新型超高壓三柱塞泵關鍵技術研究

柯仲政

（宣城綠源機械制造有限公司，安徽 宣城 242057）

0 引言

超高壓設備是指內壓力高于100 MPa的設備，目前廣泛應用在機械、化工、石油等工業領域。柱塞泵是超高壓系統的高壓源，其發展水平決定著超高壓技術的發展水平。隨著超高壓系統壓力的不斷提高，對柱塞泵的要求也越來越高。目前，國內生產柱塞泵的廠家很多，但最高額定工作壓力一般局限在150 MPa以內，而高于150 MPa壓力的柱塞泵，依然只能依靠進口，亟待解決柱塞泵超高壓設計問題［1］。

超高壓柱塞泵研制最大的技術難點是超高壓力下的密封和承壓的可靠性問題。目前國內超高壓三柱塞泵的主要問題是密封性不好，裝配重復定位困難，為此本文通過一種新型結構，采用新型液力端密封方式和密封材料，設計出一種壓力能達到276 MPa（40 000psi）的新型超高壓柱塞泵，同時有效地解決目前超高壓柱塞泵所存在的問題。

1 新型超高壓柱塞泵的整體結構和工作原理

新型超高壓柱塞泵整體結構如圖1所示，主要包括：機身1、連桿2、設置在機身內的曲軸連桿式動力傳動裝置及產生高壓的液力端。曲軸連桿式動力傳動裝置包括曲軸3、十字頭4、中間桿5、彈性夾套6、壓帽7。液力端包括泵體22、泵缸26、柱塞8及密封箱體9。泵體22為整體式結構。泵體22上設置低壓水進入流道24、高壓水流出流道23。進出水口均為對稱布置，便于外部管路聯接安裝。柱塞8和中間桿5聯接處采用了彈性夾套6，很好地保證了三柱塞的同軸度位置及均勻對中。導向閥20圓周均布了8個起緩沖作用的導向孔28。

新型超高壓柱塞泵的工作原理為：外部動力源帶動曲軸3旋轉，再由曲軸3帶動連桿2、十字頭4、中間桿5、柱塞8作往復運動。當曲柄3的凸起部分轉過去后，在彈簧力的作用下，柱塞向下運動，柱塞上部空間產生真空，泵缸26內形成負壓，液體經吸入閥16進入泵缸26內，直到柱塞移動到最后位置時（曲軸轉180°），進液過程結束。當曲柄3的凸起部分頂起柱塞8時，柱塞彈簧被壓縮，柱塞向上運動，缸內液體受擠壓，壓力增大，吸入閥16關閉，排出閥18打開，液體被排出。

圖1 超高壓柱塞泵的整體結構圖

2 液力端密封方式和密封材料的設計

液力端密封是超高壓柱塞泵的關鍵部件，密封性能的好壞及密封壽命是判定超高壓柱塞泵性能優劣的關鍵指標。普通三柱塞泵液力端柱塞處的密封結構大多采用傳統的接觸型密封和間隙密封的方式。

接觸型密封方式分為壓緊式密封和自封式密封。壓緊式密封的密封原理是靠壓緊填料使其與柱塞表面和箱體內表面緊密接觸而密封的，其泄漏量和摩擦力均與壓緊力密切相關，摩擦力與壓緊力成正比，填料、柱塞和箱體表面必須光潔還應盡可能提高表面硬度。自封式密封主要是靠輸送液體的壓力使密封圈唇部張開與柱塞表面和箱體內壁緊密接觸而密封的，其泄漏量和摩擦力同樣均與壓緊力密切相關，摩擦力與壓緊力成正比，且填料、柱塞和箱體表面必須光潔還應盡可能提高表面硬度。接觸型密封通常采用的密封材料僅僅局限在硬橡膠、聚四氟乙烯及尼龍等常規材料上，由于填料或密封圈本身的強度和剛度所限，即使在結構上再增加多層密封環也難以在超高壓工作狀態下保持其應有的形狀，而達到理想的接觸性密封的效果。間隙密封的密封原理是：柱塞和液缸體之間經精密研配使間隙在0.003～0.006 mm，粗糙度度低于Ra0.2 μm。即使這樣，其密封效果也只能達到100 MPa，而且金屬零件彈性變形小。細小而又均勻的間隙需要精密加工來保證，結構復雜，加工要求高，造價昂貴［2-5］。

為了保證整個柱塞泵的液力端在超高壓力276 MPa下能夠正常可靠地運行，保證不泄漏，新型超高壓三柱塞泵的液力端在設計時摒棄了傳統單一的密封方式，將傳統的自封式接觸型密封和間隙密封相結合，并且選用了一種新型的超高分子量特種塑料作為密封圈材料。超高分子量特種塑料具有耐磨損、耐沖擊、耐化學腐蝕、自潤滑性能高、低溫磨損系數小、耐老化等優良性能，很好地解決了超高壓密封的難題［6-7］。

