低溫泵缸套柱塞防磨損和提高密封性的措施

1 問題的提出
與新研制的KL-1型制氧制氮車配套的0829低溫液體泵繼承了0807Q低溫液體泵的主要優(yōu)點(diǎn)，具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)，適合在車載等環(huán)境下使用，特別是它仍然采用柱塞式，工作過程中不會(huì)產(chǎn)生產(chǎn)品二次污染問題，保證了氣體的品質(zhì)，適合對氣體品質(zhì)要求高的使用部門。經(jīng)部門測定：氧氣各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到航空呼吸用氧的要求，氮?dú)馄焚|(zhì)達(dá)到美軍標(biāo)關(guān)于導(dǎo)航系統(tǒng)用氮的要求。
但由于KL-1型制氧制氮車采用了與原KL-15型制氧制氮車*不同的流程，對低溫泵的設(shè)計(jì)提出了更加高的要求：一是進(jìn)液壓力由原來的0．02MPa提高到了0．4MPa～0．8MPa，這樣增加了活塞桿的密封長度，使得活塞桿與柱塞同心度要求提高，同樣也會(huì)影響工作時(shí)缸套柱塞的配合情況；二是隨著產(chǎn)量的提高，柱塞的直徑也由原來的φ18mm變?yōu)?phi;20mm，柱塞重量相應(yīng)增加了20g左右，導(dǎo)致工作時(shí)頭部容易下墜，容易造成偏心、偏磨；三是KL-1型制氧制氮車采用返流膨脹流程，由液體工況向氣體工況轉(zhuǎn)換時(shí)，液體過冷度逐漸增加，因此低溫泵剛工：作時(shí)工作條件不很理想，控制不好容易導(dǎo)致缸套柱塞的早期磨損。試制過程中曾多次發(fā)生短時(shí)間內(nèi)(50～150小時(shí))缸套柱塞磨損過度、打不上壓力的問題。由于該成套設(shè)備以氣體工況為主，如果缸套柱塞頻繁磨損，勢必影響設(shè)備的主要性能；同時(shí)缸套柱塞加工難度大、精度要求高、使用壽命短，必然增加設(shè)備的使用成本。

低溫泵缸套柱塞防磨損和提高密封性的措施

2 低溫液體泵缸套柱塞的理想工作狀態(tài)及改進(jìn)的理論依據(jù)
2．1 缸套柱塞的理想工作狀態(tài)
缸套柱塞的工作介質(zhì)為液氧、液氮，液氧或液氮從低溫泵中正下部進(jìn)液，理想工作狀態(tài)是有一定過冷度的液體充盈泵頭內(nèi)部，柱塞運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的熱和外界傳熱引起的少量汽化氣體由泵頭上部回氣管路回入貯液器，保證缸套和柱塞*浸入液體中，對運(yùn)動(dòng)部件柱塞和缸套起潤滑和冷卻作用。
2.2 改進(jìn)的理論依據(jù)
液氧泵缸套柱塞工作原理是間隙密封原理，為非接觸式密封，它是靠相對運(yùn)動(dòng)件的配合面之間的微小間隙防止泄漏實(shí)現(xiàn)密封的，其中間隙大小和均勻性對密封性能影響zui大。泄漏量與間隙的立方成正比。泄漏量公式：

ε=e/δ

式中：ε——柱塞在液缸中的偏心率
e——柱塞與液缸中心的偏心距，m
δ——柱塞與液缸之間的半徑間隙，m
D——柱塞直徑，m
η——低溫液體的粘度，Pa·s
l——間隙的密封長度，隨行程而變，m
△P——間隙密封前后的壓力差，Pa
從以上泄漏量公式可以看出，如果缸套柱塞磨損到一定程度，泄漏量大大增加(立方關(guān)系)，在高壓時(shí)無法維持充瓶。根據(jù)缸套柱塞的使用情況可同時(shí)采取幾種方法對缸套柱塞的磨損進(jìn)行控制：
(1)提高液體過冷度，保證柱塞在缸套內(nèi)作活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)，有充分的液體加以潤滑，以減少缸套與柱塞間的磨損。
(2)改進(jìn)密封結(jié)構(gòu)，在缸套柱塞磨損到一定程度后，仍能靠一定的密封結(jié)構(gòu)繼續(xù)工作一段時(shí)間，延長缸套柱塞的壽命。
(3)改進(jìn)泵的結(jié)構(gòu)，使缸套柱塞工作時(shí)與柱塞間產(chǎn)生液墊或氣墊，減少磨損。
3 提高缸套柱塞內(nèi)液體過冷度
3．1 措施分析
要解決過冷度的問題，首先要分析液體在泵內(nèi)的運(yùn)動(dòng)過程，消除產(chǎn)生汽化的原因?，F(xiàn)以進(jìn)液壓力為0．8MPa的氣氮為例來分析。
一是冷泵結(jié)束，泵開始運(yùn)行時(shí)，由于液體沒有充分的過冷度，缸套柱塞間潤滑效果差，容易導(dǎo)致早期磨損，因此要考慮改進(jìn)系統(tǒng)，使貯槽內(nèi)液體始終保持一定的過冷度，保證進(jìn)泵液體的過冷度。
二是每次充瓶開始時(shí)，缸套柱塞頭部與換熱器管路、鋼瓶串通，壓力為0．8MPa的液體一下降為0，不考慮絕熱損失，光壓差就損失過冷度24．6℃(見表1)，因此泵頭液體此時(shí)不是過冷，而是過熱，必然導(dǎo)致大量液體汽化，缸套與柱塞間的潤滑條件相當(dāng)惡劣，產(chǎn)生部分干磨現(xiàn)象，而摩擦產(chǎn)生的熱又加劇了液體的汽化，反過來又惡化潤滑條件，使缸套柱塞磨損加劇。液氧泵缸套柱塞在充瓶1分鐘后工作端才能達(dá)到滿足其潤滑條件的狀態(tài)，這1分鐘對缸套柱塞的磨損影響非常大。

