论文总字数：28124字

摘 要

目前，螺杆泵因设备简单、操作方便、价格低廉等特点，被广泛地应用于石油开采及化学工业中。螺杆泵由定子及转子组成，定子橡胶的性能优劣直接影响了螺杆泵的使用寿命长短。在实际工况环境下，螺杆泵定子受到转子的摩擦及外力的作用，导致定子橡胶的物理机械性能下降，加快了橡胶的摩擦磨损，缩短了螺杆泵的使用寿命。因此，本文开展对螺杆泵定子橡胶—丁腈橡胶（NBR）材料的摩擦磨损性能研究，借助试验手段，研究NBR材料摩擦磨损性能的变化，对于提升定子的耐磨性能，延长螺杆泵的寿命有着积极的作用。本文得到了以下结论：

（1）根据螺杆泵的工作原理，配置了定子橡胶的基础配方，借助MZ-3010开炼机对橡胶进行混炼；利用无转子硫化仪测得混炼后的橡胶的硫化参数，最终在平板硫化机上完成丁腈橡胶试样的制备；

（2）基于所制备出的NBR试样，保持试验载荷20N不变，利用MM—W1B万能摩擦磨损试验机分析硫化温度分别为140℃、150℃、160℃的情况下，丁腈橡胶材料摩擦磨损性能的变化。设置试验时间为600s，转速为100r/min。结果表明，当硫化温度升高时，硫化胶的磨损量先降低后升高，硬度先增大后减小；在硫化温度150℃条件下，NBR试样磨损量最低，硬度最大，耐磨性能较好；

（3）基于所制备的NBR试样，保持硫化温度150℃不变，分析不同载荷作用下的NBR材料摩擦磨损性能差异。结果发现，在试验载荷由10N变化到20N、30N、40N的过程中，NBR摩擦系数和磨损量的数值都在不断地减小，但橡胶的硬度数值不断攀升；当试验载荷达到40N时，丁腈橡胶材料的摩擦系数最小，硬度最大，摩擦磨损性能较为优异。

关键词： 螺杆泵 丁腈橡胶 配方制备 摩擦磨损

ABSTRACT

Nowadays, the screw pump has the characteristics of simple eqipment configuration, easy operation, less spending etc., which is widely used in oil extraction and chemical industry. The screw pump consists of a stator and a rotor, and the length of life of a screw pump is usually determined by the performance of the stater material directly. Under actual working conditions, the stator of the screw pump is affected by the friction and external force of the rotor, resulting in a decrease in the physical and mechanical properties of the stator rubber, which accelerates the friction and wear of the rubber and shortens the service life of the screw pump. In order to improve the wear resistance of the stator and extend the service life of screw pumps, in this paper ,we take screw pumps’ stator rubber as the research object. And, by using testing methods, the tribological properties of the elastomer material can be measured. The main conclusions are as follows:

（1）According to the screw pump^‘s working principles, we can configure the basic formula of a screw pump^’s stator rubber. Moreover, the rubber is mixed by means of the MZ-3010 opening mixed machine. Then the rubbers’ vulcanization parameters can be measured using a rotorless vulcanometer and the preparation of the nitrile rubber samples are completed finally within the combination of the vulcanization process.

（2）Under the condition that the test load kept 20N unchanged, the tribological properties of nitrile-butadiene rubber is studied at the curing temperature140°C, 150°C, 160 °C by using the MM-W1B universal friction and wear tester. We set the rotation speed on 100r/min, and the test time on 600 s , The results indicate that as the curing temperature increasing, the wear volume of NBR sample decreases at frist ,then it turns ascenting laterly. However, the hardness of rubber nitriles shows different tendency compared with wear loss,it firstly rises and then reduces. Under the circumstance that a curing temperature of 150°C, the outstanding tribological properties of NBR materials can be achieved,which has the lowest wear loss, the highest hardness;

（3）Based on the prepared NBR samples, keeping the curing temperature at 150°C, the difference in friction and wear properties for the nitrile-butadiene rubber under different load conditions are analyzed and determined using friction and wear tester. As a result, it is showed that the value of the NBR friction coefficient and the wear loss are constantly decreasing in the process of changing the test load from 10N to 20N, 30N, and 40N, but the hardness value of the rubber continues increasing.When the test load reaches 40N, the nitrile rubber material has the smallest friction coefficient, the highest hardness, and it has the excellent friction and wear properties.

