往復(fù)泵活塞導(dǎo)向環(huán)的設(shè)計(jì)探討

孫政剛

摘 要：往復(fù)泵結(jié)構(gòu)中，活塞作為其關(guān)鍵部件，其使用壽命與密封性對(duì)于往復(fù)泵連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)率及容積效率具有直接影響?；诖?，本文以往復(fù)泵工作原理及活塞破壞機(jī)理切入，通過分析導(dǎo)向環(huán)結(jié)構(gòu)、材料選擇、寬度設(shè)計(jì)的方式，研究往復(fù)泵活塞導(dǎo)向環(huán)優(yōu)化設(shè)計(jì)措施，以期為相關(guān)工作者提供有益借鑒，從而提高往復(fù)泵工作效率，減少工作成本。

關(guān)鍵詞：往復(fù)泵;活塞導(dǎo)向環(huán);設(shè)計(jì)

前言：

活塞導(dǎo)向環(huán)作為往復(fù)泵中的重要部分，經(jīng)過反復(fù)工作運(yùn)行，其通常會(huì)產(chǎn)生磨損問題，進(jìn)而對(duì)其導(dǎo)向作用造成影響。若是導(dǎo)向環(huán)內(nèi)徑小于活塞固定導(dǎo)向環(huán)環(huán)槽內(nèi)徑，當(dāng)活塞裝入導(dǎo)向環(huán)后，會(huì)產(chǎn)生拉縫，在較高的工作壓力下，液流壓力會(huì)經(jīng)過導(dǎo)向環(huán)拉縫對(duì)密封圈沖擊，導(dǎo)致其失去密封作用，影響密封圈壽命。所以，應(yīng)當(dāng)優(yōu)化活塞導(dǎo)向環(huán)設(shè)計(jì)，以提高往復(fù)泵工作效率。

一、工作原理

（1）往復(fù)泵工作原理

往復(fù)泵廣泛應(yīng)用于磨蝕性、腐蝕性固液介質(zhì)運(yùn)輸之中，涉及電力、煤炭、化工等行業(yè)，可輸送高溫氧化鋁礦漿、城市污水、尾礦礦漿等工業(yè)漿料，其具有耐腐蝕性、耐高溫、密封性、維修便捷、節(jié)能環(huán)保、高效等優(yōu)點(diǎn)[1]。往復(fù)泵是由連桿、曲軸、活塞、十字頭等部件構(gòu)成，工作原理是以電機(jī)驅(qū)動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)，利用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)讓旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)向直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變，進(jìn)而帶動(dòng)活塞驅(qū)動(dòng)完成凸凹運(yùn)動(dòng)，隔膜腔內(nèi)容積則產(chǎn)生周期性變化，以輸送漿料?；钊麑?dǎo)向環(huán)則是周期性運(yùn)動(dòng)中確?；钊本€運(yùn)動(dòng)的部件，保證充分發(fā)揮橡膠密封件效果。

（2）活塞導(dǎo)向環(huán)破壞機(jī)理

活塞導(dǎo)向環(huán)壽命影響因素主要分為外部與內(nèi)部?jī)煞N，外部是輸送介質(zhì)溫度、性質(zhì)、泵工作壓力及沖次，內(nèi)部則是導(dǎo)向環(huán)結(jié)構(gòu)與材料等[2]。而往復(fù)泵由于其應(yīng)用特點(diǎn)，輸送介質(zhì)通常為高溫原油、污水、海水、酸類、鉆井泥漿等年度變化大，磨粒磨損嚴(yán)重、腐蝕性較強(qiáng)介質(zhì)，中高壓范圍約7-30MPa?，F(xiàn)階段往復(fù)泵活塞導(dǎo)向環(huán)結(jié)構(gòu)通常選用聚氨酯橡膠，耐磨性強(qiáng)，機(jī)械強(qiáng)度高，但耐熱性較差，泵注介質(zhì)摩擦與溫度副作用形成的熱量超過材料允許溫度，導(dǎo)致其易發(fā)生;老化、氧化情況，進(jìn)而影響整體往復(fù)泵工作效率。

