延长高压柱塞水泵陶瓷柱塞缸的使用寿命

胡 钢，王 程，裴令明，雷 杰，简彦成

(1-4.马鞍山钢铁股份有限公司一钢轧总厂;5.马钢华阳设备诊断公司 安徽马鞍山 243002)

高压水除鳞是提高热轧带钢表面质量的关键措施之一[1]，高压柱塞水泵是生产高压水的核心设备，作为高压柱塞水泵的核心部件之一，陶瓷柱塞缸的使用寿命和工作稳定性显得尤为重要。马钢股份一钢轧CSP热轧薄板生产线从2003年投产开始使用高压水除鳞系统，使用过程中，发现高压柱塞水泵陶瓷柱塞缸的使用寿命较短，在生产的过程中有时会断裂，导致除鳞压力降低和维护费用较大。现围绕提高陶瓷柱塞缸的使用寿命，优化修复工艺和工具，谈一谈自己的一些观点和方法。

1 陶瓷柱塞缸介绍

1.1 构造简介

如图1所示，陶瓷柱塞缸的主要零件有：缸体法兰(7)、缸体(8)、M16内六角螺栓(9)、中间盘(18)、底环(10,20)、冷却环(12)、铜套(13)、陶瓷柱塞(11)、不锈钢圆柱压缩弹簧(14)、密封室(17)、盘根(15)、支撑垫(16)、压紧螺母(19)。陶瓷柱塞工作时做直线往复运动。

1.2 存在问题

每台高压柱塞水泵含有3只陶瓷柱塞缸，陶瓷柱塞可以获得镜面的表面粗糙度，硬度极高[2]，与高压盘根配合在一起，能获得非常好的密封性能。但是，陶瓷柱塞虽然硬度极高，也比较脆。在生产的过程中，陶瓷柱塞缸的陶瓷柱塞有时会发生断裂，三柱塞高压水泵缺缸运行，除鳞水压瞬间降低，导致一次压氧的发生，同时导致高压管道剧烈抖动。

表1 柱塞缸主要零件尺寸表

图1 陶瓷柱塞缸剖面图

1.3 问题分析

如图1所示，左侧的底环(20)位于缸体法兰(7)内，右侧的底环(10)同时位于缸体(8)和中间盘(18)内，中间盘和冷却环(12)位于缸体法兰内，缸体与缸体法兰没有定位销或定位台阶。如表1所示，陶瓷柱塞(11)与底环、铜套(13)、冷却环之间的配合间隙较小。左侧底环与缸体法兰的最大同轴度误差为φ0.1 mm；中间盘与缸体法兰的最大同轴度误差为φ0.11 mm；右侧底环与中间盘最大同轴度误差为φ0.1 mm；

(1)分析缸体法兰与缸体不同轴的情况，如图3，在现场修复陶瓷柱塞缸，缸体法兰和缸体通过10只M16螺栓固定后，将它们翻转，使缸体朝上缸体法兰向下，便于底环(10)装入中间盘。如果缸体法兰轴线相对于缸体轴线向左错位0.11 mm，为了使底环(10)从缸体上部装入中间盘，将中间盘轴线相对于缸体法兰轴线右移0.05 mm；为了使底环(10)与缸体法兰同轴，虽然底环与缸体的间隙为0.1mm，在装配时单侧必须有0.01 mm间隙，所以底环(10)从缸体上方装入时其轴线相对于缸体轴线最多只能向左偏移0.04 mm，底环(10)可以装入中间盘的台阶孔中。如图2所示，然后再次将它们翻转使缸体法兰朝上，将冷却环装入缸体法兰，使其轴线相对于缸体法兰向左移动0.04 mm；底环(20)为了和底环(10)同轴，在装入缸体法兰时相对于缸体法兰轴线同样向左移0.04 mm，得出底环(20)与底环(10)轴线错位量为0.03。柱塞与底环的间隙为0.05 mm-0.07 mm，柱塞在2只底环内往复运动时与底环的最小单面间隙为0.01 mm[3]，0.03+0.01*2=0.05 mm，刚好满足柱塞与底环最小配合间隙0.05 mm。所以，陶瓷柱塞缸正常运行的条件是缸体法兰与缸体的轴线偏差应≤0.11 mm。当然，缸体法兰与缸体的同轴度偏差越小，陶瓷柱塞缸的使用寿命越长。

