等壁厚螺桿泵定子橡膠成型工藝研究

王興燕，何莎莎，宋 建，米凱夫

(北京石油機(jī)械廠，北京 100083)

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等壁厚螺桿泵定子橡膠成型工藝研究

王興燕，何莎莎，宋 建，米凱夫

(北京石油機(jī)械廠，北京 100083)

橡膠屬于高黏性流體，其流動(dòng)性差，加工零件在澆注加壓時(shí)因異型及空間狹長(zhǎng)等因素，很可能會(huì)導(dǎo)致澆注壓力過(guò)大，造成加工過(guò)程中的失效。等壁厚螺桿泵定子注膠成型就是一種典型的高黏性流體在狹長(zhǎng)空間內(nèi)的成型過(guò)程。由于本身結(jié)構(gòu)細(xì)長(zhǎng)，且同普通的螺桿泵定子相比，截面空間更小，易導(dǎo)致成型過(guò)程中的失效。以等壁厚螺桿泵定子制造工藝為研究對(duì)象，開(kāi)展了深入的研究，形成了一套橡膠在狹長(zhǎng)空間內(nèi)澆注成型的工藝方法。通過(guò)改善橡膠性能、控制澆注溫度、調(diào)整澆注壓力等措施，既保證了橡膠在狹長(zhǎng)異型內(nèi)腔順利澆注成型，又縮短了膠注時(shí)間，提高了工作效率。

等壁厚螺桿泵；橡膠；定子；成型工藝

螺桿泵定子是在鋼管內(nèi)襯一層彈性體，彈性體普遍采用的是橡膠材料。等壁厚螺桿泵定子與常規(guī)螺桿泵定子相比，鋼管由圓形鋼管改為與定子內(nèi)腔線型一致的螺旋管[1-2]，由于等壁厚螺桿泵定子內(nèi)襯套層薄且均勻，所以截面空間更小。螺桿泵結(jié)構(gòu)細(xì)長(zhǎng)，內(nèi)襯套注膠壓力不能過(guò)高，否則可能會(huì)導(dǎo)致等壁厚定子管的變形或爆裂。同時(shí)，橡膠屬于高黏性流體，流動(dòng)性差，在注膠壓力不夠大的情況下，膠注時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，容易在膠注過(guò)程中過(guò)早硫化，影響橡膠性能或?qū)е伦⒛z工藝失敗。本文以等壁厚螺桿泵定子制造工藝為研究對(duì)象，對(duì)狹長(zhǎng)空間零件制造過(guò)程中的澆注工藝進(jìn)行研究，確定合理的成型工藝，確保制造質(zhì)量。

1 改善橡膠性能試驗(yàn)室研究

等壁厚螺桿泵定子由1根螺旋結(jié)構(gòu)的定子管和管內(nèi)壁的橡膠襯套組成。橡膠襯套作為螺桿泵定子的重要組成部分，在保持原有硬度、耐磨性、撕裂強(qiáng)度、適應(yīng)介質(zhì)等力學(xué)性能不變的情況下[3]，改善其在狹長(zhǎng)空間的流動(dòng)性，對(duì)于等壁厚螺桿泵定子澆注工藝具有重要意義。

提高膠料流動(dòng)性的基本方法有4種：

1) 生膠使用時(shí)進(jìn)行充分塑煉，降低門尼黏度，提高塑性。

2) 配方設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證膠料有好的焦燒性能，有利于膠料在使用時(shí)的充分流動(dòng)。

3) 膠料使用時(shí)采取相適宜的加工溫度，提高加工溫度來(lái)降低膠料的黏度。同時(shí)適當(dāng)提高工作壓力，增加膠料的流動(dòng)性。

4) 膠料中配以適量的加工助劑，例如：液體軟化劑或固體軟化劑來(lái)增加膠料的加工流動(dòng)性。

根據(jù)以上方法對(duì)現(xiàn)有橡膠配方進(jìn)行改良，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)進(jìn)行物性對(duì)比。由圖1可知，經(jīng)過(guò)改良的2#橡膠門尼黏度降低效果明顯。

圖1 門尼黏度對(duì)比

焦燒時(shí)間可以衡量膠料產(chǎn)生焦燒的難易，焦燒時(shí)間越長(zhǎng)則加工過(guò)程中越不容易發(fā)生早期硫化的現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)改良的2#橡膠的焦燒時(shí)間與常規(guī)膠接近，如圖2。

