延長高壓柱塞水泵陶瓷柱塞缸的使用壽命

胡 鋼，王 程，裴令明，雷 杰，簡彥成

(1-4.馬鞍山鋼鐵股份有限公司一鋼軋總廠;5.馬鋼華陽設(shè)備診斷公司 安徽馬鞍山 243002)

高壓水除鱗是提高熱軋帶鋼表面質(zhì)量的關(guān)鍵措施之一[1]，高壓柱塞水泵是生產(chǎn)高壓水的核心設(shè)備，作為高壓柱塞水泵的核心部件之一，陶瓷柱塞缸的使用壽命和工作穩(wěn)定性顯得尤為重要。馬鋼股份一鋼軋CSP熱軋薄板生產(chǎn)線從2003年投產(chǎn)開始使用高壓水除鱗系統(tǒng)，使用過程中，發(fā)現(xiàn)高壓柱塞水泵陶瓷柱塞缸的使用壽命較短，在生產(chǎn)的過程中有時(shí)會(huì)斷裂，導(dǎo)致除鱗壓力降低和維護(hù)費(fèi)用較大?，F(xiàn)圍繞提高陶瓷柱塞缸的使用壽命，優(yōu)化修復(fù)工藝和工具，談一談自己的一些觀點(diǎn)和方法。

1 陶瓷柱塞缸介紹

1.1 構(gòu)造簡介

如圖1所示，陶瓷柱塞缸的主要零件有：缸體法蘭(7)、缸體(8)、M16內(nèi)六角螺栓(9)、中間盤(18)、底環(huán)(10,20)、冷卻環(huán)(12)、銅套(13)、陶瓷柱塞(11)、不銹鋼圓柱壓縮彈簧(14)、密封室(17)、盤根(15)、支撐墊(16)、壓緊螺母(19)。陶瓷柱塞工作時(shí)做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

1.2 存在問題

每臺(tái)高壓柱塞水泵含有3只陶瓷柱塞缸，陶瓷柱塞可以獲得鏡面的表面粗糙度，硬度極高[2]，與高壓盤根配合在一起，能獲得非常好的密封性能。但是，陶瓷柱塞雖然硬度極高，也比較脆。在生產(chǎn)的過程中，陶瓷柱塞缸的陶瓷柱塞有時(shí)會(huì)發(fā)生斷裂，三柱塞高壓水泵缺缸運(yùn)行，除鱗水壓瞬間降低，導(dǎo)致一次壓氧的發(fā)生，同時(shí)導(dǎo)致高壓管道劇烈抖動(dòng)。

表1 柱塞缸主要零件尺寸表

圖1 陶瓷柱塞缸剖面圖

1.3 問題分析

如圖1所示，左側(cè)的底環(huán)(20)位于缸體法蘭(7)內(nèi)，右側(cè)的底環(huán)(10)同時(shí)位于缸體(8)和中間盤(18)內(nèi)，中間盤和冷卻環(huán)(12)位于缸體法蘭內(nèi)，缸體與缸體法蘭沒有定位銷或定位臺(tái)階。如表1所示，陶瓷柱塞(11)與底環(huán)、銅套(13)、冷卻環(huán)之間的配合間隙較小。左側(cè)底環(huán)與缸體法蘭的最大同軸度誤差為φ0.1 mm；中間盤與缸體法蘭的最大同軸度誤差為φ0.11 mm；右側(cè)底環(huán)與中間盤最大同軸度誤差為φ0.1 mm；

(1)分析缸體法蘭與缸體不同軸的情況，如圖3，在現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)陶瓷柱塞缸，缸體法蘭和缸體通過10只M16螺栓固定后，將它們翻轉(zhuǎn)，使缸體朝上缸體法蘭向下，便于底環(huán)(10)裝入中間盤。如果缸體法蘭軸線相對(duì)于缸體軸線向左錯(cuò)位0.11 mm，為了使底環(huán)(10)從缸體上部裝入中間盤，將中間盤軸線相對(duì)于缸體法蘭軸線右移0.05 mm；為了使底環(huán)(10)與缸體法蘭同軸，雖然底環(huán)與缸體的間隙為0.1mm，在裝配時(shí)單側(cè)必須有0.01 mm間隙，所以底環(huán)(10)從缸體上方裝入時(shí)其軸線相對(duì)于缸體軸線最多只能向左偏移0.04 mm，底環(huán)(10)可以裝入中間盤的臺(tái)階孔中。如圖2所示，然后再次將它們翻轉(zhuǎn)使缸體法蘭朝上，將冷卻環(huán)裝入缸體法蘭，使其軸線相對(duì)于缸體法蘭向左移動(dòng)0.04 mm；底環(huán)(20)為了和底環(huán)(10)同軸，在裝入缸體法蘭時(shí)相對(duì)于缸體法蘭軸線同樣向左移0.04 mm，得出底環(huán)(20)與底環(huán)(10)軸線錯(cuò)位量為0.03。柱塞與底環(huán)的間隙為0.05 mm-0.07 mm，柱塞在2只底環(huán)內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)與底環(huán)的最小單面間隙為0.01 mm[3]，0.03+0.01*2=0.05 mm，剛好滿足柱塞與底環(huán)最小配合間隙0.05 mm。所以，陶瓷柱塞缸正常運(yùn)行的條件是缸體法蘭與缸體的軸線偏差應(yīng)≤0.11 mm。當(dāng)然，缸體法蘭與缸體的同軸度偏差越小，陶瓷柱塞缸的使用壽命越長。