(2)分析中间盘与缸体法兰不同轴的情况，如图3，如果缸体法兰轴线相对于缸体轴线向左偏移0.005 mm，中间盘相对于缸体法兰也向左偏移0.055 mm，中间盘与缸体轴线错位量为0.06 mm，底环(10)相对于缸体法兰只需向左偏移0.02 mm，底环(10)轴线与中间盘轴线错位量为0.04 mm，底环(10)能够进入中间盘，底环(10)与底环(20)轴线错位量为0.015 mm。柱塞在2只底环内能够往复运动的条件是，底环(20)与底环(10)轴线错位量应≤0.03 mm，所以，底环(10)与底环(20)轴线错位量为0.015 mm，肯定不影响柱塞在2只底环内往复运动。当然，中间盘轴线与缸体法兰轴线发生偏移达到最大值(0.055 mm)，这种机率几乎没有。

(3)冷却环(12)和铜套(13)的外径和内径尺寸与底环完全相同，与陶瓷柱塞的同轴度情况在这里不赘述。

所以，中间盘轴线相对于缸体法兰轴线发生偏移对陶瓷柱塞缸的使用寿命几乎没有影响。而缸体法兰相对于缸体轴线偏移量应该≤0.11 mm，陶瓷柱塞缸上机才能正常运转，当然，缸体法兰相对于缸体轴线偏移量越小，陶瓷柱塞缸的使用寿命越长。

图2图3中，7-缸体法兰、8-缸体、9-M16内六角螺栓、10,20-底环、12-冷却环、13-铜套、18-中间盘

图2 柱塞缸剖面图

图3 柱塞缸倒置剖面图

2 解决方案

通过前面的分析得出，缸体法兰相对于缸体轴线偏移量的大小决定了陶瓷柱塞缸的使用寿命。所以必须要保证缸体法兰和缸体的同轴度。在现场修复陶瓷柱塞缸时，需要有一套保证缸体法兰和缸体同轴的工具。

2.1 缸体和缸体法兰的同轴定位

设计定位环和支架，如图4所示，定位环(1)的内径比缸体外径大1 mm，环的圆周上加工一个宽度为5 mm的缝隙，定位环有较高的形状和位置精度，用氩弧焊焊接2只有螺栓孔的夹紧块(2)。

图4 定位环和支架

定位步骤：将中间盘和“O”型密封圈置入缸体法兰的凹槽中，将缸体法兰与缸体连接，拧入10只M16螺栓(9)，用手拧紧即可，如图5所示。将支架(6)套在缸体上，然后将定位环套入缸体法兰并搁置在支架上，此时，缸体法兰和缸体的结合面正好位于定位环“Z”轴方向的中间位置，使定位更加准确。然后用扳手拧紧定位环上的M10螺栓(3)，定位环限制了缸体法兰和缸体的在“X”和“Y” 轴上的四个自由度[4]，然后用扭力扳手对角拧紧10只M16螺栓(9)，此时，缸体法兰和缸体的同轴度≤φ0.01 mm。

3 结束语

在现场修复陶瓷柱塞缸时，使用定位环和支架对缸体法兰、缸体实施同轴定位，保证它们具有较高的同轴精度，确保了陶瓷柱塞缸缸体和缸体法兰 内的的2只底环、冷却环、铜套的同轴精度，最终大幅延长陶瓷柱塞缸的使用寿命。在使用定位工具之前，陶瓷柱塞缸的平均使用寿命为18个月；使用定位工具之后，陶瓷柱塞缸的平均使用寿命为54个月，使陶瓷柱塞缸的维护费用大幅降低，平均每年节约备件费150.5万元。

图5 缸体法兰和缸体同轴定位剖面图