表1 液氮壓力與過冷度關(guān)系表

從以上兩點(diǎn)分析可得出如下結(jié)論：每次充瓶時(shí)前1分鐘由壓力損失帶來的過冷度損失對泵的磨損影響比較大，通過改進(jìn)流程提高泵前液體過冷度對液氧泵缸套柱塞工作有幫助，但要*依靠改進(jìn)流程使進(jìn)泵液體過冷度≥(24．6十10)℃顯然是不可能實(shí)現(xiàn)的?？尚械淖龇ㄊ窃诟倪M(jìn)流程的同時(shí)，主要通過在泵出口部位加裝2MPa左右的預(yù)加壓裝置，提高缸套柱塞工作腔的壓力，使其工作時(shí)始終維持2MPa左右的壓力，用增壓的辦法提高液體過冷度，保證缸套柱塞間的潤滑條件。
3．2 具體措施
在zui接近液氧泵鋼珠單向閥的高壓管路上加裝一壓力2MPa左右的液體低溫單向閥。液氧泵一工作往復(fù)幾次，就在鋼珠單向閥與增加的單向閥之間建立起2MPa左右的壓力帶，并保持在管路上，從而起到給缸套柱塞工作腔液體加壓的作用，提高液體的過冷度，滿足缸套與柱塞間潤滑的需要。
增加單向閥后，會(huì)增加缸：套柱塞工作端的壓力，從而會(huì)對高壓時(shí)充瓶速度產(chǎn)生一點(diǎn)影響，延長充瓶時(shí)間。但相對于不加裝單向閥引起的磨損、泄漏增加，甚至報(bào)廢，還是很值得的。
實(shí)際低溫單向閥設(shè){i—過程中，由于受安裝尺寸所限，單向閥開啟壓力確定為1．5MPa。