圖2 焦燒時(shí)間對(duì)比

對(duì)幾種橡膠配方進(jìn)行常規(guī)物性對(duì)比，如圖3所示，除伸長(zhǎng)率外，改良的2#橡膠性能與常規(guī)2#膠基本相近。

圖3 常規(guī)物性對(duì)比

對(duì)常規(guī)2#膠與改良2#膠進(jìn)行室溫耐介質(zhì)試驗(yàn)，室溫下的介質(zhì)溶脹與常規(guī)膠相比，膨脹速度稍快，飽和膨脹率略低。圖4為耐介質(zhì)性對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果。

圖4 耐介質(zhì)性對(duì)比

通過(guò)以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，改良2#橡膠與常規(guī)螺桿泵橡膠相比，綜合性能有所提高。

2 成型工藝研究

橡膠流動(dòng)性提升后，等壁厚螺桿泵定子澆注工裝設(shè)計(jì)及工藝制定就成為了關(guān)鍵。

2.1 定子受力分析

等壁厚螺桿泵定子管考慮使用工況及制造成本等因素，成型方式選擇輥壓形式，材料選擇N80鋼級(jí)，壁厚在7～8 mm，定子管長(zhǎng)軸直徑106 mm，短軸直徑78 mm。根據(jù)膠注過(guò)程，對(duì)等壁厚螺桿泵定子進(jìn)行受力分析，從圖5可以看出，最大應(yīng)力出現(xiàn)在設(shè)置排氣孔的波谷處。在注膠壓力22 MPa時(shí)，最大應(yīng)力值478.81 MPa，材料抗拉強(qiáng)度≥689 MPa，說(shuō)明材料強(qiáng)度可靠。

圖5 定子管應(yīng)力分布

2.2 注膠工裝設(shè)計(jì)

等壁厚螺桿泵定子的注膠工裝要同時(shí)滿足3個(gè)功能：

1) 對(duì)注膠芯軸進(jìn)行軸向限位，承受注膠時(shí)產(chǎn)生的軸向力。

2) 對(duì)注膠芯軸進(jìn)行徑向定位，以便實(shí)現(xiàn)定子金屬內(nèi)螺旋與芯軸金屬外螺旋的相位對(duì)準(zhǔn)。

3) 對(duì)注膠芯軸進(jìn)行徑向扶正，以減少在全長(zhǎng)范圍內(nèi)因細(xì)長(zhǎng)件的撓曲導(dǎo)致的相位偏差。

根據(jù)以上功能需求并參考相關(guān)文獻(xiàn)[2，4-5]后設(shè)計(jì)如圖6所示的注膠工裝。

件1對(duì)芯軸進(jìn)行軸向限位，件3對(duì)芯軸進(jìn)行軸向及徑向的定位，件4對(duì)芯軸進(jìn)行扶正。其中定位孔要保證良好的加工精度才能保證成功實(shí)現(xiàn)相位對(duì)準(zhǔn)，為此設(shè)計(jì)了專用的定位孔加工工裝(如圖7)。

1—分流頭；2—芯軸；3—定位螺釘；4—扶正銷。

圖7 定位孔加工工裝

需要補(bǔ)充的是，由于注膠前芯軸要預(yù)熱，定位孔要充分考慮熱膨脹量的影響。

2.3 注膠工藝制定

根據(jù)螺桿泵加工經(jīng)驗(yàn)及定子管性能值，確定注膠壓力為16～21 MPa，使用改良2#橡膠嘗試注膠。

1) 注膠成型過(guò)程。

采用DESMA型注膠機(jī)對(duì)GLB300-21型等壁厚螺桿泵定子進(jìn)行注膠。定子芯軸預(yù)熱完成后開(kāi)始進(jìn)行定子注膠工裝的裝配。

由于定子長(zhǎng)度較長(zhǎng)，采取兩頭注膠的方式。為了驗(yàn)證注膠工藝參數(shù)對(duì)注膠速度的影響，在整個(gè)注膠過(guò)程中做了不同程度的調(diào)整，注膠情況如表1～2所示。

通過(guò)分析調(diào)頭前的注膠數(shù)據(jù)，說(shuō)明在現(xiàn)有設(shè)備及注膠方式下單頭注射2 m以上進(jìn)程緩慢，所以需要采用兩頭注膠的方式。

表1 注膠數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)(調(diào)頭前)

表2 注膠數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)(調(diào)頭后)