如圖2所示，泵缸26與柱塞8之間設置柱塞套14，泵缸26與密封箱體9之間設置密封組件13。密封組件13包括密封座131、密封函132、第5密封圈133。密封箱體9內設置軸承11及第1密封圈10，泵缸26與密封組件13之間設置第2密封圈12，閥座19兩端上設置第3密封圈17、第4密封圈29。液力端高壓區的密封圈均采用超高分子量特種塑料作為密封材料。主要密封原理如下：柱塞套14與柱塞8之間采用間隙密封，密封組件13與柱塞8之間的密封為接觸密封。這樣柱塞8在往復運動中向前推進時形成的高壓水，通過柱塞套14與柱塞8之間的間隙取得節流降壓的作用，然后再利用密封組件13內的超高分子量密封材料熱脹冷縮的特性進一步加強了柱塞往復運行中的密封效果。

另外，泵缸26上設置冷卻水流道25。冷卻水流道25與泵體22上設置低壓水進入流道24貫通。因為在柱塞泵往復運行過程中，柱塞與密封材料之間不可避免地會發生摩擦，由此而產生熱量加劇零件的磨損和降低使用壽命，進而影響密封的可靠性。為了解決這一難題，在液壓缸體上增加了兩個冷卻水循環孔，使得低壓水能夠通過缸體將低壓常溫水輸送至柱塞密封處，不但能使柱塞在往復運動中減少摩擦，起到自潤滑的效果，而且低壓水經低壓水進入流道24，然后進入冷卻水流道25，流進缸體上一個冷卻孔，通過密封組件又從缸體上另一冷卻孔排出缸體外，帶走柱塞在往復運動中摩擦產生的熱量［8］。

圖2 液力端結構簡圖

3 動力端與液力端之間裝配定位機構的設計

三柱塞泵的超高壓密封不僅與密封材料和密封結構有關，對各零件的位置尺寸要求也很重要，即機身、三液壓缸體、閥座和泵體之間的準確定位對整個超高壓泵的運行平穩、往復運動中柱塞的摩擦以及密封的可靠性方面都起著保障作用。現國內外臥式超高壓柱塞泵動力端與液力端之間裝配無定位機構，靠裝配工人憑經驗來保證裝配精度，使操作者在更換易損件的過程中無法保證原裝配精度，使得泵的精度與質量下降。新型超高壓三柱塞泵在液力端設計了一托架滑塊式結構來保證裝配定位。如圖1所示，泵體22外設置托架滑塊式重復定位結構。重復定位結構由托架27與機身底腳30之間的螺栓聯接和定位銷組成。滑塊機構與機身底腳之間設置有腰孔，用于托架與機身底腳的螺栓聯接。其作用原理如下：柱塞泵液力端采用立式安裝，確保機身1、三液壓缸體26、閥座19和泵體22之間的準確定位，然后安裝上托架滑塊機構27，調整托架滑塊機構27的位置，上緊滑塊與機身底腳的安裝螺絲及定位銷，就保證滑塊機構的上平面與泵體的底平面準確定位。這樣在每次裝拆更換零件時，既能支承泵體，裝拆省時省力，又能保證更換密封等易損件時，液力端能準確復位，避免了安裝時壓縮密封圈易受切割或拉毛受損導致密封泄漏，保障了密封的可靠性。

4 結論

本文研究和設計的新型超高壓三柱塞泵已在企業生產中得到應用。結果表明，新型超高壓三柱塞泵能夠將工作壓力提高到276 MPa（40 000psi），同時有效地解決了目前國產超高壓柱塞泵存在的可靠性不高、密封不好、裝配重復定位困難等問題，拓展了超高壓系統的應用，推動了我國超高壓技術的發展。

［1］ 焦海旭，焦陽.超高壓柱塞泵設計制造的發展趨勢［J］.清洗世界，2012，3（3）：26-34.

［2］ 嚴奉林，周思柱，李寧，等.自增強超高壓柱塞泵泵頭體設計［J］.機床與液壓，2013，6（11）：102-104.

［3］ 梁創記，孫立源.超高壓泵柱塞密封型式的研究［J］.清洗世界，2013，6（6）：1-4

［4］ 付雨鑫.高壓往復式柱塞泵泵頭密封的改進［J］.科技與企業，2012（22）：298.

［5］ 張孟，王奇霞.高壓柱塞泵填料密封結構改進［J］.設備管理與維修，2012，（8）：56-57.

［6］ 陳戰，王家序.超高分子量聚乙烯的性能及在機械中的應用［J］.機械工程材料，2001，8（8）：1-3.

［7］ 趙英志，沈金龍.軟密封柱塞泵的研制與應用［J］.石油機械，2011（8）：82-84.

［8］ 韋宗兵.高壓柱塞料漿泵的設計缺陷與結構改進［J］.硫磷設計與粉體工程，2013（6）：39-41.