譚平　符義紅　陳禮　郭偉　霍開(kāi)子

摘? 要：填料密封依靠填料的柔性，對(duì)柱塞與填料箱之間的腔室進(jìn)行填充、減小間隙來(lái)達(dá)到密封介質(zhì)的效果。由于填料的補(bǔ)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(diǎn)，該文該文涉及一種可以改善這些缺點(diǎn)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(bǔ)償?shù)亩ㄎ徽`差類型，然后通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證理論分析的正確性。最終實(shí)驗(yàn)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(dòng)調(diào)心;柱塞;往復(fù)泵;柱塞密封;同心度

中圖分類號(hào) ：TQ436.6? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

往復(fù)泵中柱塞密封為一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。如果密封不可靠，將會(huì)導(dǎo)致介質(zhì)的泄露，而這些介質(zhì)有時(shí)候是有毒、有腐蝕的，對(duì)人身會(huì)造成傷害或污染環(huán)境。密封不可靠也會(huì)導(dǎo)致頻繁更換易損件，增加檢修、維護(hù)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(shí)給填料環(huán)一定的軸向力，使填料沿徑向脹開(kāi)，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(lái)阻止流體泄露[2-3]。從微觀來(lái)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(wú)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(dá)到密封的效果[4]。由于填料密封適應(yīng)柱塞偏心運(yùn)動(dòng)的性能較差，因此要求填料材料能長(zhǎng)久地保持彈性以適應(yīng)柱塞微小的偏心運(yùn)動(dòng)，一般偏心值不應(yīng)大于0.2 mm[5]。

1 常見(jiàn)的柱塞連接結(jié)構(gòu)

通常來(lái)說(shuō)，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(dòng)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(duì)柱塞定位，然后通過(guò)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(jī)座孔和安裝接桿的十字頭滑道孔一同加工來(lái)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(shí)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(rùn)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(shí)，卡子將會(huì)對(duì)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(jī)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(guò)壓蓋的上的螺紋與接桿連接，然后壓住碟簧，通過(guò)碟簧壓住擋圈，擋圈又扣在環(huán)上來(lái)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(shí)，需將填料箱內(nèi)密封件裝好后，輕微的扣上壓蓋，此時(shí)柱塞端面與球面輕微接觸、可相對(duì)滑動(dòng)，然后緩慢地盤(pán)車2～3圈，使柱塞在往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)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(duì)滑動(dòng)和輕微的轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到自動(dòng)調(diào)心對(duì)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(duì)中是靠填料箱內(nèi)的填料和襯套，使柱塞自動(dòng)對(duì)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(shí)，必須先盤(pán)車2～3圈，讓柱塞模擬往復(fù)運(yùn)動(dòng)、在填料箱內(nèi)自動(dòng)找正后才能擰緊壓蓋。如果不進(jìn)行此項(xiàng)操作，而選擇直接擰緊壓蓋，將會(huì)導(dǎo)致柱塞在初試安裝時(shí)，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(huì)導(dǎo)致安裝后的運(yùn)行初期，柱塞與襯套偏磨，發(fā)熱和磨損嚴(yán)重，后續(xù)自動(dòng)緩解，緩慢自我對(duì)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(dòng)，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(dòng)量Δα，角度擺動(dòng)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(shí)，MaxΔα≈0.37°。

如果角度擺動(dòng)是剛性連接引起的，柱塞在往復(fù)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，是整體傾斜地前后運(yùn)動(dòng)，填料或襯套均無(wú)法補(bǔ)償在高速的往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)間隙，而且會(huì)造成填料和襯套的過(guò)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(shí)帶來(lái)了較大的角度擺動(dòng)，必須先解決安裝問(wèn)題。一般在機(jī)座缸孔處都有一定長(zhǎng)度的定位止口，用于限制填料箱的位置，降低角度擺動(dòng)值。本結(jié)構(gòu)允許的角度擺動(dòng)僅能補(bǔ)償一部分由于安裝和加工誤差引起的角度擺動(dòng)偏差，在往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中能夠自我補(bǔ)償，減少因?yàn)榘惭b和加工誤差產(chǎn)生的角度擺動(dòng)影響。

