通過試驗方法研究往復柱塞泵盤根密封的壓縮量

摘 要：往復柱塞泵高壓液力端密封性能直接影響其工作效率和使用壽命。本文通過試驗方式研究往復泵填料密封中盤根壓縮量與密封效果及使用壽命的關系。試驗結果顯示，5%盤根壓縮量的填料密封每小時泄漏12mL，盤根與柱塞間平均摩擦力約為69.9N。這種盤根壓縮量既實現了良好的液力密封效果，又保持了較小的盤根損耗，可平衡密封效果與使用壽命。通過處理壽命試驗中的試驗數據得到泄漏量和摩擦力隨時間變化的擬合函數關系。利用該結論可對往復泵設計和裝配進行指導，并在往復泵試驗過程中對盤根密封泄漏量和盤根與柱塞之間的摩擦力進行定量預估，以定量計算往復泵的容積效率損失情況。

關鍵詞：往復柱塞泵；盤根密封；壓縮量；摩擦力

中圖分類號：TH 136 文獻標志碼：A

往復柱塞泵液力端柱塞密封通常采用填料密封形式，但在高壓清洗系統中，介質壓力高，介質清潔度底，導致柱塞密封壽命受到影響[1]。因此，當前國內研究主要側重于通過仿真[2]和試驗[3]手段進行填料密封性能提升和磨損壽命預測。

本文選擇了試驗方法研究填料密封的泄漏量和盤根與柱塞間的摩擦力，這2個參數直接關系到密封的性能和盤根的使用壽命。通過在試驗系統中設置不同預緊力（即不同的盤根壓縮量）來深入了解不同盤根壓縮量對密封性能和密封使用壽命的實際影響。

對試驗數據進行詳細記錄和分析后，本文評估了不同盤根壓縮量下填料密封的性能。結果顯示，當盤根壓縮量在其總厚度的5%時，既能夠滿足行業標準對系統密封性能的要求，又能夠最小程度地損耗盤根?；诖私Y論，本文可以對往復高壓柱塞泵填料密封的設計和裝配工藝提供指導。

1 試驗方案

在試驗的第一階段，本研究專注于盤根的壓縮量對其密封性能和耐用性的影響。這一部分試驗設計了4個不同的壓縮量等級，分別是盤根總厚度的0%、5%、10%和15%，以探究在不同壓縮程度下盤根的密封效果。試驗在高壓環境中進行，設定介質壓力為80MPa并隨時補壓，以保持試驗壓力恒定。在試驗過程中，密切監控密封函的泄漏情況，通過量杯測量高壓介質的泄漏量。同時，利用布置在柱塞末端的力傳感器監測盤根與柱塞間的摩擦力，以評估其工作狀態。試驗結束后，對盤根的磨損程度進行詳細觀察，以期找到一個既能保證往復柱塞泵高壓密封的泄漏量在可接受范圍內，又能盡量減少盤根損耗的理想壓縮量。

在試驗的第二階段，基于第一階段得出的理想壓縮量進行盤根密封壽命的長期測試。在給定試驗條件下，持續進行高壓盤根往復密封試驗，試驗過程中持續監測并記錄介質泄漏量和盤根與柱塞之間的摩擦力變化。當盤根的密封性能顯著下降且達到無法滿足密封要求時，試驗終止。通過分析試驗數據，確定將每小時泄漏量超過標準規定值時對應的柱塞往復運動總里程作為該壓縮量下盤根的預期使用壽命。

為了確保試驗結果的實用性和可靠性，試驗參數的設定參照了高壓清洗機供液單元中高壓往復柱塞泵的實際工作參數，并結合高壓清洗作業中的實際工況。具體參數見表1，這些參數的設定旨在模擬設備實際工作環境，從而得出的試驗結果可以直接應用于實際設備的優化和改進，為往復柱塞泵的設計和維護提供科學依據。

2 試驗裝置設計

柱塞填料密封試驗工裝如圖1所示。該工裝是一個模擬真實工況的測試裝置，用于研究柱塞與盤根之間的密封性能。該工裝的核心部件包括1號柱塞、2號調整墊片、3號盤根和4號填料函。在試驗過程中，可通過在各組試驗中安裝不同厚度的墊片，并擰緊填料函兩側的縮緊螺釘，精確地預緊填料密封中的盤根，從而調整盤根的壓縮量。試驗中選取了4個不同的壓縮量等級，分別是盤根總厚度的0%、5%、10%和15%，以全面評估不同壓縮狀態下的密封效果。

