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在螺杆泵运行中，定子与转子的摩擦磨损影响泵的性能与寿命。研究人员针对高丙烯腈定子橡胶的六边形微织构和封闭沟槽开展研究，发现纹理参数对润滑及摩擦特性有影响，优化参数可降阻耐磨，为螺杆泵设计提供依据。
在石油开采的舞台上，螺杆泵可是个 “大忙人”，不管是常规油气开采，还是非常规油气开采，尤其是面对高粘度、高固体颗粒含量的复杂工况，它都冲锋在前。但在工作过程中，螺杆泵的定子和转子由于过盈配合产生相对运动，由此带来的摩擦磨损问题却成了它的 “心头大患”，特别是橡胶材质的定子部件，持续不断地受到挤压和碰撞，常常导致泵过早 “罢工”，严重影响开采效率。
为了解决这一棘手问题，青岛理工大学高端激光智能制造技术与装备学科创新引智基地、中国石油大学（华东）机电工程学院等单位的研究人员展开了深入研究。他们聚焦于高丙烯腈定子橡胶的六边形微织构和封闭沟槽（一种仿生蜂窝结构），试图揭开其中的奥秘，找到提升螺杆泵性能的关键。这项研究成果发表在了《iScience》杂志上。
研究人员为开展此项研究，运用了多种关键技术方法。首先，利用 SolidWorks 2020 构建了具有仿生蜂窝结构的摩擦对流体膜三维实体模型；接着，借助 Fluent 2020 R2 对相关算法和方法进行求解，开展流体动力学分析；还使用红外纳秒光纤激光对定子橡胶表面进行织构处理；采用 3D 共聚焦显微镜（VK-X1050）观察定子橡胶纹理表面形态，运用往复摩擦磨损试验机（UMT - 3）进行摩擦磨损测试。
下面来详细看看研究结果：
- 几何模型构建：研究人员构建了六边形微织构和封闭沟槽的几何模型，其参数包括纹理形状、大小、沟槽宽度和深度等。这种仿生蜂窝结构的设计，有望通过在沟槽内形成流体动力油膜，改善摩擦副的润滑和摩擦特性。
- 流体动力润滑建模：通过一系列假设和推导，得出了适用于螺杆泵定子橡胶纹理表面流场的雷诺方程。基于此方程，进一步推导出流体膜的流体动力润滑方程、修正雷诺方程，还能计算出流体膜的承载能力、摩擦力和摩擦系数，为后续的模拟和分析提供了理论基础。
- 模拟分析：在模拟过程中，研究人员进行了网格独立性验证，最终确定了适合的网格划分方式和网格数量。设定好边界条件和模拟参数后，对不同纹理参数组合进行模拟。结果发现，纹理尺寸和沟槽宽度、深度对流体动力油膜的压力场和流场有显著影响。比如，纹理尺寸增大时，油膜的平均压力和净承载能力会下降；沟槽深度增加时，涡流量先增后减，在 300μm 左右时涡流量达到最大，此时会出现新的涡旋流和发散流，导致空化效应，削弱油膜的承载能力、减摩和耐磨性能 。
- 摩擦磨损测试：以页岩油为润滑剂，对高丙烯腈定子橡胶进行摩擦磨损测试。实验结果显示，浸泡后橡胶表面纹理形态基本保持完整，但沟槽底部外边缘出现微小侵蚀坑。不同纹理尺寸的橡胶样品在摩擦过程中，摩擦系数变化各异，总体上纹理尺寸为 0.5mm 的橡胶样品摩擦系数最小。磨损机制主要包括塑性变形、磨粒磨损，还出现了疲劳剥落现象，导致磨损痕迹加深。
综合研究结果和讨论部分，此次研究意义重大。研究人员成功构建了六边形微织构和封闭沟槽的几何模型以及流场中流体动力润滑的数学模型，明确了纹理尺寸、沟槽宽度和深度等因素对流体膜润滑性能、承载能力和摩擦副摩擦特性的影响规律。找到了最优的纹理参数组合，即六边形微织构尺寸为 2mm、沟槽宽度为 200μm、沟槽深度为 300μm 时，能使油膜承载能力最高、摩擦系数最低，有效降低摩擦，增强润滑性能。这为螺杆泵定子橡胶的表面织构设计提供了可靠的理论依据，有助于提升螺杆泵在开采井眼中的稳定性，延长其使用寿命，为石油开采行业带来新的发展机遇。