低溫泵缸套柱塞防磨損和提高密封性的措施

4 減少缸套與柱塞之間的泄漏量
4．1 具體措施
利用迷宮密封的原理，在柱塞上增開迷宮槽，流體流經(jīng)一系列節(jié)流間隙與膨脹空腔組成的通道，使工作介質(zhì)產(chǎn)生節(jié)流效應(yīng)，以限制泄漏。使在磨損已產(chǎn)生的前提下，限制泄漏，能夠繼續(xù)使用一段時(shí)間，延長使用壽命。
4.2 使用效果
在液氧泵試制過程中，在已報(bào)廢的四副缸套柱塞中的其中一副的工作端開了三道迷宮槽，這副缸套柱塞就比其它三副多工作了100小時(shí)左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它不開迷宮槽的缸套柱塞的使用壽命(50小時(shí)左右)。zui后測量配合間隙已達(dá)50μm，證明迷宮槽對控制泄漏還是十分有效的。
5 減小缸套與柱塞之間的摩擦力
5．1 原理分析
過冷度問題解決了，并不是說缸套柱塞不會(huì)磨損了。理想上來說，要達(dá)到缸套柱塞磨損，就需壓承壓膜將工作柱塞*托在液體上，這樣顯然是不可能*實(shí)現(xiàn)的。但我們可以根據(jù)動(dòng)力潤滑膜產(chǎn)生壓力的原理來改進(jìn)缸套柱塞的結(jié)構(gòu)，減少缸套與柱塞間的摩擦力，相應(yīng)延長缸套柱塞的壽命。
根據(jù)動(dòng)力潤滑膜產(chǎn)生壓力的原因，引起柱塞在運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生壓力的主要因素的是液楔效應(yīng)和擠壓膜效應(yīng)，伸縮作用和膨脹作用為次要因素。液楔效應(yīng)跟柱塞的頭部倒角形狀有關(guān)，為防止柱塞壓縮工作過程中液楔效應(yīng)向下壓頭部而造成柱塞與缸套之間摩擦力增大、磨損增大，在柱塞頭部增加迷宮槽(同時(shí)也增加了密封性能，前面已述)進(jìn)行卸壓。另為防止缸套柱塞的磨損，還需要加強(qiáng)擠壓膜效應(yīng)，使柱塞與缸套之間產(chǎn)生液墊。
5．2 具體措施
設(shè)計(jì)思路是在柱塞頭部圓心開一φ1mm的小孔，再在*個(gè)迷宮槽內(nèi)沿徑向六小孔均勻發(fā)散。由于小孔直徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于缸套柱塞配合間隙，缸套柱塞工作端壓力就能通過小孔很快達(dá)到*個(gè)迷宮槽，而柱塞由于自身的重力作用，頭部會(huì)自然下墜，呈現(xiàn)缸套柱塞上部配合間隙大、下部小的特點(diǎn)，這樣柱塞在運(yùn)動(dòng)過程中在*個(gè)迷宮槽內(nèi)產(chǎn)生擠壓膜效應(yīng)，從而產(chǎn)生一部分承載力；而且，缸套柱塞工作端壓力越高，擠壓膜效應(yīng)越明顯，因此在系統(tǒng)中增加1．5MPa左右的單向閥，使缸套柱塞工作腔的壓力整體提高1．5MPa以上，從原理上來說對減輕缸套柱塞的摩擦力也是有利的。柱塞頭部承載力產(chǎn)生后。根據(jù)杠桿原理，整根柱塞也能部分抬起來(不會(huì)*抬起來，因?yàn)榇藭r(shí)擠壓膜效應(yīng)為0)。
5．3 改進(jìn)后的效果
由于缸套柱塞工作時(shí)內(nèi)部壓力變化很大，很難對擠壓膜效應(yīng)進(jìn)行的計(jì)算，但根據(jù)實(shí)際使用情況看，改進(jìn)后的缸套柱塞擠壓膜效應(yīng)還是比較明顯的。分析結(jié)果如下：柱塞頭部增加φ1mm的小孔，再在*個(gè)迷宮槽內(nèi)沿徑向六小孔均勻發(fā)散，這必然增加缸套柱塞工作腔的死隙、縮短密封長度，從理論上講必然延長充瓶時(shí)間；另增加一單向閥也必然整體提高缸套柱塞工作腔的壓力，由壓力增加引起缸套柱塞間的泄漏量增加，也需延長充瓶時(shí)間，這從2．2節(jié)泄漏量公式亦可知道。但從改進(jìn)前、后液氧泵充瓶時(shí)間比較(見表2)來看，改進(jìn)后的液氧泵充瓶時(shí)不僅沒增加時(shí)間，反而整體充瓶時(shí)間有所縮短，這說明每次工作時(shí)泄漏量反而減少，特別是高壓時(shí)時(shí)間縮短比較明顯，說明改進(jìn)后的液氧泵工作時(shí)柱塞與缸套的偏心更小，這從泄漏量公式可得到答案。

表2 改進(jìn)前、后液氧泵充瓶時(shí)間比較

注；均以新缸套柱塞工作時(shí)作比較，工作頻率26Hz左右，鋼瓶容積40L～42L，氣氧工況。
改進(jìn)后的液氧泵工作時(shí)缸套柱塞的δ比改進(jìn)前有較大的縮小，由于δ值對泄漏的影響量是立方關(guān)系，0～10MPa時(shí)抵消了由于工作腔死隙增加引起的容積效率降低、密封長度降低和整體壓力升高所引起的泄漏量增加。改進(jìn)前后升壓時(shí)間基本一致，高壓時(shí)(10MPa以上)由于δ值進(jìn)一步減少，δ值的影響大于工作腔死隙增加、密封長度縮短和壓力整體升高的影響，因此改進(jìn)后的液氧泵工作在高壓時(shí)的泄漏量小于改進(jìn)前，反映在充瓶時(shí)間縮短。根據(jù)以上可推斷出改進(jìn)后的缸套柱塞間液膜比改進(jìn)前有較大的增加，可以提高缸套柱塞的工作壽命。
6 試驗(yàn)前后缸套柱塞磨損量比較
改進(jìn)后的液氧泵在運(yùn)行56小時(shí)。后，以40Hz快速充氮三瓶至15MPa(鋼瓶容積41L)，時(shí)間分別為6分19秒、6分14秒、6分15秒，情況十分理想，拆檢缸套柱塞，柱塞基本上不磨損，缸套磨損量3μm。而改進(jìn)前液氧泵運(yùn)行50小時(shí)后，缸套磨損量是30μm—50／μm。分