉆頭工作環(huán)境的特殊性,所以開展實際工況及全尺寸牙輪鉆頭滑動軸承摩擦學試驗,分析表面織構(gòu)對滑動軸承摩擦學性能的影響非常困難。因此,在現(xiàn)有條件下,通過實際與試驗工況等效轉(zhuǎn)換,僅開展滑動軸承單元摩擦學試驗研究織構(gòu)對摩擦磨損的影響。1.1盤試樣試驗結(jié)果滑動軸承單元摩擦學試驗采用MMW-1型微機控制立式萬能摩擦磨損試驗機,采用銷、盤摩擦副,銷、盤摩擦副及其試樣如圖1所示。銷試樣模擬滑動軸承軸頸,盤試樣模擬滑動軸承軸套。試驗過程中,銷試樣通過銷夾具與主軸相連,并隨之轉(zhuǎn)動,主軸轉(zhuǎn)速為0～2000r/min;盤試樣通過定位銷釘固定于摩擦副平臺上,滿足銷、盤試樣間的相對轉(zhuǎn)速要求。銷、盤試樣接觸表面間的接觸應力通過摩擦磨損試驗機渦輪蝸桿加載裝置加載、力傳感器實時測量反饋得到,加載機構(gòu)最大加載載荷為2kN。摩擦因數(shù)由扭矩傳感器測得摩擦副表面的摩擦扭矩、并經(jīng)轉(zhuǎn)換后得到。摩擦產(chǎn)生的表面溫升由溫度傳感器測量潤滑介質(zhì)溫度變化得到。1.2表面處理為了更好地模擬牙輪鉆頭滑動軸承實際工況,得到更加準確的滑動軸承摩擦磨損試驗數(shù)據(jù),銷、盤試樣材料分別選擇實際牙輪鉆頭滑動軸承軸頸、軸套材料20CrNiMo和鈹青銅。銷、盤試樣表面處理與實際情況下牙輪鉆頭滑動軸承表面處理類似,即銷試樣接觸表面經(jīng)滲碳處理后硬度為60HRC,表面粗糙度為0.8μm;盤試樣表面經(jīng)時效處理后硬度為36HRC,表面粗糙度為0.8μm。單元摩擦學試驗過程中摩擦副表面間潤滑介質(zhì)為牙輪鉆頭滑動軸承專用復合鋰基潤滑脂,其密度為890kg/m1.3織構(gòu)直徑和織構(gòu)深度對磨損性能的影響本文主要分析織構(gòu)面積比(軸套盤試樣表面凹坑織構(gòu)面積與盤試樣摩擦表面面積之比)、織構(gòu)直徑和織構(gòu)深度對滑動軸承摩擦磨損性能的影響規(guī)律。為了方便織構(gòu)加工,僅選擇圓形織構(gòu)為研究對象,織構(gòu)加工于盤試樣表面,即對應于滑動軸承軸套內(nèi)表面。盤試樣表面織構(gòu)采用JDPMS80＿A加工,織構(gòu)參數(shù)見表1。基于蔣龍1.4等效試驗載荷和摩擦學性能試驗根據(jù)文獻式中:n為牙輪個數(shù);K對于ue54f215.9mm(8ue6e6ue6f1in)牙輪鉆頭,計算得到如表2所示不同鉆壓對應的牙輪鉆頭滑動軸承徑向載荷式中:σ為接觸應力,Pa;F為載荷,N;B為接觸寬度,m;R根據(jù)表2,選擇90kN鉆壓對應的435N加載力為等效試驗載荷。摩擦副試驗起始溫度等于實際工況溫度,為110℃。銷、盤試樣間的相對速度與實際工況下滑動軸承線速度相等,為0.289m/s(對應轉(zhuǎn)速為120r/min)。因此,設(shè)計載荷435N、起始溫度110℃、轉(zhuǎn)速120r/min的試驗工況,模擬分析不同織構(gòu)面積比、織構(gòu)深度和織構(gòu)直徑對牙輪鉆頭滑動軸承摩擦磨損性能的影響規(guī)律。單次單元試驗時間為10800s(3h),為保證試驗數(shù)據(jù)有效準確,相同條件下單元試驗重復3次,取3次試驗數(shù)據(jù)平均值為摩擦磨損試驗數(shù)據(jù)。摩擦因數(shù)取試驗3600s后摩擦因數(shù)平均值。銷、盤試樣磨損量為試驗前后經(jīng)清洗、烘干、測量得到的試樣質(zhì)量平均差值。