柱塞調(diào)心結(jié)構(gòu)對填料密封性能的影響及實驗驗證

譚平　符義紅　陳禮　郭偉　霍開子

摘? 要：填料密封依靠填料的柔性，對柱塞與填料箱之間的腔室進行填充、減小間隙來達到密封介質(zhì)的效果。由于填料的補償性能有限，因此必須保證柱塞與填料箱的同心度。常規(guī)的柱塞連接形式存在諸多缺點，該文該文涉及一種可以改善這些缺點的新的連接結(jié)構(gòu)。從理論上分析這種結(jié)構(gòu)的調(diào)心原理以及可補償?shù)亩ㄎ徽`差類型，然后通過實驗進行驗證理論分析的正確性。最終實驗表明，該結(jié)構(gòu)能夠有效提高柱塞與填料箱的同心度精度，改善密封效果。

關(guān)鍵詞：自動調(diào)心;柱塞;往復(fù)泵;柱塞密封;同心度

中圖分類號 ：TQ436.6? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)志碼：A

往復(fù)泵中柱塞密封為一項關(guān)鍵技術(shù)。如果密封不可靠，將會導(dǎo)致介質(zhì)的泄露，而這些介質(zhì)有時候是有毒、有腐蝕的，對人身會造成傷害或污染環(huán)境。密封不可靠也會導(dǎo)致頻繁更換易損件，增加檢修、維護成本。

往復(fù)泵的柱塞密封一般采用填料密封的結(jié)構(gòu)形式，中間加以柱塞襯套，起著支撐柱塞、節(jié)流的作用，并使壓蓋的壓緊力均勻地傳遞給各填料[1]。填料密封依靠的是密封材料良好的壓縮性能，擰緊壓蓋時給填料環(huán)一定的軸向力，使填料沿徑向脹開，從而使填料環(huán)的內(nèi)外兩側(cè)分別與柱塞、填料箱表面緊密貼合并產(chǎn)生足夠的徑向力來阻止流體泄露[2-3]。從微觀來看，柱塞表面上的微凸體使軸表面與填料只能部分貼合，從而形成了無數(shù)微小的相當(dāng)不規(guī)則的“迷宮”，造成流體的節(jié)流減壓，依靠這種“迷宮效應(yīng)”達到密封的效果[4]。由于填料密封適應(yīng)柱塞偏心運動的性能較差，因此要求填料材料能長久地保持彈性以適應(yīng)柱塞微小的偏心運動，一般偏心值不應(yīng)大于0.2 mm[5]。

1 常見的柱塞連接結(jié)構(gòu)

通常來說，柱塞與接桿的連接方式為卡子或法蘭連接，如圖1所示。

接桿與往復(fù)泵傳動端的十字頭相連接，然后柱塞頭部加工有銷子，銷子插入到接桿中可對柱塞定位，然后通過卡子壓緊柱塞和接桿。柱塞與填料箱的同心度不是直接保證的，首先是保證安裝填料箱的機座孔和安裝接桿的十字頭滑道孔一同加工來保證同心，然后接桿與十字頭連接有同心度的要求，接桿上銷子孔有同心度要求，接桿右端與柱塞連接的平面有垂直度的要求，實際的定位相當(dāng)于轉(zhuǎn)了5次定位，存在5次定位誤差。再者，為了保證十字頭潤滑充足不燒，通常十字頭與十字頭滑道的間隙在0.20 mm～0.25 mm。采用這種方式連接，柱塞與填料箱的同心度值很大，而且卡子與柱塞是硬連接，不同心時，卡子將會對柱塞產(chǎn)生很大的作用力，導(dǎo)致柱塞傾斜地壓在填料和襯套上，造成填料和襯套的異常磨損。

2 調(diào)心的柱塞連接結(jié)構(gòu)

如圖2所示，調(diào)心結(jié)構(gòu)主要是由接桿、球形墊、環(huán)、擋圈、碟簧、壓蓋和柱塞構(gòu)成的。接桿和往復(fù)泵機座端的十字頭連接，球形墊安裝在接桿的凹槽內(nèi)。柱塞頭部為平面，通過壓蓋的上的螺紋與接桿連接，然后壓住碟簧，通過碟簧壓住擋圈，擋圈又扣在環(huán)上來壓住柱塞，從而使柱塞的平面緊緊貼在球形墊的球面上。

安裝時，需將填料箱內(nèi)密封件裝好后，輕微的扣上壓蓋，此時柱塞端面與球面輕微接觸、可相對滑動，然后緩慢地盤車2～3圈，使柱塞在往復(fù)運動過程中，根據(jù)填料箱內(nèi)填料和襯套的中心位置，柱塞端面與球面發(fā)生相對滑動和輕微的轉(zhuǎn)動，達到自動調(diào)心對中的效果，然后再擰緊壓蓋即可。

此種結(jié)構(gòu)的球形墊球面與柱塞端面的連接為非固定式連接，柱塞與填料箱的對中是靠填料箱內(nèi)的填料和襯套，使柱塞自動對中的，所以可允許柱塞的中心與接桿的中心在豎直和水平方向的平行偏移ΔH，如圖3所示。

壓蓋和柱塞之前留有單邊間隙1 mm，此為可偏移的最大值，MaxΔH=1mm。

在每次安裝或檢修時，必須先盤車2～3圈，讓柱塞模擬往復(fù)運動、在填料箱內(nèi)自動找正后才能擰緊壓蓋。如果不進行此項操作，而選擇直接擰緊壓蓋，將會導(dǎo)致柱塞在初試安裝時，存在附加徑向力，附加徑向力的大小由碟簧壓緊柱塞端面與球形面的摩擦力大小決定，最大約1 500 N。附加徑向力將會導(dǎo)致安裝后的運行初期，柱塞與襯套偏磨，發(fā)熱和磨損嚴(yán)重，后續(xù)自動緩解，緩慢自我對中。

