往復(fù)泵活塞導(dǎo)向環(huán)的設(shè)計(jì)

付　鵬

（中國(guó)有色（沈陽(yáng)）泵業(yè)有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110144）

往復(fù)泵活塞導(dǎo)向環(huán)的設(shè)計(jì)

付鵬

（中國(guó)有色（沈陽(yáng)）泵業(yè)有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110144）

活塞是往復(fù)泵的關(guān)鍵部件之一，其密封性能與使用壽命直接影響隔往復(fù)泵的容積效率與連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)率。為了保證活塞在缸套中運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，導(dǎo)向環(huán)成為活塞裝配體的必不可少的零件。導(dǎo)向環(huán)的設(shè)計(jì)需要考慮材料、往復(fù)泵結(jié)構(gòu)等多個(gè)因素，本文根據(jù)往復(fù)泵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合活塞的實(shí)際工況，提出了導(dǎo)向環(huán)的設(shè)計(jì)的方法，并以某型號(hào)往復(fù)泵的具體參數(shù)為例，完成了導(dǎo)向環(huán)的設(shè)計(jì)計(jì)算。

活塞；導(dǎo)向環(huán)；往復(fù)泵

往復(fù)泵一般由曲軸、連桿、十字頭及活塞等主要部件組成，其工作的基本原理相當(dāng)于曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。在主電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，曲軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)連桿帶動(dòng)十字頭及活塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)泵閥的開(kāi)啟、關(guān)閉，完成輸送介質(zhì)的吸、排過(guò)程。當(dāng)活塞發(fā)生泄露時(shí)，活塞兩側(cè)介質(zhì)就會(huì)互相串動(dòng)，引起相關(guān)油品的損耗，影響往復(fù)泵的工作效率。在往復(fù)泵活塞設(shè)計(jì)過(guò)程中，除了設(shè)計(jì)選擇合理的密封件與缸套外，導(dǎo)向環(huán)的設(shè)計(jì)也是影響活塞密封性能與使用壽命的重要環(huán)節(jié)。

活塞導(dǎo)向環(huán)在活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)中起到了保證活塞運(yùn)動(dòng)直線度、保護(hù)橡膠密封件的作用。一方面，導(dǎo)向環(huán)吸收了作用于缸套的側(cè)向力，確保了活塞的運(yùn)動(dòng)精度；另一方面，它還防止了活塞與缸套之間的接觸摩擦磨損。

以往復(fù)泵的結(jié)構(gòu)為計(jì)算基礎(chǔ)，根據(jù)活塞運(yùn)行的工況，結(jié)合導(dǎo)向環(huán)設(shè)計(jì)的基本要求，本文展開(kāi)了對(duì)往復(fù)泵活塞導(dǎo)向環(huán)設(shè)計(jì)的探索與研究，形成了完整的計(jì)算步驟，并以某型號(hào)往復(fù)泵為例，完成了其導(dǎo)向環(huán)的設(shè)計(jì)計(jì)算。

1.導(dǎo)向環(huán)的設(shè)計(jì)

1.1結(jié)構(gòu)分析

如圖1、圖2所示，活塞在曲軸、連桿與十字頭的帶動(dòng)下進(jìn)行直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，活塞與十字頭之間利用活塞桿、介桿進(jìn)行連接，十字頭處進(jìn)行了支撐定位?；钊髠?cè)介質(zhì)與右側(cè)介質(zhì)均為液壓油，導(dǎo)向環(huán)在活塞中間位置，其左、右兩側(cè)均設(shè)置了V組密封。

1.2材料選擇

隨著化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，非金屬導(dǎo)向環(huán)以其超強(qiáng)的耐磨性和補(bǔ)償能力等優(yōu)點(diǎn)在近些年來(lái)得到了廣泛的應(yīng)用。目前，常用的導(dǎo)向環(huán)材料包括尼龍（PA）、聚甲醛（POM）、聚四氟乙烯（PTFE）、酚醛夾布等。尼龍具有優(yōu)良的耐摩擦性能和耐磨耗性能，無(wú)油潤(rùn)滑的摩擦因數(shù)通常為0.1～0.3，缺點(diǎn)是吸水率大、尺寸穩(wěn)定性差以及抗蠕變性能較差；聚甲醛具有很高的剛度和良好的沖擊輕度，可以耐強(qiáng)堿，耐疲勞性能、蠕變性能好，缺點(diǎn)是耐酸性和阻燃性不理想；聚四氟乙烯具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性，極低的摩擦系數(shù)，缺點(diǎn)是抗蠕變性能差，為了提高其抗蠕變性能和耐磨性能，必須添加纖維、金屬粉末、二硫化鉬或石墨等進(jìn)行改性，改性后的聚四氟乙烯耐磨性可提高1000～2000倍；酚醛夾布具有良好的力學(xué)強(qiáng)度，在耐化學(xué)腐蝕性、電絕緣性、尺寸穩(wěn)定性方面也很好。