KEYWORDS: Screw pump;Nitrile-butadiene Rubber(NBR);Formulation preparation; Friction and wear

目录

摘 要 I

ABSTRACT II

目录 I

第一章 绪论 1

1.1引言 1

1.1.1课题研究背景 1

1.1.2 课题研究目的和意义 1

1.2 丁腈橡胶材料简介及研究现状 2

1.3 影响丁腈橡胶材料摩擦磨损性能的因素 2

1.4 本文主要的研究内容 7

1.4.1 丁腈橡胶配方设计及试样制备 7

1.4.2 硫化温度对NBR材料摩擦性能的影响 7

1.4.3 试验载荷对NBR材料摩擦性能的影响 7

第二章 螺杆泵定子橡胶配方设计与材料制备 8

2.1引言 8

2.2 螺杆泵定子橡胶材料配方设计 8

2.2.1 试验用主要原材料 8

2.2.2 试验仪器及设备 9

2.2.3 橡胶基础配方 9

2.3 螺杆泵定子用橡胶材料试样制备方法 9

2.3.1塑炼 9

2.3.2 混炼 10

2.3.3硫化特性参数的测定 11

2.3.4 硫化 12

2.4本章小结 13

第三章 硫化温度对NBR材料摩擦磨损性能的影响 15

3.1 引言 15

3.2硫化温度的选取及橡胶材料制备 15

3.2.1配方设计 15

3.2.2橡胶混炼与硫化 15

3.2.3硫化结果分析 18

3.3 NBR材料摩擦性能参数的测定方法 18

3.3.1 NBR试样摩擦磨损性能试验方法 18

3.4不同硫化温度丁腈橡胶的摩擦性能参数的变化 20

3.4.1 NBR材料磨损量的变化情况 20

3.4.2 NBR材料硬度值的变化情况 21

3.4.3 NBR材料摩擦系数的变化曲线 21

3.5 本章小结 23

第四章 试验载荷对NBR材料摩擦性能的影响 24

4.1 引言 24

4.2 丁腈橡胶试样的制备及摩擦磨损试验 24

4.2.1 试验用橡胶材料的选取 24

4.2.2 试验载荷的确定 24

4.2.3 丁腈橡胶的摩擦磨损试验 24

4.3 不同载荷作用下丁腈橡胶摩擦磨损性能分析 25

4.3.1 NBR材料磨损量的变化 25

4.3.2 NBR材料摩擦系数的变化情况 25

4.3.3 NBR材料硬度的变化情况 27

4.4 本章小结 28

第五章 总结、展望与经济评估 30

5.1 总结 30

5.2 展望 30

5.3 经济评估 31

5.3.1投资预算 31

5.3.2 资金筹措 31

参考文献 32

致谢 35

第一章 绪论

1.1引言

1.1.1课题研究背景

近年来，随着国家各项宏观经济政策的大力实施，汽车行业得到了迅猛的发展，石油的需求量也急剧上升。目前来说，在石油开采领域应用最为广泛的工具就是螺杆泵，它主要包括定子及转子两部分构件。螺杆泵定子橡胶的磨损，通常是造成螺杆泵失效的重要原因，定子耐磨性能的优劣，直接决定了螺杆泵的寿命情况。因此，对螺杆泵定子橡胶的基体材料进行摩擦磨损性能研究，具有极大的经济价值。

单螺杆泵于1832年由法国工程师Moineau发明，在之后的百年里得到了进一步的发展及优化，具有流量平稳、噪声低、可输送高粘度介质等优点^【1】，通常在油田开采方面应用较为广泛。1961年前后，三螺杆泵（小流量型）在天津市工业泵厂被成功研制；20世纪八十年代初期，我国实现了螺杆泵的批量生产。随着现代化科技的发展，国外采油设备都朝着大功率、耐高压、自动化以及智能化的发展要求转变，国外的生产厂家已经先后推出了一系列的大型单螺杆泵，以满足不同采油环境下的工艺需要。与欧美国家相比，我国自主生产的螺杆泵大多是小型螺杆泵，在稳定性及可靠度方面差距较大。因此，我国单螺杆泵在整体技术及运用方面，泵的性能研发方面，还有许多工艺流程需要完善，螺杆泵的研究对于我国石油行业的发展，有着重要的推动作用。

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