通過(guò)對(duì)比分析調(diào)頭前后距端面同樣距離時(shí)的注膠狀態(tài)，說(shuō)明注膠過(guò)程中對(duì)工件進(jìn)行保溫及適當(dāng)調(diào)高注膠壓力可以有效提高注膠速度。調(diào)頭后注膠時(shí)間明顯低于調(diào)頭前，經(jīng)計(jì)算縮短時(shí)間約32%。

通過(guò)觀察注膠后的排膠狀態(tài)，排膠光滑順暢，初步判斷排氣孔設(shè)置合理，整個(gè)注膠工藝得以順利實(shí)現(xiàn)。

3 結(jié)論

1) 由于狹長(zhǎng)空間內(nèi)的注膠比較困難，注膠時(shí)間會(huì)延長(zhǎng)，所以要在不影響橡膠物性的前提下適當(dāng)改善橡膠流動(dòng)性能，降低門尼黏度，提高焦燒時(shí)間。

2) 單頭等壁厚螺桿泵定子注膠時(shí)，理論上徑向力基本平衡，但實(shí)際在橡膠推進(jìn)過(guò)程中還是受到沿螺旋線方向的徑向分力，所以在徑向上應(yīng)設(shè)置定位工裝以保證相位對(duì)準(zhǔn)。

3) 為保證良好的注膠狀態(tài)，同常規(guī)零件相比，狹長(zhǎng)空間工件的注膠壓力要相應(yīng)提高，所以工件及聯(lián)接方式應(yīng)有足夠強(qiáng)度。

4) 注膠時(shí)內(nèi)置芯軸的溫度對(duì)橡膠流動(dòng)速度有很大影響，所以芯軸要預(yù)熱，為使芯軸不明顯降溫，注膠工裝要保證安裝簡(jiǎn)便快捷，注膠過(guò)程中宜有保溫措施盡量保持芯軸溫度。

5) 為促進(jìn)橡膠流動(dòng)性，要在所注工件上多設(shè)置排氣孔，同時(shí)要考慮對(duì)加工成本及工件強(qiáng)度的影響。

6) 通過(guò)整套研究工藝，以GLB300-21型等壁厚螺桿泵定子為例，綜合考慮因改良橡膠配方及優(yōu)化注膠工藝帶來(lái)的效果，注膠時(shí)長(zhǎng)縮短40%以上，大幅提高了工作效率，降低了人工成本。

[1] 何艷，姜海峰，孫延安.等壁厚定子螺桿泵研究及應(yīng)用前景探討[J].石油機(jī)械，2003，31(2)：4-5.

[2] 詹升忠.等壁厚螺桿泵定子對(duì)模工藝研究[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2015，44(3)：72-74 .

[3] 操建平，孟慶昆，高圣平，等，影響螺桿泵密封性能的直接因素分析[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2011，40(11)：5-10 .

[4] 邊慧光，宗殿瑞，呂春蕾.新型螺旋等壁厚空心螺桿泵定子橡膠襯套成型設(shè)備[J].橡膠工業(yè)，2014，61(7)：435-437.

[5] 黃艷清，邢春娟，王喜紅.螺桿泵定子注膠模具的改進(jìn)設(shè)計(jì)[J].油氣田地面工程，2006，25(3)：45.

Study on Rubber Injection Molding of Uniform Thickness PC Pump Stator

WANG Xingyan，HE Shasha，SONG Jian，MI Kaifu

(BeijingPetroleumMachineryCo.，Beijing100083，China)

The rubber is a kind of liquid which is high viscosity and low fluidity.When the product is injected molding，special shaped and narrow section and other factors are likely to lead to excessive molding pressure caused by the failure of the process.The process that uniform thickness PC pump stator is injected is a typical high viscosity fluid in long and narrow section.Because of slender structure，comparing with ordinary PC pump stator，the section of uniform thickness PC pump stator is narrower.It easily leads to the failure of the forming process.To deeply studying in uniform thickness PC pump stator manufacturing process，finally，form a set of technology program about the rubber injection molding in a long and narrow section.By improving the rubber properties，controlling the injection temperature，and adjusting the injection pressure，not only ensure the rubber molding successfully，but also shorten the injection time and improve the work efficiency.

uniform thickness PC pump；rubber；stator；injection molding

2016-05-17

王興燕(1979-)，女，山東新泰人，高級(jí)工程師，2001年畢業(yè)于山東科技大學(xué)，現(xiàn)從事采油機(jī)械設(shè)計(jì)工作，E-mail：bpm.wangxy@vip.163.com。

1001-3482(2016)11-0070-04

TE933.306

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2016.11.016