試驗后采用體式顯微鏡和電子掃描顯微鏡對試樣表面形貌和元素成分進行分析。2結(jié)果的討論與分析2.1表面織構(gòu)設(shè)計對摩擦學性能的影響當織構(gòu)直徑D為400μm、織構(gòu)深度H為40μm、面積比S為5%～20%時,銷、盤摩擦副表面摩擦因數(shù)隨時間變化規(guī)律,及與無織構(gòu)表面摩擦因數(shù)對比如圖3所示。從圖3可以看出,相比于無織構(gòu)表面,織構(gòu)面積比為5%、10%和20%時,摩擦因數(shù)平均值更小,而織構(gòu)面積比為15%時摩擦因數(shù)更大。因此,對于牙輪鉆頭滑動軸承,合理參數(shù)的織構(gòu)可提高摩擦副表面摩擦學性能,織構(gòu)參數(shù)設(shè)計不當則對摩擦磨損性能產(chǎn)生消極影響,這與文獻無織構(gòu)及不同參數(shù)織構(gòu)盤試樣表面磨損形貌如圖4所示。從圖4可以看出,摩擦磨損試驗后無織構(gòu)盤試樣表面有較多的磨痕及溝槽,犁溝作用明顯,織構(gòu)化盤試樣表面磨痕更少且更淺。因此表面織構(gòu)的存在能有效減小盤試樣表面的磨粒磨損和犁溝作用,表面織構(gòu)可起到有效捕獲磨屑的作用。銷試樣表面EDS成分分析結(jié)果對比如圖5所示。從圖5可以看出:無織構(gòu)及不同參數(shù)織構(gòu)銷試樣摩擦表面均存在一定的銅元素,這說明摩擦副表面磨粒磨損的同時伴隨著一定的黏著磨損;相比于不同參數(shù)織構(gòu)銷試樣表面,無織構(gòu)銷試樣表面銅元素含量更高,這說明接觸表面黏著磨損更嚴重,表面織構(gòu)起到向摩擦副表面提供潤滑介質(zhì)的作用,從而減小摩擦副金屬直接接觸帶來的黏著磨損。綜上所述,盡管表面織構(gòu)的存在并不能改變牙輪鉆頭滑動軸承的潤滑狀態(tài)(仍處于混合潤滑狀態(tài)),但它能起到捕獲磨屑2.2織構(gòu)面積比對溫升的影響當織構(gòu)深度為40μm,織構(gòu)直徑分別為200、300、400、500和600μm時,在相同織構(gòu)直徑下織構(gòu)面積比對織構(gòu)表面摩擦學性能的影響規(guī)律如圖6所示。從圖6a可以看出:織構(gòu)直徑為200μm時,隨織構(gòu)面積比增加,摩擦因數(shù)先減小后增加,織構(gòu)面積比為10%時摩擦因數(shù)最小;當織構(gòu)直徑為300μm時,摩擦因數(shù)隨織構(gòu)直徑變化也呈現(xiàn)先減小后增加的變化趨勢,但織構(gòu)面積比為5%時摩擦因數(shù)最小;而織構(gòu)直徑為400、500和600μm時,隨織構(gòu)面積比的增加,織構(gòu)表面摩擦因數(shù)呈上下波動變化狀態(tài),不同面積比織構(gòu)表面摩擦因數(shù)的差異較小。從圖6b可知,各織構(gòu)直徑條件下,表面溫升隨織構(gòu)面積比變化規(guī)律與織構(gòu)面積比對摩擦因數(shù)的影響規(guī)律類似,符合摩擦做功基本原理。從圖6c可看出,銷試樣磨損量隨織構(gòu)面積比增加同樣呈現(xiàn)先減小后增加趨勢,且同樣與織構(gòu)面積比對摩擦因數(shù)的影響規(guī)律類似,即基本表現(xiàn)為織構(gòu)表面摩擦因數(shù)越小,銷試樣的磨損量越小。從圖6d可知,織構(gòu)面積比對盤試樣磨損量的影響小于織構(gòu)面積比對銷試樣磨損量的影響。對于較小的織構(gòu)直徑(200μm),當織構(gòu)面積比為10%或15%時,織構(gòu)的潤滑性能更好,而對于300～600μm較大直徑織構(gòu),織構(gòu)面積比為5%時織構(gòu)的潤滑性能更優(yōu)。