試驗過程中，將80MPa壓力下的高壓介質（純水）從填料函的正中心處序號5補壓孔注入填料函，并實時補壓，以保持密封系統壓力恒定。由曲柄連桿機構驅動的柱塞按照預先設定的速度沿軸向進行往復運動。當高壓介質試圖從柱塞與盤根之間的微小縫隙中泄漏時，這些泄漏的介質會從序號1柱塞與填料函端蓋之間的間隙流出，并被放置在填料函末端的量杯所捕獲，以便后續精確測量泄漏量。隨著試驗的進行，盤根的磨損情況加劇，盤根與柱塞間的間隙也會增大，柱塞密封的泄漏量也會逐漸增大。

在試驗系統中，力傳感器安置在柱塞末端。在柱塞勻速運行過程中，這個傳感器測量的柱塞拉壓力與柱塞和盤根之間產生的摩擦力互相平衡，因此可以用該傳感器所測拉壓力來檢測測量柱塞與盤根間的摩擦力。通過監測傳感器的讀數，可以實時獲取柱塞與盤根之間摩擦力，并通過這一數據衡量盤根磨損情況。隨著盤根磨損情況的加劇，柱塞與盤根間的摩擦力大小也逐步減小。

3 試驗結果分析

3.1 盤根壓縮量試驗

在盤根壓縮量試驗中，分別采用前述各壓縮量進行4組試驗，80MPa下保壓試驗1h。試驗結束后分別記錄4組試驗量杯中的介質泄漏量。表2中記錄了試驗1h后，不同壓縮量的4組試驗下填料密封函介質平均泄漏量。

試驗結束后拆開密封函工裝，分別取出每組填料函中的盤根并記錄其損壞情況。圖2記錄了采用不同的盤根壓縮量進行試驗后，拆開填料函所觀察到的盤根狀態。

試驗中力傳感器實時記錄的拉壓力與柱塞與盤根間的摩擦力為一對平衡力，因此可以利用力傳感器對柱塞與盤根質檢的摩擦力大小和方向進行實時記錄。對記錄下來的數據進行處理，求出不同壓縮量下的每組試驗中本小時內柱塞盤根間的平均摩擦力。表3記錄了不同壓縮量的各組試驗中盤根與柱塞之間的平均摩擦力大小。

通過表2、表3以及圖2可以得出不同壓縮量對高壓填料密封性能的影響。

當壓縮量為0%時，即未對盤根施加任何預緊力，高壓介質由于缺乏足夠的壓力將盤根緊密壓在柱塞表面，因此能夠直接穿過盤根間隙發生泄漏。此時，由于盤根與柱塞之間幾乎沒有摩擦力，因此在試驗結束后，盤根的狀況基本保持不變，未出現任何磨損或損傷。

隨著壓縮量的逐漸增加至5%，泄漏量顯著下降。這表明適量的預緊力對于提高填料密封的效能至關重要。在這種情況下，盤根與柱塞之間的摩擦力保持在一個較低的水平，這不僅有利于減少盤根的磨損，而且還有助于延長其使用壽命。此外，由圖2（b）可以清楚地看到，被試盤根內圈沾染了一些可擦除的石墨。這些石墨作為固體潤滑劑，有效地降低了摩擦系數，從而保護了盤根免受過度磨損。

當壓縮量進一步增至10%時，雖然泄漏量仍然保持在較低水平，但盤根與柱塞之間的摩擦力顯著增大。由圖2（c）可知，這種增加的摩擦力導致被試件在試驗過程中出現拉毛失效。盡管這種失效并不意味整個密封系統的失效，但它確實表明在這種壓縮量下，盤根的壽命和可靠性會受到一定影響。

當壓縮量達到15%時，填料密封的泄漏量幾乎降為零，顯示出極佳的密封效果。然而與此同時，盤根與柱塞之間的摩擦力也達到了非常高的水平。由圖2（c）可知，這種高摩擦力加速了盤根的磨損過程，導致盤根磨損破裂并失效。這表明雖該壓縮量能夠在短時間內提供極佳的密封效果，但過大的摩擦力也會加粗盤根磨損，從而縮短其使用壽命。