二、往復(fù)泵活塞導(dǎo)向環(huán)設(shè)計(jì)分析

1.結(jié)構(gòu)

活塞在十字頭、曲軸及連桿作用下完成直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，活塞和十字頭之間通過介桿與活塞桿連接，十字頭加以支撐定位[3]。在活塞左右兩側(cè)均為液壓油介質(zhì)，而導(dǎo)向環(huán)則處于活塞中間部位，左右兩側(cè)設(shè)置V組加以密封（見圖1、2）。

2.材料選擇

隨著化工行業(yè)不斷發(fā)展，近幾年來非金屬導(dǎo)向環(huán)由于其具有補(bǔ)償能力及高耐磨性優(yōu)點(diǎn)在往復(fù)泵中得到廣泛應(yīng)用。常用導(dǎo)向環(huán)材料主要有聚甲醛（POM）、尼龍（PA）、酚醛夾布、聚四氟乙烯（PTFE）等。

POM沖擊輕度良好，且剛度較高，具有蠕變性、耐疲勞性與耐堿性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，但阻燃性與耐酸性不夠理想;PA則也能夠良好耐磨耗性及耐磨耗性，在無潤(rùn)滑油情況下，其摩擦因數(shù)是0.1-0.3，但具有尺寸不穩(wěn)定、吸水率差及抗蠕性差缺點(diǎn);酚醛夾布力學(xué)強(qiáng)度良好，擁有電絕緣性、耐化學(xué)腐蝕形及穩(wěn)定尺寸特點(diǎn);PTFE則存在良好化學(xué)性能，摩擦系數(shù)較低，但是抗蠕性較差，為了將其抗蠕性與耐磨性提高，則需要再其中加入金屬粉末、纖維、石墨或二硫化鉬等改性，PTFE改性后可將耐磨性提高1500倍左右。

而本次設(shè)計(jì)中，依據(jù)往復(fù)泵結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)往復(fù)速度通常小于1m/s，周圍的油液溫度約在40-60℃左右。所以，初步選擇以PTFE為導(dǎo)向環(huán)材料。

3.寬度計(jì)算

無論是設(shè)計(jì)開口型導(dǎo)向環(huán)還是整體型導(dǎo)向環(huán)，均涉及徑向厚度、軸向?qū)挾?、外徑等參?shù)。軸向?qū)挾葎t是確保導(dǎo)向環(huán)可發(fā)揮導(dǎo)向定位作用，承載相應(yīng)荷載，提高導(dǎo)向環(huán)壽命的重要參數(shù)，應(yīng)當(dāng)保證設(shè)計(jì)計(jì)算正確性。

（1）軸向?qū)挾?/p>

導(dǎo)向環(huán)軸向?qū)挾仁且罁?jù)導(dǎo)向環(huán)材料許用比壓縮確定，設(shè)計(jì)計(jì)算公式如下：

其中，B代表導(dǎo)向環(huán)軸向?qū)挾?，單位為m;b則是承壓表面投影寬度，單位m，通常選擇導(dǎo)向環(huán)外徑底部投影;[k]是導(dǎo)向環(huán)表面許用比壓，單位NPa;G是導(dǎo)向環(huán)承受荷載，為1/2活塞桿重量與活塞重量和。

通過上述公式可知，計(jì)算導(dǎo)向環(huán)軸向?qū)挾葧r(shí)，是根據(jù)活塞桿機(jī)活塞組件重量承載荷載計(jì)算，但以實(shí)際而言，導(dǎo)向環(huán)所受載荷不僅為活塞組件重量，還有側(cè)壓力，活塞環(huán)是非金屬材料制造，為保證密封性，軸向厚度較小，只能承擔(dān)密封作用，以導(dǎo)向環(huán)承擔(dān)側(cè)壓力。所以，在計(jì)算導(dǎo)向環(huán)軸向?qū)挾戎校瑧?yīng)當(dāng)對(duì)側(cè)壓力影響加以考慮，設(shè)計(jì)公式如下：

