通過(guò)試驗(yàn)方法研究往復(fù)柱塞泵盤(pán)根密封的壓縮量

摘 要：往復(fù)柱塞泵高壓液力端密封性能直接影響其工作效率和使用壽命。本文通過(guò)試驗(yàn)方式研究往復(fù)泵填料密封中盤(pán)根壓縮量與密封效果及使用壽命的關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果顯示，5%盤(pán)根壓縮量的填料密封每小時(shí)泄漏12mL，盤(pán)根與柱塞間平均摩擦力約為69.9N。這種盤(pán)根壓縮量既實(shí)現(xiàn)了良好的液力密封效果，又保持了較小的盤(pán)根損耗，可平衡密封效果與使用壽命。通過(guò)處理壽命試驗(yàn)中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到泄漏量和摩擦力隨時(shí)間變化的擬合函數(shù)關(guān)系。利用該結(jié)論可對(duì)往復(fù)泵設(shè)計(jì)和裝配進(jìn)行指導(dǎo)，并在往復(fù)泵試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)盤(pán)根密封泄漏量和盤(pán)根與柱塞之間的摩擦力進(jìn)行定量預(yù)估，以定量計(jì)算往復(fù)泵的容積效率損失情況。

關(guān)鍵詞：往復(fù)柱塞泵；盤(pán)根密封；壓縮量；摩擦力

中圖分類號(hào)：TH 136 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

往復(fù)柱塞泵液力端柱塞密封通常采用填料密封形式，但在高壓清洗系統(tǒng)中，介質(zhì)壓力高，介質(zhì)清潔度底，導(dǎo)致柱塞密封壽命受到影響[1]。因此，當(dāng)前國(guó)內(nèi)研究主要側(cè)重于通過(guò)仿真[2]和試驗(yàn)[3]手段進(jìn)行填料密封性能提升和磨損壽命預(yù)測(cè)。

本文選擇了試驗(yàn)方法研究填料密封的泄漏量和盤(pán)根與柱塞間的摩擦力，這2個(gè)參數(shù)直接關(guān)系到密封的性能和盤(pán)根的使用壽命。通過(guò)在試驗(yàn)系統(tǒng)中設(shè)置不同預(yù)緊力（即不同的盤(pán)根壓縮量）來(lái)深入了解不同盤(pán)根壓縮量對(duì)密封性能和密封使用壽命的實(shí)際影響。

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)記錄和分析后，本文評(píng)估了不同盤(pán)根壓縮量下填料密封的性能。結(jié)果顯示，當(dāng)盤(pán)根壓縮量在其總厚度的5%時(shí)，既能夠滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)系統(tǒng)密封性能的要求，又能夠最小程度地?fù)p耗盤(pán)根?；诖私Y(jié)論，本文可以對(duì)往復(fù)高壓柱塞泵填料密封的設(shè)計(jì)和裝配工藝提供指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)方案

在試驗(yàn)的第一階段，本研究專注于盤(pán)根的壓縮量對(duì)其密封性能和耐用性的影響。這一部分試驗(yàn)設(shè)計(jì)了4個(gè)不同的壓縮量等級(jí)，分別是盤(pán)根總厚度的0%、5%、10%和15%，以探究在不同壓縮程度下盤(pán)根的密封效果。試驗(yàn)在高壓環(huán)境中進(jìn)行，設(shè)定介質(zhì)壓力為80MPa并隨時(shí)補(bǔ)壓，以保持試驗(yàn)壓力恒定。在試驗(yàn)過(guò)程中，密切監(jiān)控密封函的泄漏情況，通過(guò)量杯測(cè)量高壓介質(zhì)的泄漏量。同時(shí)，利用布置在柱塞末端的力傳感器監(jiān)測(cè)盤(pán)根與柱塞間的摩擦力，以評(píng)估其工作狀態(tài)。試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)盤(pán)根的磨損程度進(jìn)行詳細(xì)觀察，以期找到一個(gè)既能保證往復(fù)柱塞泵高壓密封的泄漏量在可接受范圍內(nèi)，又能盡量減少盤(pán)根損耗的理想壓縮量。