球形墊和柱塞端面組成的類似球鉸結(jié)構(gòu)允許柱塞順應(yīng)填料箱的中心而與接桿中心產(chǎn)生角度擺動，如圖4所示。

環(huán)與柱塞連接槽為圓弧形，擋圈與環(huán)的連接處也為圓弧形，擋圈與壓蓋靠碟簧連接，有一定的柔性，所以該結(jié)構(gòu)允許柱塞靠填料箱中心定位而與接桿中心產(chǎn)生一定的角度擺動量Δα，角度擺動大小也由壓蓋和柱塞之前留有單邊間隙決定，在單邊間隙1 mm時，MaxΔα≈0.37°。

如果角度擺動是剛性連接引起的，柱塞在往復(fù)運動的過程中，是整體傾斜地前后運動，填料或襯套均無法補償在高速的往復(fù)運動過程中的運動間隙，而且會造成填料和襯套的過度偏磨、發(fā)熱，降低效率，縮短柱塞、導(dǎo)向套及填料的使用壽命。

如果是由于安裝時帶來了較大的角度擺動，必須先解決安裝問題。一般在機座缸孔處都有一定長度的定位止口，用于限制填料箱的位置，降低角度擺動值。本結(jié)構(gòu)允許的角度擺動僅能補償一部分由于安裝和加工誤差引起的角度擺動偏差，在往復(fù)運動過程中能夠自我補償，減少因為安裝和加工誤差產(chǎn)生的角度擺動影響。

此外，柱塞式往復(fù)泵在運行過程中容易產(chǎn)生水擊現(xiàn)象，再加上閥組的撞擊運動，造成泵的劇烈振動，柱塞卡子的緊固螺母容易發(fā)生退扣，造成卡子松動。而此種結(jié)構(gòu)也可有效解決這個問題。在擋圈和壓蓋間設(shè)置有蝶形彈簧，蝶形彈簧的力非常大，可達5 000 N～10 000 N。柱塞往前運動的過程中，主要是通過接桿推動球形墊，球形墊推動柱塞傳遞動力，螺紋連接處不受力巨大的柱塞力。只有柱塞往后運動時，螺紋處承受力，通過接桿將柱塞拽著往后運動，此時的力較小，主要是慣性力和摩擦力。在整個往前、往后的運動過程中，這個力一直加載在螺紋上，相當(dāng)于給螺紋施加了一個很大的防松力，即使在泵組整體劇烈振動的情況下，壓蓋與接桿的螺紋連接穩(wěn)定可靠。

3 調(diào)心結(jié)構(gòu)的柱塞密封實驗驗證

為了獲得更多的樣本數(shù)量，利用一臺5柱塞的往復(fù)泵，對自動調(diào)心結(jié)構(gòu)和普通卡子結(jié)構(gòu)進行了實際工況的對比實驗。在一定的泄露指標(biāo)下，分別實驗了1 200 h和1 000 h。具體的實驗參數(shù)見表1。

2種結(jié)構(gòu)的介質(zhì)分時段平均泄露量如圖5所示。

從實驗數(shù)據(jù)可以看出，調(diào)心結(jié)構(gòu)的泄露量明顯小于普通卡子結(jié)構(gòu)的泄漏量，調(diào)心結(jié)構(gòu)的密封效果優(yōu)于普通卡子結(jié)構(gòu)。初始時，調(diào)心結(jié)構(gòu)的平均泄漏量就小于普通卡子結(jié)構(gòu)，隨著時間的推移，普通卡子結(jié)構(gòu)的泄漏量逐漸呈指數(shù)形式的增加，1 000 h時有三組平均泄漏量達到了10 mL/min以上，最高達13.61 mL/min，其余兩組均達到了8 mL/min以上。超過10 mL/min以上視為密封失效，從而終止了普通卡子結(jié)構(gòu)的實驗。而調(diào)心結(jié)構(gòu)的泄漏量隨時間的變化為線性增加，1 000 h時平均泄漏量均在6 mL/min以下，1 200 h時最大平均泄漏量也才6.63 mL/min，密封效果的優(yōu)勢非常明顯。

實驗時，在壓蓋和接桿的螺紋連接處做了劃線標(biāo)記，以觀察螺紋是否松動而造成2個零件發(fā)生相對轉(zhuǎn)動。經(jīng)過1 200 h的連續(xù)實驗后，再次觀察發(fā)現(xiàn)劃線標(biāo)記依然正對著，無任何相對轉(zhuǎn)動，螺紋無任何松動現(xiàn)象，說明該結(jié)構(gòu)防松效果良好。

4 結(jié)語

對比分析普通的卡子連接形式的缺點以及調(diào)心結(jié)構(gòu)的調(diào)心原理和可補償?shù)亩ㄎ徽`差類型。調(diào)心結(jié)構(gòu)可有效補償多次定位轉(zhuǎn)換帶來的平行偏移和角度擺動誤差，在裝配和往復(fù)運動時，能夠自動與填料箱中心對中，改善柱塞與填料箱的同心度誤差。

實驗數(shù)據(jù)符合理論分析結(jié)果，調(diào)心結(jié)構(gòu)的柱塞連接形式由于存在一定的柔性，可使柱塞相對于填料箱浮動，能有效改善柱塞密封效果。實驗也證明該結(jié)構(gòu)防松效果良好，能適應(yīng)實際工況，相比于普通卡子結(jié)構(gòu)，有顯著的優(yōu)勢，能夠提高密封壽命，減小易損件的更換頻率。

參考文獻

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