往复泵活塞导向环的设计探讨

孙政刚

摘 要：往复泵结构中，活塞作为其关键部件，其使用寿命与密封性对于往复泵连续运转率及容积效率具有直接影响。基于此，本文以往复泵工作原理及活塞破坏机理切入，通过分析导向环结构、材料选择、宽度设计的方式，研究往复泵活塞导向环优化设计措施，以期为相关工作者提供有益借鉴，从而提高往复泵工作效率，减少工作成本。

关键词：往复泵;活塞导向环;设计

前言：

活塞导向环作为往复泵中的重要部分，经过反复工作运行，其通常会产生磨损问题，进而对其导向作用造成影响。若是导向环内径小于活塞固定导向环环槽内径，当活塞装入导向环后，会产生拉缝，在较高的工作压力下，液流压力会经过导向环拉缝对密封圈冲击，导致其失去密封作用，影响密封圈寿命。所以，应当优化活塞导向环设计，以提高往复泵工作效率。

一、工作原理

（1）往复泵工作原理

往复泵广泛应用于磨蚀性、腐蚀性固液介质运输之中，涉及电力、煤炭、化工等行业，可输送高温氧化铝矿浆、城市污水、尾矿矿浆等工业浆料，其具有耐腐蚀性、耐高温、密封性、维修便捷、节能环保、高效等优点[1]。往复泵是由连杆、曲轴、活塞、十字头等部件构成，工作原理是以电机驱动曲轴旋转，利用曲柄滑块机构让旋转运动向直线运动转变，进而带动活塞驱动完成凸凹运动，隔膜腔内容积则产生周期性变化，以输送浆料。活塞导向环则是周期性运动中确保活塞直线运动的部件，保证充分发挥橡胶密封件效果。

（2）活塞导向环破坏机理

活塞导向环寿命影响因素主要分为外部与内部两种，外部是输送介质温度、性质、泵工作压力及冲次，内部则是导向环结构与材料等[2]。而往复泵由于其应用特点，输送介质通常为高温原油、污水、海水、酸类、钻井泥浆等年度变化大，磨粒磨损严重、腐蚀性较强介质，中高压范围约7-30MPa。现阶段往复泵活塞导向环结构通常选用聚氨酯橡胶，耐磨性强，机械强度高，但耐热性较差，泵注介质摩擦与温度副作用形成的热量超过材料允许温度，导致其易发生;老化、氧化情况，进而影响整体往复泵工作效率。

二、往复泵活塞导向环设计分析

1.结构

活塞在十字头、曲轴及连杆作用下完成直线往复运动，活塞和十字头之间通过介杆与活塞杆连接，十字头加以支撑定位[3]。在活塞左右两侧均为液压油介质，而导向环则处于活塞中间部位，左右两侧设置V组加以密封（见图1、2）。

2.材料选择

随着化工行业不断发展，近几年来非金属导向环由于其具有补偿能力及高耐磨性优点在往复泵中得到广泛应用。常用导向环材料主要有聚甲醛（POM）、尼龙（PA）、酚醛夹布、聚四氟乙烯（PTFE）等。

POM冲击轻度良好，且刚度较高，具有蠕变性、耐疲劳性与耐碱性强的优点，但阻燃性与耐酸性不够理想;PA则也能够良好耐磨耗性及耐磨耗性，在无润滑油情况下，其摩擦因数是0.1-0.3，但具有尺寸不稳定、吸水率差及抗蠕性差缺点;酚醛夹布力学强度良好，拥有电绝缘性、耐化学腐蚀形及稳定尺寸特点;PTFE则存在良好化学性能，摩擦系数较低，但是抗蠕性较差，为了将其抗蠕性与耐磨性提高，则需要再其中加入金属粉末、纤维、石墨或二硫化钼等改性，PTFE改性后可将耐磨性提高1500倍左右。