在試驗(yàn)的第二階段，基于第一階段得出的理想壓縮量進(jìn)行盤(pán)根密封壽命的長(zhǎng)期測(cè)試。在給定試驗(yàn)條件下，持續(xù)進(jìn)行高壓盤(pán)根往復(fù)密封試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中持續(xù)監(jiān)測(cè)并記錄介質(zhì)泄漏量和盤(pán)根與柱塞之間的摩擦力變化。當(dāng)盤(pán)根的密封性能顯著下降且達(dá)到無(wú)法滿足密封要求時(shí)，試驗(yàn)終止。通過(guò)分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定將每小時(shí)泄漏量超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值時(shí)對(duì)應(yīng)的柱塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)總里程作為該壓縮量下盤(pán)根的預(yù)期使用壽命。

為了確保試驗(yàn)結(jié)果的實(shí)用性和可靠性，試驗(yàn)參數(shù)的設(shè)定參照了高壓清洗機(jī)供液?jiǎn)卧懈邏和鶑?fù)柱塞泵的實(shí)際工作參數(shù)，并結(jié)合高壓清洗作業(yè)中的實(shí)際工況。具體參數(shù)見(jiàn)表1，這些參數(shù)的設(shè)定旨在模擬設(shè)備實(shí)際工作環(huán)境，從而得出的試驗(yàn)結(jié)果可以直接應(yīng)用于實(shí)際設(shè)備的優(yōu)化和改進(jìn)，為往復(fù)柱塞泵的設(shè)計(jì)和維護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

2 試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

柱塞填料密封試驗(yàn)工裝如圖1所示。該工裝是一個(gè)模擬真實(shí)工況的測(cè)試裝置，用于研究柱塞與盤(pán)根之間的密封性能。該工裝的核心部件包括1號(hào)柱塞、2號(hào)調(diào)整墊片、3號(hào)盤(pán)根和4號(hào)填料函。在試驗(yàn)過(guò)程中，可通過(guò)在各組試驗(yàn)中安裝不同厚度的墊片，并擰緊填料函兩側(cè)的縮緊螺釘，精確地預(yù)緊填料密封中的盤(pán)根，從而調(diào)整盤(pán)根的壓縮量。試驗(yàn)中選取了4個(gè)不同的壓縮量等級(jí)，分別是盤(pán)根總厚度的0%、5%、10%和15%，以全面評(píng)估不同壓縮狀態(tài)下的密封效果。

試驗(yàn)過(guò)程中，將80MPa壓力下的高壓介質(zhì)（純水）從填料函的正中心處序號(hào)5補(bǔ)壓孔注入填料函，并實(shí)時(shí)補(bǔ)壓，以保持密封系統(tǒng)壓力恒定。由曲柄連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的柱塞按照預(yù)先設(shè)定的速度沿軸向進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)高壓介質(zhì)試圖從柱塞與盤(pán)根之間的微小縫隙中泄漏時(shí)，這些泄漏的介質(zhì)會(huì)從序號(hào)1柱塞與填料函端蓋之間的間隙流出，并被放置在填料函末端的量杯所捕獲，以便后續(xù)精確測(cè)量泄漏量。隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，盤(pán)根的磨損情況加劇，盤(pán)根與柱塞間的間隙也會(huì)增大，柱塞密封的泄漏量也會(huì)逐漸增大。

在試驗(yàn)系統(tǒng)中，力傳感器安置在柱塞末端。在柱塞勻速運(yùn)行過(guò)程中，這個(gè)傳感器測(cè)量的柱塞拉壓力與柱塞和盤(pán)根之間產(chǎn)生的摩擦力互相平衡，因此可以用該傳感器所測(cè)拉壓力來(lái)檢測(cè)測(cè)量柱塞與盤(pán)根間的摩擦力。通過(guò)監(jiān)測(cè)傳感器的讀數(shù)，可以實(shí)時(shí)獲取柱塞與盤(pán)根之間摩擦力，并通過(guò)這一數(shù)據(jù)衡量盤(pán)根磨損情況。隨著盤(pán)根磨損情況的加劇，柱塞與盤(pán)根間的摩擦力大小也逐步減小。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 盤(pán)根壓縮量試驗(yàn)

在盤(pán)根壓縮量試驗(yàn)中，分別采用前述各壓縮量進(jìn)行4組試驗(yàn)，80MPa下保壓試驗(yàn)1h。試驗(yàn)結(jié)束后分別記錄4組試驗(yàn)量杯中的介質(zhì)泄漏量。表2中記錄了試驗(yàn)1h后，不同壓縮量的4組試驗(yàn)下填料密封函介質(zhì)平均泄漏量。

