往復泵活塞導向環的設計

付　鵬

（中國有色（沈陽）泵業有限公司，遼寧 沈陽 110144）

往復泵活塞導向環的設計

付鵬

（中國有色（沈陽）泵業有限公司，遼寧 沈陽 110144）

活塞是往復泵的關鍵部件之一，其密封性能與使用壽命直接影響隔往復泵的容積效率與連續運轉率。為了保證活塞在缸套中運動的平穩性，導向環成為活塞裝配體的必不可少的零件。導向環的設計需要考慮材料、往復泵結構等多個因素，本文根據往復泵的結構特點，結合活塞的實際工況，提出了導向環的設計的方法，并以某型號往復泵的具體參數為例，完成了導向環的設計計算。

活塞；導向環；往復泵

往復泵一般由曲軸、連桿、十字頭及活塞等主要部件組成，其工作的基本原理相當于曲柄滑塊機構。在主電機的驅動下，曲軸進行旋轉運動，通過連桿帶動十字頭及活塞做往復運動，進而實現泵閥的開啟、關閉，完成輸送介質的吸、排過程。當活塞發生泄露時，活塞兩側介質就會互相串動，引起相關油品的損耗，影響往復泵的工作效率。在往復泵活塞設計過程中，除了設計選擇合理的密封件與缸套外，導向環的設計也是影響活塞密封性能與使用壽命的重要環節。

活塞導向環在活塞往復運動中起到了保證活塞運動直線度、保護橡膠密封件的作用。一方面，導向環吸收了作用于缸套的側向力，確保了活塞的運動精度；另一方面，它還防止了活塞與缸套之間的接觸摩擦磨損。

以往復泵的結構為計算基礎，根據活塞運行的工況，結合導向環設計的基本要求，本文展開了對往復泵活塞導向環設計的探索與研究，形成了完整的計算步驟，并以某型號往復泵為例，完成了其導向環的設計計算。

1.導向環的設計

1.1結構分析

如圖1、圖2所示，活塞在曲軸、連桿與十字頭的帶動下進行直線往復運動，活塞與十字頭之間利用活塞桿、介桿進行連接，十字頭處進行了支撐定位。活塞左側介質與右側介質均為液壓油，導向環在活塞中間位置，其左、右兩側均設置了V組密封。

1.2材料選擇

隨著化學工業的發展，非金屬導向環以其超強的耐磨性和補償能力等優點在近些年來得到了廣泛的應用。目前，常用的導向環材料包括尼龍（PA）、聚甲醛（POM）、聚四氟乙烯（PTFE）、酚醛夾布等。尼龍具有優良的耐摩擦性能和耐磨耗性能，無油潤滑的摩擦因數通常為0.1～0.3，缺點是吸水率大、尺寸穩定性差以及抗蠕變性能較差；聚甲醛具有很高的剛度和良好的沖擊輕度，可以耐強堿，耐疲勞性能、蠕變性能好，缺點是耐酸性和阻燃性不理想；聚四氟乙烯具有優良的化學穩定性，極低的摩擦系數，缺點是抗蠕變性能差，為了提高其抗蠕變性能和耐磨性能，必須添加纖維、金屬粉末、二硫化鉬或石墨等進行改性，改性后的聚四氟乙烯耐磨性可提高1000～2000倍；酚醛夾布具有良好的力學強度，在耐化學腐蝕性、電絕緣性、尺寸穩定性方面也很好。

根據往復泵結構設計的特點，其活塞運動的往復速度一般在1m/s以下，活塞周圍油液溫度大約在40℃～60℃，此外，根據報廢活塞密封圈的損壞樣式，活塞運行工況應不屬于大側向力與重載核工況，因此，初步選擇導向環的材料為聚四氟乙烯加銅粉。

1.3寬度計算

導向環寬度與最大側向力、活塞直徑與導向環材料的承載能力有關，其計算公式如下：

式中：

T—導向環寬度（mm）；

F—最大側向力（N）；

S—安全系數：一般取4；

D—活塞直徑（mm）；

σ—導向環的容許受壓（MPa）。

由圖1可以看出，活塞的支撐點在十字頭處，所以活塞最大側向力由兩部分組成：重力；活塞軸線相對于十字頭支撐處的偏角引起的側向力。

（1）重力

導向環承受的重力包括活塞重力、活塞桿與介桿的重力，考慮到十字頭處也承擔了一部分介桿、活塞桿重力的1/2施加于導向環上。

（2）偏轉側向力

可將活塞、活塞桿、介桿及十字頭系統簡化為懸臂梁模型，十字頭端面為固定端，活塞中心即為懸臂的端點，通過試驗測定偏轉撓度或角度，即可計算該偏轉引起的側向力大小。

表1　常用導向環材料對比表

式中：

F2-最大側向力；

fA-活塞中心相對于十字頭中心的撓度；

E-彈性模量；

I-截面的軸慣性矩；

l-十字頭端面與活塞中心的距離。

1.4580-9泵型的導向環計算

580-9泵型參數如下：

活塞直徑D=440mm

活塞桿直徑d=210mm

活塞與活塞桿、介桿重量之和為

W=409.35kg

活塞中心相對于十字頭中心的撓度為

fA=0.4mm

重力計算：

F1=W×g=4093.5N

偏轉側向力：

F2=3EIfA/l3=3E×0.0491×d4× fA/l3=11829N

最大側向力：

F=F1+F2=15872.5N

根據相關資料顯示，80℃以下的聚四氟乙烯加銅粉材料的容許受壓σ為7.5MPa。

導程環寬度：

T=（F×S）/（D×σ）=19mm

1.5減小導向環寬度的措施

通過減小導向環寬度，可以縮短活塞芯的長度，減少各零件的采購或者制造費用，進而降低活塞的生產成本。根據導程環寬度的計算公式，可以通過以下方式，對其寬度予以控制：

（1）通過設置減重孔、優化選材等方式對活塞零件進行減重設計，以減小側向力。

（2）提高零件的加工精度與部件的安裝精度，將活塞相對十字頭的偏心控制在最小范圍內。

結論

本文在分析往復泵活塞工況與結構的基礎上，結合導向環材料現狀，提出了往復泵活塞導向環的選材建議。此外，根據活塞、十字頭、曲軸系統的運動機理，得出了導向環寬度的計算方法，由分析計算可以看出：往復泵活塞導向環寬度的主要影響因素在于活塞相對于十字頭的偏心距離、活塞桿直徑、活塞直徑以及活塞與十字頭之間的距離，通過提高裝配精度與制造精度，優化活塞零件的結構及選材能夠減少導向環所承受的側向載荷，減小其寬度。

［1］張紹九，等.液壓密封［M］.北京：化學工業出版社，2012.

［2］成大先.機械設計手冊［M］.北京：化學工業出版社，2006.

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