（液化空气（日照）有限公司，山东省日照市276806）
摘要：介绍在KL-15A型制氧制氮车研制过程中,解决与之配套的往复式低温柱塞泵缸套柱塞使用寿命短、磨损严重、泄漏量大的方法,提高设备运行的可靠性,取得一定的经济效益。
关键词：低温泵；缸套柱塞；磨损；过冷度；泄漏
与新研制的KL-15A型制氧制氮车配套的0829低温液体泵继承了0807Q低温液体泵的主要优点,具有体积小、结构紧凑的特点,适合在车载等环境下使用,特别是它仍然采用柱塞式,工作过程中不会产生产品二次污染问题,保证了气体的品质,适合对气体品质要求高的使用部门。
一、低温液体泵的主要特点
在进行通用泵的优化处理时，需要结合不同扬声场的差距来实现优化处理，并且在低温液体泵的通用分析下，空分系统的工艺主要结合采用安装控制操作，或者在管道输送介质的条件下一直保持相对稳定的材质，低温液体泵的稳定运行环境和不同的工艺材质和运行控制的状态有着密切的联系。此外低温液体泵的工艺特征和通用环境泵的处理有着很大的差距，因此对于空分系统的控制以及安全稳定的输出，能够协调液体泵的控制处理方式，或者实现设备的检测，来实现设备维修工作。低温液体泵的密封结构主要通过单轮结构的控制，或者在密封管道内容的影响下，给低温液体泵下的结构进行控制密封，或者单齿的密封间隙不能够处理，就需要通过密封气体结构的影响来实现压力输出。
二、低温液体泵缸套柱塞的理想工作状态及改进的理论依据
1.缸套柱塞的理想工作状态。缸套柱塞的工作介质为液氧、液氮,液氧或液氮从低温泵中正下部进液,理想工作状态是有一定过冷度的液体充盈泵头内部,柱塞运动产生的热和外界传热引起的少量汽化气体由泵头上部回气管路回入贮液器,保证缸套和柱塞完全浸入液体中,对运动部件柱塞和缸套起润滑和冷却作用。
2.改进的理论依据。液氧泵缸套柱塞工作原理是间隙密封原理,为非接触式密封,它是靠相对运动件的配合面之间的微小间隙防止泄漏实现密封的,其中间隙大小和均匀性对密封性能影响最大。泄漏量与间隙的立方成正比。泄漏量公式:
式中:ε———柱塞在液缸中的偏心率
e———柱塞与液缸中心的偏心距,m
δ———柱塞与液缸之间的半径间隙,m
D———柱塞直径,m
η———低温液体的粘度,Pa·s
l———间隙的密封长度,随行程而变,m
Δp———间隙密封前后的压力差,Pa
从以上泄漏量公式可以看出,如果缸套柱塞磨损到一定程度,泄漏量大大增加(立方关系),在高压时无法维持充瓶。根据缸套柱塞的使用情况可同时采取几种方法对缸套柱塞的磨损进行控制:(1)提高液体过冷度,保证柱塞在缸套内作活塞运动时,有充分的液体加以润滑,以减少缸套与柱塞间的磨损。(2)改进密封结构,在缸套柱塞磨损到一定程度后,仍能靠一定的密封结构继续工作一段时间,延长缸套柱塞的寿命。(3)改进泵的结构,使缸套柱塞工作时,缸套与柱塞间产生液垫或气垫,减少磨损。
三、提高缸套柱塞内液体过冷度
1.措施分析。要解决过冷度的问题,首先要分析液体在泵内的运动过程,消除产生汽化的原因。现以进液压力为0.8MPa的气氮为例来分析。一是冷泵结束,泵开始运行时,由于液体没有充分的过冷度,缸套柱塞间润滑效果差,容易导致早期磨损,因此要考虑改进系统,使贮槽内液体始终保持一定的过冷度,保证进泵液体的过冷度。二是每次充瓶开始时,缸套柱塞头部与换热器管路、钢瓶串通,压力为0.8MPa的液体一下降为0,不考虑绝热损失,光压差就损失过冷度24.6℃(见表1),因此泵头液体此时不是过冷,而是过热,必然导致大量液体汽化,缸套与柱塞间的润滑条件相当恶劣,产生部分干磨现象,而摩擦产生的热又加剧了液体的汽化,反过来又恶化润滑条件,使缸套柱塞磨损加剧。液氧泵缸套柱塞在充瓶1分钟后工作端才能达到满足其润滑条件的状态,这1分钟对缸套柱塞的磨损影响非常大。