試驗(yàn)結(jié)束后拆開(kāi)密封函工裝，分別取出每組填料函中的盤(pán)根并記錄其損壞情況。圖2記錄了采用不同的盤(pán)根壓縮量進(jìn)行試驗(yàn)后，拆開(kāi)填料函所觀察到的盤(pán)根狀態(tài)。

試驗(yàn)中力傳感器實(shí)時(shí)記錄的拉壓力與柱塞與盤(pán)根間的摩擦力為一對(duì)平衡力，因此可以利用力傳感器對(duì)柱塞與盤(pán)根質(zhì)檢的摩擦力大小和方向進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄。對(duì)記錄下來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，求出不同壓縮量下的每組試驗(yàn)中本小時(shí)內(nèi)柱塞盤(pán)根間的平均摩擦力。表3記錄了不同壓縮量的各組試驗(yàn)中盤(pán)根與柱塞之間的平均摩擦力大小。

通過(guò)表2、表3以及圖2可以得出不同壓縮量對(duì)高壓填料密封性能的影響。

當(dāng)壓縮量為0%時(shí)，即未對(duì)盤(pán)根施加任何預(yù)緊力，高壓介質(zhì)由于缺乏足夠的壓力將盤(pán)根緊密壓在柱塞表面，因此能夠直接穿過(guò)盤(pán)根間隙發(fā)生泄漏。此時(shí)，由于盤(pán)根與柱塞之間幾乎沒(méi)有摩擦力，因此在試驗(yàn)結(jié)束后，盤(pán)根的狀況基本保持不變，未出現(xiàn)任何磨損或損傷。

隨著壓縮量的逐漸增加至5%，泄漏量顯著下降。這表明適量的預(yù)緊力對(duì)于提高填料密封的效能至關(guān)重要。在這種情況下，盤(pán)根與柱塞之間的摩擦力保持在一個(gè)較低的水平，這不僅有利于減少盤(pán)根的磨損，而且還有助于延長(zhǎng)其使用壽命。此外，由圖2（b）可以清楚地看到，被試盤(pán)根內(nèi)圈沾染了一些可擦除的石墨。這些石墨作為固體潤(rùn)滑劑，有效地降低了摩擦系數(shù)，從而保護(hù)了盤(pán)根免受過(guò)度磨損。

當(dāng)壓縮量進(jìn)一步增至10%時(shí)，雖然泄漏量仍然保持在較低水平，但盤(pán)根與柱塞之間的摩擦力顯著增大。由圖2（c）可知，這種增加的摩擦力導(dǎo)致被試件在試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)拉毛失效。盡管這種失效并不意味整個(gè)密封系統(tǒng)的失效，但它確實(shí)表明在這種壓縮量下，盤(pán)根的壽命和可靠性會(huì)受到一定影響。

當(dāng)壓縮量達(dá)到15%時(shí)，填料密封的泄漏量幾乎降為零，顯示出極佳的密封效果。然而與此同時(shí)，盤(pán)根與柱塞之間的摩擦力也達(dá)到了非常高的水平。由圖2（c）可知，這種高摩擦力加速了盤(pán)根的磨損過(guò)程，導(dǎo)致盤(pán)根磨損破裂并失效。這表明雖該壓縮量能夠在短時(shí)間內(nèi)提供極佳的密封效果，但過(guò)大的摩擦力也會(huì)加粗盤(pán)根磨損，從而縮短其使用壽命。

綜上所述，為了確保高壓填料密封系統(tǒng)的高效運(yùn)行和盤(pán)根的耐久性，必須謹(jǐn)慎選擇合適的壓縮量。綜合考慮密封效果和盤(pán)根磨損情況后可見(jiàn)，5%的壓縮量是一個(gè)較理想的選擇。它不僅能夠在保證良好密封性的同時(shí)減少盤(pán)根的磨損程度，而且還有助于延長(zhǎng)其使用壽命。

3.2 盤(pán)根壽命試驗(yàn)

在盤(pán)根壽命試驗(yàn)中，采用盤(pán)根壓縮量試驗(yàn)中確定的5%壓縮量繼續(xù)進(jìn)行盤(pán)根壽命試驗(yàn)，試驗(yàn)系統(tǒng)在80MPa壓力下保壓持續(xù)運(yùn)行并持續(xù)獲得試驗(yàn)數(shù)據(jù)。為了在后續(xù)相關(guān)研究過(guò)程中對(duì)盤(pán)根密封泄漏量和盤(pán)根與柱塞之間的摩擦力進(jìn)行定量預(yù)估計(jì)算，將所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行函數(shù)擬合。