因此小直徑織構(gòu)面積比偏大較好,可確保潤滑介質(zhì)分布更均勻2.3織構(gòu)直徑對銷試樣磨損量的影響在織構(gòu)深度為40μm、織構(gòu)面積比相同條件下,織構(gòu)直徑對織構(gòu)化銷、盤摩擦副表面摩擦學性能的影響如圖7所示。圖7a中,織構(gòu)面積比為5%～20%時,隨織構(gòu)直徑在200～600μm內(nèi)增加,摩擦副表面摩擦因數(shù)呈增加趨勢,但織構(gòu)直徑增加到400μm后,織構(gòu)直徑變化對摩擦因數(shù)的影響很小。圖7b中,摩擦副表面溫升隨織構(gòu)直徑增加同樣呈現(xiàn)增加趨勢,織構(gòu)直徑大于400μm后,除面積比為20%的織構(gòu)外,其余面積比摩擦副表面溫升均隨織構(gòu)直徑增加呈逐漸減小的變化規(guī)律。圖7c中,織構(gòu)面積比為5%～20%時,相同面積比條件下織構(gòu)直徑為200μm時銷試樣磨損量最大,而其余織構(gòu)直徑下銷試樣磨損量均隨織構(gòu)直徑增加變化很小,與織構(gòu)直徑對織構(gòu)表面摩擦因數(shù)和表面溫升的影響完全相反。可能原因是:盡管表面織構(gòu)改善和提高了滑動軸承試樣的摩擦學性能,但摩擦副表面仍處于混合潤滑狀態(tài),存在一定的黏著磨損,而20CrNiMo銷試樣硬度大于鈹青銅盤試樣硬度,所以在銷試樣表面粘有鈹青銅,影響銷試樣磨損量的測量,這一推論可由圖7d得到驗證。圖7d中,織構(gòu)直徑大于300μm后,各織構(gòu)面積比條件下,隨織構(gòu)直徑的增加,盤試樣的磨損量也增加。因此,相同織構(gòu)面積比條件下,在200～600μm織構(gòu)直徑范圍內(nèi),織構(gòu)直徑越小,織構(gòu)的潤滑性能越好,織構(gòu)直徑為200μm時,織構(gòu)的潤滑性能最優(yōu)。其主要原因為:在相同面積比條件下,織構(gòu)直徑越小,摩擦副表面織構(gòu)的數(shù)量越多,對潤滑介質(zhì)均勻分布更有利2.4織構(gòu)深度對潤滑及摩擦學性能的影響相同條件下,織構(gòu)深度對織構(gòu)表面潤滑性能的影響規(guī)律如圖8所示。從圖8可看出:盡管織構(gòu)面積比5%、織構(gòu)直徑300μm時表面織構(gòu)的存在能有效提高織構(gòu)化銷、盤摩擦副表面的潤滑及摩擦學性能,但在20～80μm織構(gòu)深度范圍內(nèi),隨織構(gòu)深度的增加,銷、盤摩擦副表面摩擦因數(shù)、表面溫升及銷、盤試樣磨損量均呈現(xiàn)先減小后增加再減小的變化趨勢,織構(gòu)深度40μm時織構(gòu)化單元試樣表面潤滑及摩擦學性能最優(yōu)。因此,織構(gòu)深度40μm時,織構(gòu)能最大限度地提高牙輪鉆頭滑動軸承的潤滑性能,延長滑動軸承的使用壽命。其主要原因是:織構(gòu)深度較淺時存儲的潤滑介質(zhì)有限,不能長時間向摩擦表面補充潤滑介質(zhì),且能捕獲的磨屑也較少,而織構(gòu)深度較深時潤滑介質(zhì)不易流出凹坑織構(gòu)。3潤滑及摩擦學性能(1)盡管牙輪鉆頭滑動軸承在存在表面織構(gòu)條件下仍處于混合潤滑狀態(tài),但由于表面織構(gòu)能夠有效捕獲磨屑及向摩擦副表面補充潤滑介質(zhì),所以合理參數(shù)織構(gòu)能有效提高牙輪鉆頭滑動軸承的潤滑及摩擦學性能,延長其使用壽命。(2)織構(gòu)面積比對織構(gòu)潤滑及摩擦學性