其中Nmax則為最大側(cè)壓力，單位106 N，根據(jù)下式計(jì)算：

Nmax=λPmax

其中Pmax是最大活塞力，單位106 N，通過熱力計(jì)算可得;λ則為徑長(zhǎng)比。明顯，λ越小，則Nmax和B也會(huì)隨之變小，有助于減少活塞軸向尺寸，且活塞對(duì)氣缸壁壓力也減小，摩擦力減小，延長(zhǎng)導(dǎo)向環(huán)使用壽命。因此，為了將導(dǎo)向環(huán)使用壽命提高，保證往復(fù)泵結(jié)構(gòu)緊湊，則λ取最小值為1/3-1/7。

（2）許用比壓取值

導(dǎo)向環(huán)承壓表面中許用比壓取值，即[k]取值公式如下：

[k]=σ/n

其中，σ是導(dǎo)向環(huán)抗壓極限，單位MPa;n則代表安全系數(shù)。

在使用PTFE作為導(dǎo)向環(huán)材料時(shí)，安全系數(shù)則在5-6左右，[k]應(yīng)當(dāng)在0.03MPa范圍中。當(dāng)多級(jí)壓縮時(shí)，根據(jù)此公式進(jìn)行軸向?qū)挾扔?jì)算，則高壓級(jí)增大最大活塞力，側(cè)壓力也隨之增大，軸向?qū)挾仍黾樱讓?dǎo)致導(dǎo)向環(huán)過長(zhǎng)，增加活塞長(zhǎng)度與機(jī)器尺寸，不利于活塞裝配與加工，影響往復(fù)泵美觀性。因此，在計(jì)算過程中，受到往復(fù)泵與活塞尺寸結(jié)構(gòu)限制，[k]值則通常超過0.03MPa范圍，以減小導(dǎo)向環(huán)寬度而言，[k]取值可在0.06-0.10MPa范圍中。

以580-9泵型導(dǎo)向環(huán)為例，計(jì)算參數(shù)可知活塞直徑為440mm，活塞桿直徑是210mm，介桿重量與活塞重量和是409.35kg，相對(duì)于十字頭中心活塞中心撓度是0.4mm，通過重力計(jì)算可得4093.5N，偏轉(zhuǎn)側(cè)向力為11829N。依據(jù)資料顯示，PTFE在80℃下容許受壓是7.5MPa，可獲得實(shí)際導(dǎo)向環(huán)寬度是19mm。

4.減小寬度措施

導(dǎo)向環(huán)寬度減小，可有效縮短活塞芯長(zhǎng)度，零件采購與制造費(fèi)用也隨之減小，將活塞生產(chǎn)成本降低。依據(jù)寬度計(jì)算公式，主要可利用這幾種方式控制寬度：（1）設(shè)置減重口優(yōu)化選材等方式減重設(shè)計(jì)活塞零件，減小側(cè)向力;（2）提高加工零件精度及安裝部件精度，控制活塞十字頭偏心在最小范圍之中。

總結(jié)：總之，活塞導(dǎo)向環(huán)作為往復(fù)泵中重要組件，其質(zhì)量對(duì)于往復(fù)泵工作效率具有重要影響。因此，本文主要結(jié)合往復(fù)泵工作原理及活塞導(dǎo)向環(huán)破損機(jī)理分析，從結(jié)構(gòu)、材料、寬度這幾方面出發(fā)，獲得導(dǎo)向環(huán)寬度計(jì)算方式，由此可知：導(dǎo)向環(huán)軸向?qū)挾扰c徑長(zhǎng)比相關(guān)，通過提高制造與裝配精度，優(yōu)化選材與零件結(jié)構(gòu)，可有效將導(dǎo)向環(huán)承受側(cè)向載荷減少，進(jìn)而減少寬度，延長(zhǎng)活塞使用壽命。

參考文獻(xiàn)：

[1]王志旺.往復(fù)泵機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真研究[J].有色設(shè)備，2019（01）：36-38.

[2]許小平，任聰，張孟.延長(zhǎng)高壓臥式柱塞泵的運(yùn)行周期[J].化工管理，2017（35）：28.