圖3中散點(diǎn)為所記錄的每小時(shí)填料密封泄漏量，曲線為使用冪函數(shù)制作泄漏量趨勢(shì)隨時(shí)間變化的擬合函數(shù)曲線。

根密封泄漏量隨時(shí)間變化的擬合函數(shù)方程如公式（1）所示。

y=8.9823x0.3657 （1）

式中：y為盤(pán)根密封泄漏量；x為時(shí)間。

圖4中散點(diǎn)表示試驗(yàn)中每小時(shí)記錄力傳感器數(shù)據(jù)，曲線為使用對(duì)數(shù)函數(shù)繪制盤(pán)根與柱塞間的摩擦力隨時(shí)間變化的擬合函數(shù)曲線。

盤(pán)根與柱塞間摩擦力隨時(shí)間變化的擬合函數(shù)方程如公式（2）所示。

y=-1.613ln（x）+65.854 （2）

式中：y為盤(pán)根與柱塞間的摩擦力；x為時(shí)間。

試驗(yàn)進(jìn)行到46h，觀察到盤(pán)根再無(wú)密封效果，隨即終止試驗(yàn)。取出盤(pán)根后發(fā)現(xiàn)盤(pán)根磨損破裂完全失效。在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，柱塞累計(jì)往復(fù)運(yùn)行總里程17.5km。試驗(yàn)結(jié)果表明，在該工況下，盤(pán)根往復(fù)密封的總壽命為17.5km。

本次試驗(yàn)旨在利用盤(pán)根壓縮量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合試驗(yàn)推導(dǎo)的理論模型及擬合函數(shù)得出填料密封的設(shè)計(jì)參數(shù)，進(jìn)而指導(dǎo)填料密封的設(shè)計(jì)，并通過(guò)制造試驗(yàn)樣機(jī)來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)的有效性。使用本文試驗(yàn)所得出的盤(pán)根壓縮量指導(dǎo)填料密封設(shè)計(jì)并制造往復(fù)柱塞泵試驗(yàn)樣機(jī)，樣機(jī)及其試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)如圖5所示。

試驗(yàn)樣機(jī)及試驗(yàn)系統(tǒng)搭建完成后，對(duì)包括泵壓力、流量等參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，在本臺(tái)樣機(jī)后續(xù)的試驗(yàn)過(guò)程中，將用本次試驗(yàn)得到的泄漏量及摩擦力擬合函數(shù)定量計(jì)算往復(fù)泵容積效率及總效率的損失情況。

本次試驗(yàn)通過(guò)盤(pán)根壓縮量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)指導(dǎo)了填料密封的設(shè)計(jì)。搭建了后續(xù)驗(yàn)證工作的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)往復(fù)泵的性能優(yōu)化和工程應(yīng)用具有重要意義。

4 結(jié)語(yǔ)

采用試驗(yàn)方法研究高壓清洗機(jī)中往復(fù)柱塞泵液力端柱塞填料密封最適合的盤(pán)根壓縮量和在最適合壓縮量下的盤(pán)根密封使用壽命，試驗(yàn)結(jié)果表明，盤(pán)根壓縮量在其總厚度的5%時(shí)，盤(pán)根可獲得密封效果與使用壽命的最佳平衡，當(dāng)使用5%壓縮量的盤(pán)根進(jìn)行實(shí)際工況下的密封壽命試驗(yàn)時(shí)，盤(pán)根往復(fù)密封的總壽命為17.5km，可利用該結(jié)論對(duì)往復(fù)泵填料密封的設(shè)計(jì)和裝配工藝進(jìn)行指導(dǎo)。

根據(jù)填料密封壽命試驗(yàn)中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別使用方差最小的擬合函數(shù)對(duì)盤(pán)根密封泄漏量和盤(pán)根與柱塞之間摩擦力隨時(shí)間變化的曲線進(jìn)行擬合，并給出擬合函數(shù)的方程?？衫帽敬卧囼?yàn)所獲得的擬合函數(shù)在后續(xù)往復(fù)柱塞泵填料密封研究過(guò)程中對(duì)盤(pán)根密封泄漏量和盤(pán)根與柱塞之間的摩擦力進(jìn)行定量預(yù)估計(jì)算。

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