此外，柱塞式往復(fù)泵在運(yùn)行過(guò)程中容易產(chǎn)生水擊現(xiàn)象，再加上閥組的撞擊運(yùn)動(dòng)，造成泵的劇烈振動(dòng)，柱塞卡子的緊固螺母容易發(fā)生退扣，造成卡子松動(dòng)。而此種結(jié)構(gòu)也可有效解決這個(gè)問(wèn)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(dá)5 000 N～10 000 N。柱塞往前運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，主要是通過(guò)接桿推動(dòng)球形墊，球形墊推動(dòng)柱塞傳遞動(dòng)力，螺紋連接處不受力巨大的柱塞力。只有柱塞往后運(yùn)動(dòng)時(shí)，螺紋處承受力，通過(guò)接桿將柱塞拽著往后運(yùn)動(dòng)，此時(shí)的力較小，主要是慣性力和摩擦力。在整個(gè)往前、往后的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，這個(gè)力一直加載在螺紋上，相當(dāng)于給螺紋施加了一個(gè)很大的防松力，即使在泵組整體劇烈振動(dòng)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了獲得更多的樣本數(shù)量，利用一臺(tái)5柱塞的往復(fù)泵，對(duì)自動(dòng)調(diào)心結(jié)構(gòu)和普通卡子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了實(shí)際工況的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。在一定的泄露指標(biāo)下，分別實(shí)驗(yàn)了1 200 h和1 000 h。具體的實(shí)驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表1。

2種結(jié)構(gòu)的介質(zhì)分時(shí)段平均泄露量如圖5所示。

從實(shí)驗(yàn)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(shí)，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(shí)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(shí)有三組平均泄漏量達(dá)到了10 mL/min以上，最高達(dá)13.61 mL/min，其余兩組均達(dá)到了8 mL/min以上。超過(guò)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(shí)驗(yàn)。而調(diào)心結(jié)構(gòu)的泄漏量隨時(shí)間的變化為線性增加，1 000 h時(shí)平均泄漏量均在6 mL/min以下，1 200 h時(shí)最大平均泄漏量也才6.63 mL/min，密封效果的優(yōu)勢(shì)非常明顯。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，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(dòng)而造成2個(gè)零件發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。經(jīng)過(guò)1 200 h的連續(xù)實(shí)驗(yàn)后，再次觀察發(fā)現(xiàn)劃線標(biāo)記依然正對(duì)著，無(wú)任何相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，螺紋無(wú)任何松動(dòng)現(xiàn)象，說(shuō)明該結(jié)構(gòu)防松效果良好。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)比分析普通的卡子連接形式的缺點(diǎn)以及調(diào)心結(jié)構(gòu)的調(diào)心原理和可補(bǔ)償?shù)亩ㄎ徽`差類型。調(diào)心結(jié)構(gòu)可有效補(bǔ)償多次定位轉(zhuǎn)換帶來(lái)的平行偏移和角度擺動(dòng)誤差，在裝配和往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，能夠自動(dòng)與填料箱中心對(duì)中，改善柱塞與填料箱的同心度誤差。

實(shí)驗(yàn)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(duì)于填料箱浮動(dòng)，能有效改善柱塞密封效果。實(shí)驗(yàn)也證明該結(jié)構(gòu)防松效果良好，能適應(yīng)實(shí)際工況，相比于普通卡子結(jié)構(gòu)，有顯著的優(yōu)勢(shì)，能夠提高密封壽命，減小易損件的更換頻率。

參考文獻(xiàn)

[1]呂瑞典.化工設(shè)備密封技術(shù)[M].北京：石油工業(yè)出版社，2006：66-67.

[2]張向釗. 提高密封性能的新型密封填料[J].流體機(jī)械，1999，27（7）：30-37.

[3]Zhang Xiangzhao. The new sealing packing of improved sealing performance [J]. Fluid Machinery，1999，27（7）： 30-37.

[4]Diany M， Bouzid A. Analytical evaluation of stresses and displacements of stuffing-box packing based on a flexibility analysis[J].Tribology International， 2009， 42（6）： 980-986.

[5]彭旭東. 改善高壓柱塞泵的軟填料密封[J].石油化工設(shè)備技術(shù)，1998，19（2）：58-62.

[6]Peng Xudong. Improvement of soft packed seal for high pressure plunger pump[J].Petro Chemical Equipment Technology， 1998， 19（2）： 58-62.

[7]《往復(fù)泵設(shè)計(jì)》編寫(xiě)組.往復(fù)泵設(shè)計(jì) [M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1987：206 -207.