柱塞調心結構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構。從理論上分析這種結構的調心原理以及可補償的定位誤差類型，然后通過實驗進行驗證理論分析的正確性。最終實驗表明，該結構能夠有效提高柱塞與填料箱的同心度精度，改善密封效果。

關鍵詞：自動調心;柱塞;往復泵;柱塞密封;同心度

中圖分類號 ：TQ436.6? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

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

往復泵的柱塞密封一般采用填料密封的結構形式，中間加以柱塞襯套，起著支撐柱塞、節流的作用，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一定的軸向力，使填料沿徑向脹開，從而使填料環的內外兩側分別與柱塞、填料箱表面緊密貼合并產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，從而形成了無數微小的相當不規則的“迷宮”，造成流體的節流減壓，依靠這種“迷宮效應”達到密封的效果[4]。由于填料密封適應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柱塞微小的偏心運動，一般偏心值不應大于0.2 mm[5]。

1 常見的柱塞連接結構

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，實際的定位相當于轉了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，卡子將會對柱塞產生很大的作用力，導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 調心的柱塞連接結構

如圖2所示，調心結構主要是由接桿、球形墊、環、擋圈、碟簧、壓蓋和柱塞構成的。接桿和往復泵機座端的十字頭連接，球形墊安裝在接桿的凹槽內。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，使柱塞在往復運動過程中，根據填料箱內填料和襯套的中心位置，柱塞端面與球面發生相對滑動和輕微的轉動，達到自動調心對中的效果，然后再擰緊壓蓋即可。

此種結構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，讓柱塞模擬往復運動、在填料箱內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。附加徑向力將會導致安裝后的運行初期，柱塞與襯套偏磨，發熱和磨損嚴重，后續自動緩解，緩慢自我對中。

球形墊和柱塞端面組成的類似球鉸結構允許柱塞順應填料箱的中心而與接桿中心產生角度擺動，如圖4所示。

環與柱塞連接槽為圓弧形，擋圈與環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，所以該結構允許柱塞靠填料箱中心定位而與接桿中心產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、發熱，降低效率，縮短柱塞、導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。本結構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，在往復運動過程中能夠自我補償，減少因為安裝和加工誤差產生的角度擺動影響。

此外，柱塞式往復泵在運行過程中容易產生水擊現象，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生退扣，造成卡子松動。而此種結構也可有效解決這個問題。在擋圈和壓蓋間設置有蝶形彈簧，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定可靠。

3 調心結構的柱塞密封實驗驗證

為了獲得更多的樣本數量，利用一臺5柱塞的往復泵，對自動調心結構和普通卡子結構進行了實際工況的對比實驗。在一定的泄露指標下，分別實驗了1 200 h和1 000 h。具體的實驗參數見表1。

2種結構的介質分時段平均泄露量如圖5所示。

從實驗數據可以看出，調心結構的泄露量明顯小于普通卡子結構的泄漏量，調心結構的密封效果優于普通卡子結構。初始時，調心結構的平均泄漏量就小于普通卡子結構，隨著時間的推移，普通卡子結構的泄漏量逐漸呈指數形式的增加，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構的實驗。而調心結構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記，以觀察螺紋是否松動而造成2個零件發生相對轉動。經過1 200 h的連續實驗后，再次觀察發現劃線標記依然正對著，無任何相對轉動，螺紋無任何松動現象，說明該結構防松效果良好。

4 結語

對比分析普通的卡子連接形式的缺點以及調心結構的調心原理和可補償的定位誤差類型。調心結構可有效補償多次定位轉換帶來的平行偏移和角度擺動誤差，在裝配和往復運動時，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。

實驗數據符合理論分析結果，調心結構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。實驗也證明該結構防松效果良好，能適應實際工況，相比于普通卡子結構，有顯著的優勢，能夠提高密封壽命，減小易損件的更換頻率。

參考文獻

[1]呂瑞典.化工設備密封技術[M].北京：石油工業出版社，2006：66-67.

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[7]《往復泵設計》編寫組.往復泵設計 [M]. 北京：機械工業出版社，1987：206 -207.