付　鹏

（中国有色（沈阳）泵业有限公司，辽宁 沈阳 110144）

往复泵活塞导向环的设计

付鹏

（中国有色（沈阳）泵业有限公司，辽宁 沈阳 110144）

活塞是往复泵的关键部件之一，其密封性能与使用寿命直接影响隔往复泵的容积效率与连续运转率。为了保证活塞在缸套中运动的平稳性，导向环成为活塞装配体的必不可少的零件。导向环的设计需要考虑材料、往复泵结构等多个因素，本文根据往复泵的结构特点，结合活塞的实际工况，提出了导向环的设计的方法，并以某型号往复泵的具体参数为例，完成了导向环的设计计算。

活塞；导向环；往复泵

往复泵一般由曲轴、连杆、十字头及活塞等主要部件组成，其工作的基本原理相当于曲柄滑块机构。在主电机的驱动下，曲轴进行旋转运动，通过连杆带动十字头及活塞做往复运动，进而实现泵阀的开启、关闭，完成输送介质的吸、排过程。当活塞发生泄露时，活塞两侧介质就会互相串动，引起相关油品的损耗，影响往复泵的工作效率。在往复泵活塞设计过程中，除了设计选择合理的密封件与缸套外，导向环的设计也是影响活塞密封性能与使用寿命的重要环节。

活塞导向环在活塞往复运动中起到了保证活塞运动直线度、保护橡胶密封件的作用。一方面，导向环吸收了作用于缸套的侧向力，确保了活塞的运动精度；另一方面，它还防止了活塞与缸套之间的接触摩擦磨损。

以往复泵的结构为计算基础，根据活塞运行的工况，结合导向环设计的基本要求，本文展开了对往复泵活塞导向环设计的探索与研究，形成了完整的计算步骤，并以某型号往复泵为例，完成了其导向环的设计计算。

1.导向环的设计

1.1结构分析

如图1、图2所示，活塞在曲轴、连杆与十字头的带动下进行直线往复运动，活塞与十字头之间利用活塞杆、介杆进行连接，十字头处进行了支撑定位。活塞左侧介质与右侧介质均为液压油，导向环在活塞中间位置，其左、右两侧均设置了V组密封。

1.2材料选择

随着化学工业的发展，非金属导向环以其超强的耐磨性和补偿能力等优点在近些年来得到了广泛的应用。目前，常用的导向环材料包括尼龙（PA）、聚甲醛（POM）、聚四氟乙烯（PTFE）、酚醛夹布等。尼龙具有优良的耐摩擦性能和耐磨耗性能，无油润滑的摩擦因数通常为0.1～0.3，缺点是吸水率大、尺寸稳定性差以及抗蠕变性能较差；聚甲醛具有很高的刚度和良好的冲击轻度，可以耐强碱，耐疲劳性能、蠕变性能好，缺点是耐酸性和阻燃性不理想；聚四氟乙烯具有优良的化学稳定性，极低的摩擦系数，缺点是抗蠕变性能差，为了提高其抗蠕变性能和耐磨性能，必须添加纤维、金属粉末、二硫化钼或石墨等进行改性，改性后的聚四氟乙烯耐磨性可提高1000～2000倍；酚醛夹布具有良好的力学强度，在耐化学腐蚀性、电绝缘性、尺寸稳定性方面也很好。

根据往复泵结构设计的特点，其活塞运动的往复速度一般在1m/s以下，活塞周围油液温度大约在40℃～60℃，此外，根据报废活塞密封圈的损坏样式，活塞运行工况应不属于大侧向力与重载核工况，因此，初步选择导向环的材料为聚四氟乙烯加铜粉。

1.3宽度计算

导向环宽度与最大侧向力、活塞直径与导向环材料的承载能力有关，其计算公式如下：

式中：

T—导向环宽度（mm）；

F—最大侧向力（N）；

S—安全系数：一般取4；

D—活塞直径（mm）；

σ—导向环的容许受压（MPa）。

由图1可以看出，活塞的支撑点在十字头处，所以活塞最大侧向力由两部分组成：重力；活塞轴线相对于十字头支撑处的偏角引起的侧向力。

（1）重力

导向环承受的重力包括活塞重力、活塞杆与介杆的重力，考虑到十字头处也承担了一部分介杆、活塞杆重力的1/2施加于导向环上。

（2）偏转侧向力

可将活塞、活塞杆、介杆及十字头系统简化为悬臂梁模型，十字头端面为固定端，活塞中心即为悬臂的端点，通过试验测定偏转挠度或角度，即可计算该偏转引起的侧向力大小。

表1　常用导向环材料对比表

式中：

F2-最大侧向力；

fA-活塞中心相对于十字头中心的挠度；

E-弹性模量；

I-截面的轴惯性矩；

l-十字头端面与活塞中心的距离。

1.4580-9泵型的导向环计算

580-9泵型参数如下：

活塞直径D=440mm

活塞杆直径d=210mm

活塞与活塞杆、介杆重量之和为

W=409.35kg

活塞中心相对于十字头中心的挠度为

fA=0.4mm

重力计算：

F1=W×g=4093.5N

偏转侧向力：

F2=3EIfA/l3=3E×0.0491×d4× fA/l3=11829N

最大侧向力：

F=F1+F2=15872.5N

根据相关资料显示，80℃以下的聚四氟乙烯加铜粉材料的容许受压σ为7.5MPa。

导程环宽度：

T=（F×S）/（D×σ）=19mm

1.5减小导向环宽度的措施

通过减小导向环宽度，可以缩短活塞芯的长度，减少各零件的采购或者制造费用，进而降低活塞的生产成本。根据导程环宽度的计算公式，可以通过以下方式，对其宽度予以控制：

（1）通过设置减重孔、优化选材等方式对活塞零件进行减重设计，以减小侧向力。

（2）提高零件的加工精度与部件的安装精度，将活塞相对十字头的偏心控制在最小范围内。

结论

本文在分析往复泵活塞工况与结构的基础上，结合导向环材料现状，提出了往复泵活塞导向环的选材建议。此外，根据活塞、十字头、曲轴系统的运动机理，得出了导向环宽度的计算方法，由分析计算可以看出：往复泵活塞导向环宽度的主要影响因素在于活塞相对于十字头的偏心距离、活塞杆直径、活塞直径以及活塞与十字头之间的距离，通过提高装配精度与制造精度，优化活塞零件的结构及选材能够减少导向环所承受的侧向载荷，减小其宽度。

［1］张绍九，等.液压密封［M］.北京：化学工业出版社，2012.

［2］成大先.机械设计手册［M］.北京：化学工业出版社，2006.

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