往復泵活塞導向環的設計探討

孫政剛

摘 要：往復泵結構中，活塞作為其關鍵部件，其使用壽命與密封性對于往復泵連續運轉率及容積效率具有直接影響?；诖耍疚囊酝鶑捅霉ぷ髟砑盎钊茐臋C理切入，通過分析導向環結構、材料選擇、寬度設計的方式，研究往復泵活塞導向環優化設計措施，以期為相關工作者提供有益借鑒，從而提高往復泵工作效率，減少工作成本。

關鍵詞：往復泵;活塞導向環;設計

前言：

活塞導向環作為往復泵中的重要部分，經過反復工作運行，其通常會產生磨損問題，進而對其導向作用造成影響。若是導向環內徑小于活塞固定導向環環槽內徑，當活塞裝入導向環后，會產生拉縫，在較高的工作壓力下，液流壓力會經過導向環拉縫對密封圈沖擊，導致其失去密封作用，影響密封圈壽命。所以，應當優化活塞導向環設計，以提高往復泵工作效率。

一、工作原理

（1）往復泵工作原理

往復泵廣泛應用于磨蝕性、腐蝕性固液介質運輸之中，涉及電力、煤炭、化工等行業，可輸送高溫氧化鋁礦漿、城市污水、尾礦礦漿等工業漿料，其具有耐腐蝕性、耐高溫、密封性、維修便捷、節能環保、高效等優點[1]。往復泵是由連桿、曲軸、活塞、十字頭等部件構成，工作原理是以電機驅動曲軸旋轉，利用曲柄滑塊機構讓旋轉運動向直線運動轉變，進而帶動活塞驅動完成凸凹運動，隔膜腔內容積則產生周期性變化，以輸送漿料?；钊麑颦h則是周期性運動中確?；钊本€運動的部件，保證充分發揮橡膠密封件效果。

（2）活塞導向環破壞機理

活塞導向環壽命影響因素主要分為外部與內部兩種，外部是輸送介質溫度、性質、泵工作壓力及沖次，內部則是導向環結構與材料等[2]。而往復泵由于其應用特點，輸送介質通常為高溫原油、污水、海水、酸類、鉆井泥漿等年度變化大，磨粒磨損嚴重、腐蝕性較強介質，中高壓范圍約7-30MPa。現階段往復泵活塞導向環結構通常選用聚氨酯橡膠，耐磨性強，機械強度高，但耐熱性較差，泵注介質摩擦與溫度副作用形成的熱量超過材料允許溫度，導致其易發生;老化、氧化情況，進而影響整體往復泵工作效率。

二、往復泵活塞導向環設計分析

1.結構

活塞在十字頭、曲軸及連桿作用下完成直線往復運動，活塞和十字頭之間通過介桿與活塞桿連接，十字頭加以支撐定位[3]。在活塞左右兩側均為液壓油介質，而導向環則處于活塞中間部位，左右兩側設置V組加以密封（見圖1、2）。

2.材料選擇

隨著化工行業不斷發展，近幾年來非金屬導向環由于其具有補償能力及高耐磨性優點在往復泵中得到廣泛應用。常用導向環材料主要有聚甲醛（POM）、尼龍（PA）、酚醛夾布、聚四氟乙烯（PTFE）等。

POM沖擊輕度良好，且剛度較高，具有蠕變性、耐疲勞性與耐堿性強的優點，但阻燃性與耐酸性不夠理想;PA則也能夠良好耐磨耗性及耐磨耗性，在無潤滑油情況下，其摩擦因數是0.1-0.3，但具有尺寸不穩定、吸水率差及抗蠕性差缺點;酚醛夾布力學強度良好，擁有電絕緣性、耐化學腐蝕形及穩定尺寸特點;PTFE則存在良好化學性能，摩擦系數較低，但是抗蠕性較差，為了將其抗蠕性與耐磨性提高，則需要再其中加入金屬粉末、纖維、石墨或二硫化鉬等改性，PTFE改性后可將耐磨性提高1500倍左右。