表1液氮压力与过冷度关系表
从以上两点分析可得出如下结论:每次充瓶时前1分钟由压力损失带来的过冷度损失对泵的磨损影响比较大,通过改进流程提高泵前液体过冷度对液氧泵缸套柱塞工作有帮助,但要完全依靠改进流程使进泵液体过冷度≥(24.6+10)℃显然是不可能实现的。
2.具体措施。在最接近液氧泵钢珠单向阀的高压管路上加装一压力2MPa左右的液体低温单向阀。液氧泵一工作往复几次,就在钢珠单向阀与增加的单向阀之间建立起2MPa左右的压力带,并保持在管路上,从而起到给缸套柱塞工作腔液体加压的作用,提高液体的过冷度,满足缸套与柱塞间润滑的需要。
四、减小缸套与柱塞之间的摩擦力
1.原理分析。过冷度问题解决了,并不是说缸套柱塞不会磨损了。理想上来说,要达到缸套柱塞永不磨损,就需压承压膜将工作柱塞完全托在液体上,这样显然是不可能完全实现的。但我们可以减少缸套与柱塞间的摩擦力,相应延长缸套柱塞的寿命。根据动力润滑膜产生压力的原因,引起柱塞在运动过程中产生压力的主要因素的是液楔效应和挤压膜效应,伸缩作用和膨胀作用为次要因素。液楔效应跟柱塞的头部倒角形状有关,为防止柱塞压缩工作过程中液楔效应向下压头部而造成柱塞与缸套之间摩擦力增大、磨损增大,在柱塞头部增加迷宫槽(同时也增加了密封性能,前面已述)进行卸压。另为防止缸套柱塞的磨损,还需要加强挤压膜效应,使柱塞与缸套之间产生液垫。
2.具体措施。设计思路是在柱塞头部圆心开一1mm的小孔,再在第一个迷宫槽内沿径向六小孔均匀发散。由于小孔直径远远大于缸套柱塞配合间隙,缸套柱塞工作端压力就能通过小孔很快达到第一个迷宫槽,而柱塞由于自身的重力作用,头部会自然下坠,呈现缸套柱塞上部配合间隙大、下部小的特点,这样柱塞在运动过程中在第一个迷宫槽内产生挤压膜效应,从而产生一部分承载力;而且,缸套柱塞工作端压力越高,挤压膜效应越明显,因此在系统中增加1.5MPa左右的单向阀,使缸套柱塞工作腔的压力整体提高1.5MPa以上,从原理上来说对减轻缸套柱塞的摩擦力也是有利的。
3.改进后的效果。由于缸套柱塞工作时内部压力变化很大,很难对挤压膜效应进行精确的计算,但根据实际使用情况看,改进后的缸套柱塞挤压膜效应还是比较明显的。分析结果如下:柱塞头部增加1mm的小孔,再在第一个迷宫槽内沿径向六小孔均匀发散,这必然增加缸套柱塞工作腔的死隙、缩短密封长度,从理论上讲必然延长充瓶时间;另增加一单向阀也必然整体提高缸套柱塞工作腔的压力,由压力增加引起缸套柱塞间的泄漏量增加,也需延长充瓶时间,这从泄漏量公式亦可知道。
改进后的液氧泵工作时缸套柱塞的δ比改进前有较大的缩小,由于δ值对泄漏的影响量是立方关系,0～10MPa时抵消了由于工作腔死隙增加引起的容积效率降低、密封长度降低和整体压力升高所引起的泄漏量增加。改进前后升压时间基本一致,高压时(10MPa以上)由于δ值进一步减少,δ值的影响大于工作腔死隙增加、密封长度缩短和压力整体升高的影响,因此改进后的液氧泵工作在高压时的泄漏量小于改进前,反映在充瓶时间缩短。根据以上可推断出改进后的缸套柱塞间液膜比改进前有较大的增加,可以提高缸套柱塞的工作寿命。
参考文献
[1]龚丽.浅谈低温液体泵常见故障处理及维护要点[J].中国新技术新产品，2017（16）.