基于猪笼草仿生微织构的螺杆泵转子空化与流体动压润滑协同增效机制研究

《iScience》：Tribological performance of cavitation and hydrodynamic lubrication in screw pump rotors with Nepenthes-inspired textures and pits

本研究针对潜油螺杆泵在复杂井下介质输送过程中定子橡胶与金属转子间存在的严重摩擦磨损问题，创新性地提出基于猪笼草唇瓣微结构仿生的转子表面织构设计。通过Navier-Stokes方程、Schnerr-Sauer空化模型和混合多相流模型系统模拟发现，复合微织构通过平衡空化膨胀与涡流耗能，显著提升油膜承载性能。正交实验表明参数影响顺序为：滑动速度>形状因子>深度>面积比。橡胶-金属摩擦副试验验证了该织构在页岩油润滑下的有效性，为螺杆泵摩擦副可靠性提升提供了新路径。

　　

在油气开采领域，潜油螺杆泵因其兼具容积泵和离心泵的优势，被广泛应用于高含砂量、高气液比的陆上油井及海上平台。然而井下复杂多相介质工况下，金属转子与橡胶定子间的剧烈摩擦磨损严重制约泵效与寿命。传统研究多聚焦于定转子材料优化与泵体结构改进，但面对多变工况适应性有限。近年来表面织构技术通过微凹坑、沟槽等结构增强润滑剂分布、提升油膜承载能力，在轴承、密封件等领域取得显著成效，但针对螺杆泵金属-橡胶摩擦副的特殊润滑机制研究仍存空白。

为突破此瓶颈，研究团队受猪笼草唇瓣周期性排列的新月形多层微结构启发，创新设计复合微织构（圆形与椭圆组合）。通过建立基于Navier-Stokes方程的流体动压润滑模型，结合Schnerr-Sauer空化模型与混合多相流模型，系统分析页岩油润滑下织构参数对压力场、速度场的影响机制。研究发现稳定空化可有效抑制低压区压力跌落、强化高压区压力峰值，产生净压力增益。当无量纲深度H_p=1.0、面积比S_p=40%、形状因子D/d=2.0时，织构在空化扩张与涡流耗能间达到最优平衡，油膜平均压力提升达61.52%。正交实验进一步揭示参数影响层级：滑动速度>形状因子>深度>面积比，其中速度通过调控系统能量水平主导润滑性能。

关键技术方法包括：基于计算流体动力学（CFD）的三维润滑膜域建模、采用SIMPLE算法处理压力-速度耦合、通过激光表面纹理加工技术制备42CrMo钢转子试样，并利用UMT-3摩擦磨损试验机开展橡胶-金属配副的页岩油润滑验证实验。

结果分析

1. 空化对润滑膜压力场的影响

空化使油膜低压区压力显著提升，高压区峰值进一步增强。空化区域集中于织构凹坑左缘与底缘，涡流强度增加促进局部流速提升，抑制压力跌落。

2. 织构深度对承载能力的影响

当H_p=1.0时油膜平均压力最大，过浅（H_p=0.5）限制空化发展，过深（H_p≥1.5）引发强涡流耗能。空化面积占比在H_p=1.5时达峰值。

3. 面积比与形状因子的协同效应

S_p增至30%时空化抑制低压区效果显著，超过30%后织构间流场干扰增强。形状因子D/d=2.0时流体收敛特性最优，偏离此值导致流线过度发散或涡流耗能加剧。

4. 滑动速度的调控作用

速度提升使空化区域扩大，油膜压力增幅最高达207.39%（S_p=40%）。高频条件（3Hz）下摩擦系数较低频（1Hz）降低58.4%。

结论与展望

本研究通过猪笼草仿生织构设计，阐明空化与流体动压润滑的协同增效机制。最优参数组合（H_p=1.0, S_p=40%, D/d=2.0）使螺杆泵摩擦副承载性能提升显著，正交实验为工程参数优选提供理论依据。未来需开展高压工况验证、空化气泡可视化观测及含砂介质耐久性研究，推动仿生织构在井下装备的产业化应用。论文发表于《iScience》，为高磨损工况下的摩擦学设计开辟了新范式。