而本次设计中，依据往复泵结构特点，活塞运动时往复速度通常小于1m/s，周围的油液温度约在40-60℃左右。所以，初步选择以PTFE为导向环材料。

3.宽度计算

无论是设计开口型导向环还是整体型导向环，均涉及径向厚度、轴向宽度、外径等参数。轴向宽度则是确保导向环可发挥导向定位作用，承载相应荷载，提高导向环寿命的重要参数，应当保证设计计算正确性。

（1）轴向宽度

导向环轴向宽度是依据导向环材料许用比压缩确定，设计计算公式如下：

其中，B代表导向环轴向宽度，单位为m;b则是承压表面投影宽度，单位m，通常选择导向环外径底部投影;[k]是导向环表面许用比压，单位NPa;G是导向环承受荷载，为1/2活塞杆重量与活塞重量和。

通过上述公式可知，计算导向环轴向宽度时，是根据活塞杆机活塞组件重量承载荷载计算，但以实际而言，导向环所受载荷不仅为活塞组件重量，还有侧压力，活塞环是非金属材料制造，为保证密封性，轴向厚度较小，只能承担密封作用，以导向环承担侧压力。所以，在计算导向环轴向宽度中，应当对侧压力影响加以考虑，设计公式如下：

其中Nmax则为最大侧压力，单位106 N，根据下式计算：

Nmax=λPmax

其中Pmax是最大活塞力，单位106 N，通过热力计算可得;λ则为径长比。明显，λ越小，则Nmax和B也会随之变小，有助于减少活塞轴向尺寸，且活塞对气缸壁压力也减小，摩擦力减小，延长导向环使用寿命。因此，为了将导向环使用寿命提高，保证往复泵结构紧凑，则λ取最小值为1/3-1/7。

（2）许用比压取值

导向环承压表面中许用比压取值，即[k]取值公式如下：

[k]=σ/n

其中，σ是导向环抗压极限，单位MPa;n则代表安全系数。

在使用PTFE作为导向环材料时，安全系数则在5-6左右，[k]应当在0.03MPa范围中。当多级压缩时，根据此公式进行轴向宽度计算，则高压级增大最大活塞力，侧压力也随之增大，轴向宽度增加，易导致导向环过长，增加活塞长度与机器尺寸，不利于活塞装配与加工，影响往复泵美观性。因此，在计算过程中，受到往复泵与活塞尺寸结构限制，[k]值则通常超过0.03MPa范围，以减小导向环宽度而言，[k]取值可在0.06-0.10MPa范围中。

以580-9泵型导向环为例，计算参数可知活塞直径为440mm，活塞杆直径是210mm，介杆重量与活塞重量和是409.35kg，相对于十字头中心活塞中心挠度是0.4mm，通过重力计算可得4093.5N，偏转侧向力为11829N。依据资料显示，PTFE在80℃下容许受压是7.5MPa，可获得实际导向环宽度是19mm。

4.减小宽度措施

导向环宽度减小，可有效缩短活塞芯长度，零件采购与制造费用也随之减小，将活塞生产成本降低。依据宽度计算公式，主要可利用这几种方式控制宽度：（1）设置减重口优化选材等方式减重设计活塞零件，减小侧向力;（2）提高加工零件精度及安装部件精度，控制活塞十字头偏心在最小范围之中。

总结：总之，活塞导向环作为往复泵中重要组件，其质量对于往复泵工作效率具有重要影响。因此，本文主要结合往复泵工作原理及活塞导向环破损机理分析，从结构、材料、宽度这几方面出发，获得导向环宽度计算方式，由此可知：导向环轴向宽度与径长比相关，通过提高制造与装配精度，优化选材与零件结构，可有效将导向环承受侧向载荷减少，进而减少宽度，延长活塞使用寿命。

參考文献：

[1]王志旺.往复泵机械系统动力学仿真研究[J].有色设备，2019（01）：36-38.

[2]许小平，任聪，张孟.延长高压卧式柱塞泵的运行周期[J].化工管理，2017（35）：28.