根據(jù)往復(fù)泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，其活塞運(yùn)動(dòng)的往復(fù)速度一般在1m/s以下，活塞周?chē)鸵簻囟却蠹s在40℃～60℃，此外，根據(jù)報(bào)廢活塞密封圈的損壞樣式，活塞運(yùn)行工況應(yīng)不屬于大側(cè)向力與重載核工況，因此，初步選擇導(dǎo)向環(huán)的材料為聚四氟乙烯加銅粉。

1.3寬度計(jì)算

導(dǎo)向環(huán)寬度與最大側(cè)向力、活塞直徑與導(dǎo)向環(huán)材料的承載能力有關(guān)，其計(jì)算公式如下：

式中：

T—導(dǎo)向環(huán)寬度（mm）；

F—最大側(cè)向力（N）；

S—安全系數(shù)：一般取4；

D—活塞直徑（mm）；

σ—導(dǎo)向環(huán)的容許受壓（MPa）。

由圖1可以看出，活塞的支撐點(diǎn)在十字頭處，所以活塞最大側(cè)向力由兩部分組成：重力；活塞軸線相對(duì)于十字頭支撐處的偏角引起的側(cè)向力。

（1）重力

導(dǎo)向環(huán)承受的重力包括活塞重力、活塞桿與介桿的重力，考慮到十字頭處也承擔(dān)了一部分介桿、活塞桿重力的1/2施加于導(dǎo)向環(huán)上。

（2）偏轉(zhuǎn)側(cè)向力

可將活塞、活塞桿、介桿及十字頭系統(tǒng)簡(jiǎn)化為懸臂梁模型，十字頭端面為固定端，活塞中心即為懸臂的端點(diǎn)，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定偏轉(zhuǎn)撓度或角度，即可計(jì)算該偏轉(zhuǎn)引起的側(cè)向力大小。

表1　常用導(dǎo)向環(huán)材料對(duì)比表

式中：

F2-最大側(cè)向力；

fA-活塞中心相對(duì)于十字頭中心的撓度；

E-彈性模量；

I-截面的軸慣性矩；

l-十字頭端面與活塞中心的距離。

1.4580-9泵型的導(dǎo)向環(huán)計(jì)算

580-9泵型參數(shù)如下：

活塞直徑D=440mm

活塞桿直徑d=210mm

活塞與活塞桿、介桿重量之和為

W=409.35kg

活塞中心相對(duì)于十字頭中心的撓度為

fA=0.4mm

重力計(jì)算：

F1=W×g=4093.5N

偏轉(zhuǎn)側(cè)向力：

F2=3EIfA/l3=3E×0.0491×d4× fA/l3=11829N

最大側(cè)向力：

F=F1+F2=15872.5N

根據(jù)相關(guān)資料顯示，80℃以下的聚四氟乙烯加銅粉材料的容許受壓σ為7.5MPa。

導(dǎo)程環(huán)寬度：

T=（F×S）/（D×σ）=19mm

1.5減小導(dǎo)向環(huán)寬度的措施

通過(guò)減小導(dǎo)向環(huán)寬度，可以縮短活塞芯的長(zhǎng)度，減少各零件的采購(gòu)或者制造費(fèi)用，進(jìn)而降低活塞的生產(chǎn)成本。根據(jù)導(dǎo)程環(huán)寬度的計(jì)算公式，可以通過(guò)以下方式，對(duì)其寬度予以控制：

（1）通過(guò)設(shè)置減重孔、優(yōu)化選材等方式對(duì)活塞零件進(jìn)行減重設(shè)計(jì)，以減小側(cè)向力。

（2）提高零件的加工精度與部件的安裝精度，將活塞相對(duì)十字頭的偏心控制在最小范圍內(nèi)。

結(jié)論

本文在分析往復(fù)泵活塞工況與結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，結(jié)合導(dǎo)向環(huán)材料現(xiàn)狀，提出了往復(fù)泵活塞導(dǎo)向環(huán)的選材建議。此外，根據(jù)活塞、十字頭、曲軸系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)機(jī)理，得出了導(dǎo)向環(huán)寬度的計(jì)算方法，由分析計(jì)算可以看出：往復(fù)泵活塞導(dǎo)向環(huán)寬度的主要影響因素在于活塞相對(duì)于十字頭的偏心距離、活塞桿直徑、活塞直徑以及活塞與十字頭之間的距離，通過(guò)提高裝配精度與制造精度，優(yōu)化活塞零件的結(jié)構(gòu)及選材能夠減少導(dǎo)向環(huán)所承受的側(cè)向載荷，減小其寬度。

［1］張紹九，等.液壓密封［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

［2］成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

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