(2)分析中間盤與缸體法蘭不同軸的情況，如圖3，如果缸體法蘭軸線相對(duì)于缸體軸線向左偏移0.005 mm，中間盤相對(duì)于缸體法蘭也向左偏移0.055 mm，中間盤與缸體軸線錯(cuò)位量為0.06 mm，底環(huán)(10)相對(duì)于缸體法蘭只需向左偏移0.02 mm，底環(huán)(10)軸線與中間盤軸線錯(cuò)位量為0.04 mm，底環(huán)(10)能夠進(jìn)入中間盤，底環(huán)(10)與底環(huán)(20)軸線錯(cuò)位量為0.015 mm。柱塞在2只底環(huán)內(nèi)能夠往復(fù)運(yùn)動(dòng)的條件是，底環(huán)(20)與底環(huán)(10)軸線錯(cuò)位量應(yīng)≤0.03 mm，所以，底環(huán)(10)與底環(huán)(20)軸線錯(cuò)位量為0.015 mm，肯定不影響柱塞在2只底環(huán)內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)然，中間盤軸線與缸體法蘭軸線發(fā)生偏移達(dá)到最大值(0.055 mm)，這種機(jī)率幾乎沒有。

(3)冷卻環(huán)(12)和銅套(13)的外徑和內(nèi)徑尺寸與底環(huán)完全相同，與陶瓷柱塞的同軸度情況在這里不贅述。

所以，中間盤軸線相對(duì)于缸體法蘭軸線發(fā)生偏移對(duì)陶瓷柱塞缸的使用壽命幾乎沒有影響。而缸體法蘭相對(duì)于缸體軸線偏移量應(yīng)該≤0.11 mm，陶瓷柱塞缸上機(jī)才能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)然，缸體法蘭相對(duì)于缸體軸線偏移量越小，陶瓷柱塞缸的使用壽命越長。

圖2圖3中，7-缸體法蘭、8-缸體、9-M16內(nèi)六角螺栓、10,20-底環(huán)、12-冷卻環(huán)、13-銅套、18-中間盤

圖2 柱塞缸剖面圖

圖3 柱塞缸倒置剖面圖

2 解決方案

通過前面的分析得出，缸體法蘭相對(duì)于缸體軸線偏移量的大小決定了陶瓷柱塞缸的使用壽命。所以必須要保證缸體法蘭和缸體的同軸度。在現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)陶瓷柱塞缸時(shí)，需要有一套保證缸體法蘭和缸體同軸的工具。

2.1 缸體和缸體法蘭的同軸定位

設(shè)計(jì)定位環(huán)和支架，如圖4所示，定位環(huán)(1)的內(nèi)徑比缸體外徑大1 mm，環(huán)的圓周上加工一個(gè)寬度為5 mm的縫隙，定位環(huán)有較高的形狀和位置精度，用氬弧焊焊接2只有螺栓孔的夾緊塊(2)。

圖4 定位環(huán)和支架

定位步驟：將中間盤和“O”型密封圈置入缸體法蘭的凹槽中，將缸體法蘭與缸體連接，擰入10只M16螺栓(9)，用手?jǐn)Q緊即可，如圖5所示。將支架(6)套在缸體上，然后將定位環(huán)套入缸體法蘭并擱置在支架上，此時(shí)，缸體法蘭和缸體的結(jié)合面正好位于定位環(huán)“Z”軸方向的中間位置，使定位更加準(zhǔn)確。然后用扳手?jǐn)Q緊定位環(huán)上的M10螺栓(3)，定位環(huán)限制了缸體法蘭和缸體的在“X”和“Y” 軸上的四個(gè)自由度[4]，然后用扭力扳手對(duì)角擰緊10只M16螺栓(9)，此時(shí)，缸體法蘭和缸體的同軸度≤φ0.01 mm。

3 結(jié)束語

在現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)陶瓷柱塞缸時(shí)，使用定位環(huán)和支架對(duì)缸體法蘭、缸體實(shí)施同軸定位，保證它們具有較高的同軸精度，確保了陶瓷柱塞缸缸體和缸體法蘭 內(nèi)的的2只底環(huán)、冷卻環(huán)、銅套的同軸精度，最終大幅延長陶瓷柱塞缸的使用壽命。在使用定位工具之前，陶瓷柱塞缸的平均使用壽命為18個(gè)月；使用定位工具之后，陶瓷柱塞缸的平均使用壽命為54個(gè)月，使陶瓷柱塞缸的維護(hù)費(fèi)用大幅降低，平均每年節(jié)約備件費(fèi)150.5萬元。

圖5 缸體法蘭和缸體同軸定位剖面圖