而本次設計中，依據往復泵結構特點，活塞運動時往復速度通常小于1m/s，周圍的油液溫度約在40-60℃左右。所以，初步選擇以PTFE為導向環材料。

3.寬度計算

無論是設計開口型導向環還是整體型導向環，均涉及徑向厚度、軸向寬度、外徑等參數。軸向寬度則是確保導向環可發揮導向定位作用，承載相應荷載，提高導向環壽命的重要參數，應當保證設計計算正確性。

（1）軸向寬度

導向環軸向寬度是依據導向環材料許用比壓縮確定，設計計算公式如下：

其中，B代表導向環軸向寬度，單位為m;b則是承壓表面投影寬度，單位m，通常選擇導向環外徑底部投影;[k]是導向環表面許用比壓，單位NPa;G是導向環承受荷載，為1/2活塞桿重量與活塞重量和。

通過上述公式可知，計算導向環軸向寬度時，是根據活塞桿機活塞組件重量承載荷載計算，但以實際而言，導向環所受載荷不僅為活塞組件重量，還有側壓力，活塞環是非金屬材料制造，為保證密封性，軸向厚度較小，只能承擔密封作用，以導向環承擔側壓力。所以，在計算導向環軸向寬度中，應當對側壓力影響加以考慮，設計公式如下：

其中Nmax則為最大側壓力，單位106 N，根據下式計算：

Nmax=λPmax

其中Pmax是最大活塞力，單位106 N，通過熱力計算可得;λ則為徑長比。明顯，λ越小，則Nmax和B也會隨之變小，有助于減少活塞軸向尺寸，且活塞對氣缸壁壓力也減小，摩擦力減小，延長導向環使用壽命。因此，為了將導向環使用壽命提高，保證往復泵結構緊湊，則λ取最小值為1/3-1/7。

（2）許用比壓取值

導向環承壓表面中許用比壓取值，即[k]取值公式如下：

[k]=σ/n

其中，σ是導向環抗壓極限，單位MPa;n則代表安全系數。

在使用PTFE作為導向環材料時，安全系數則在5-6左右，[k]應當在0.03MPa范圍中。當多級壓縮時，根據此公式進行軸向寬度計算，則高壓級增大最大活塞力，側壓力也隨之增大，軸向寬度增加，易導致導向環過長，增加活塞長度與機器尺寸，不利于活塞裝配與加工，影響往復泵美觀性。因此，在計算過程中，受到往復泵與活塞尺寸結構限制，[k]值則通常超過0.03MPa范圍，以減小導向環寬度而言，[k]取值可在0.06-0.10MPa范圍中。

以580-9泵型導向環為例，計算參數可知活塞直徑為440mm，活塞桿直徑是210mm，介桿重量與活塞重量和是409.35kg，相對于十字頭中心活塞中心撓度是0.4mm，通過重力計算可得4093.5N，偏轉側向力為11829N。依據資料顯示，PTFE在80℃下容許受壓是7.5MPa，可獲得實際導向環寬度是19mm。

4.減小寬度措施

導向環寬度減小，可有效縮短活塞芯長度，零件采購與制造費用也隨之減小，將活塞生產成本降低。依據寬度計算公式，主要可利用這幾種方式控制寬度：（1）設置減重口優化選材等方式減重設計活塞零件，減小側向力;（2）提高加工零件精度及安裝部件精度，控制活塞十字頭偏心在最小范圍之中。

總結：總之，活塞導向環作為往復泵中重要組件，其質量對于往復泵工作效率具有重要影響。因此，本文主要結合往復泵工作原理及活塞導向環破損機理分析，從結構、材料、寬度這幾方面出發，獲得導向環寬度計算方式，由此可知：導向環軸向寬度與徑長比相關，通過提高制造與裝配精度，優化選材與零件結構，可有效將導向環承受側向載荷減少，進而減少寬度，延長活塞使用壽命。

參考文獻：

[1]王志旺.往復泵機械系統動力學仿真研究[J].有色設備，2019（01）：36-38.

[2]許小平，任聰，張孟.延長高壓臥式柱塞泵的運行周期[J].化工管理，2017（35）：28.