綜上所述，為了確保高壓填料密封系統的高效運行和盤根的耐久性，必須謹慎選擇合適的壓縮量。綜合考慮密封效果和盤根磨損情況后可見，5%的壓縮量是一個較理想的選擇。它不僅能夠在保證良好密封性的同時減少盤根的磨損程度，而且還有助于延長其使用壽命。

3.2 盤根壽命試驗

在盤根壽命試驗中，采用盤根壓縮量試驗中確定的5%壓縮量繼續進行盤根壽命試驗，試驗系統在80MPa壓力下保壓持續運行并持續獲得試驗數據。為了在后續相關研究過程中對盤根密封泄漏量和盤根與柱塞之間的摩擦力進行定量預估計算，將所得試驗數據進行函數擬合。

圖3中散點為所記錄的每小時填料密封泄漏量，曲線為使用冪函數制作泄漏量趨勢隨時間變化的擬合函數曲線。

根密封泄漏量隨時間變化的擬合函數方程如公式（1）所示。

y=8.9823x0.3657 （1）

式中：y為盤根密封泄漏量；x為時間。

圖4中散點表示試驗中每小時記錄力傳感器數據，曲線為使用對數函數繪制盤根與柱塞間的摩擦力隨時間變化的擬合函數曲線。

盤根與柱塞間摩擦力隨時間變化的擬合函數方程如公式（2）所示。

y=-1.613ln（x）+65.854 （2）

式中：y為盤根與柱塞間的摩擦力；x為時間。

試驗進行到46h，觀察到盤根再無密封效果，隨即終止試驗。取出盤根后發現盤根磨損破裂完全失效。在整個試驗過程中，柱塞累計往復運行總里程17.5km。試驗結果表明，在該工況下，盤根往復密封的總壽命為17.5km。

本次試驗旨在利用盤根壓縮量的試驗數據，結合試驗推導的理論模型及擬合函數得出填料密封的設計參數，進而指導填料密封的設計，并通過制造試驗樣機來驗證設計的有效性。使用本文試驗所得出的盤根壓縮量指導填料密封設計并制造往復柱塞泵試驗樣機，樣機及其試驗測試系統如圖5所示。

試驗樣機及試驗系統搭建完成后，對包括泵壓力、流量等參數進行測試，在本臺樣機后續的試驗過程中，將用本次試驗得到的泄漏量及摩擦力擬合函數定量計算往復泵容積效率及總效率的損失情況。

本次試驗通過盤根壓縮量的試驗數據指導了填料密封的設計。搭建了后續驗證工作的實驗平臺，對往復泵的性能優化和工程應用具有重要意義。

4 結語

采用試驗方法研究高壓清洗機中往復柱塞泵液力端柱塞填料密封最適合的盤根壓縮量和在最適合壓縮量下的盤根密封使用壽命，試驗結果表明，盤根壓縮量在其總厚度的5%時，盤根可獲得密封效果與使用壽命的最佳平衡，當使用5%壓縮量的盤根進行實際工況下的密封壽命試驗時，盤根往復密封的總壽命為17.5km，可利用該結論對往復泵填料密封的設計和裝配工藝進行指導。

根據填料密封壽命試驗中的試驗數據，分別使用方差最小的擬合函數對盤根密封泄漏量和盤根與柱塞之間摩擦力隨時間變化的曲線進行擬合，并給出擬合函數的方程?？衫帽敬卧囼炈@得的擬合函數在后續往復柱塞泵填料密封研究過程中對盤根密封泄漏量和盤根與柱塞之間的摩擦力進行定量預估計算。

參考文獻

[1]楊學淳.工程機械整機清洗工藝探討[J].現代涂裝，2015，18（2）：66-67.

[2]孔麗娟.基于ABAQUS的柱塞泵盤根壓環結構優化研究[J].石油和化工設備，2016，19（4）：17-19.

[3]王繼光，劉建平，馮雁，等.一種高碳纖維盤根彈性變形曲線與摩擦系數測試試驗的研究[J].現代制造技術與裝備，2020（3）49-50.