摘 要：往復(fù)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(yàn)方式研究往復(fù)泵填料密封中盤根壓縮量與密封效果及使用壽命的關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果顯示，5%盤根壓縮量的填料密封每小時(shí)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(shí)現(xiàn)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(yàn)中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到泄漏量和摩擦力隨時(shí)間變化的擬合函數(shù)關(guān)系。利用該結(jié)論可對往復(fù)泵設(shè)計(jì)和裝配進(jìn)行指導(dǎo)，并在往復(fù)泵試驗(yàn)過程中對盤根密封泄漏量和盤根與柱塞之間的摩擦力進(jìn)行定量預(yù)估，以定量計(jì)算往復(fù)泵的容積效率損失情況。

關(guān)鍵詞：往復(fù)柱塞泵；盤根密封；壓縮量；摩擦力

中圖分類號：TH 136 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

往復(fù)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(tǒng)中，介質(zhì)壓力高，介質(zhì)清潔度底，導(dǎo)致柱塞密封壽命受到影響[1]。因此，當(dāng)前國內(nèi)研究主要側(cè)重于通過仿真[2]和試驗(yàn)[3]手段進(jìn)行填料密封性能提升和磨損壽命預(yù)測。

本文選擇了試驗(yàn)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(gè)參數(shù)直接關(guān)系到密封的性能和盤根的使用壽命。通過在試驗(yàn)系統(tǒng)中設(shè)置不同預(yù)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(shí)際影響。

對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)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(jié)果顯示，當(dāng)盤根壓縮量在其總厚度的5%時(shí)，既能夠滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對系統(tǒng)密封性能的要求，又能夠最小程度地?fù)p耗盤根。基于此結(jié)論，本文可以對往復(fù)高壓柱塞泵填料密封的設(shè)計(jì)和裝配工藝提供指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)方案

在試驗(yàn)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(yàn)設(shè)計(jì)了4個(gè)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(yàn)在高壓環(huán)境中進(jìn)行，設(shè)定介質(zhì)壓力為80MPa并隨時(shí)補(bǔ)壓，以保持試驗(yàn)壓力恒定。在試驗(yàn)過程中，密切監(jiān)控密封函的泄漏情況，通過量杯測量高壓介質(zhì)的泄漏量。同時(shí)，利用布置在柱塞末端的力傳感器監(jiān)測盤根與柱塞間的摩擦力，以評估其工作狀態(tài)。試驗(yàn)結(jié)束后，對盤根的磨損程度進(jìn)行詳細(xì)觀察，以期找到一個(gè)既能保證往復(fù)柱塞泵高壓密封的泄漏量在可接受范圍內(nèi)，又能盡量減少盤根損耗的理想壓縮量。

在試驗(yàn)的第二階段，基于第一階段得出的理想壓縮量進(jìn)行盤根密封壽命的長期測試。在給定試驗(yàn)條件下，持續(xù)進(jìn)行高壓盤根往復(fù)密封試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中持續(xù)監(jiān)測并記錄介質(zhì)泄漏量和盤根與柱塞之間的摩擦力變化。當(dāng)盤根的密封性能顯著下降且達(dá)到無法滿足密封要求時(shí)，試驗(yàn)終止。通過分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定將每小時(shí)泄漏量超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值時(shí)對應(yīng)的柱塞往復(fù)運(yùn)動總里程作為該壓縮量下盤根的預(yù)期使用壽命。

為了確保試驗(yàn)結(jié)果的實(shí)用性和可靠性，試驗(yàn)參數(shù)的設(shè)定參照了高壓清洗機(jī)供液單元中高壓往復(fù)柱塞泵的實(shí)際工作參數(shù)，并結(jié)合高壓清洗作業(yè)中的實(shí)際工況。具體參數(shù)見表1，這些參數(shù)的設(shè)定旨在模擬設(shè)備實(shí)際工作環(huán)境，從而得出的試驗(yàn)結(jié)果可以直接應(yīng)用于實(shí)際設(shè)備的優(yōu)化和改進(jìn)，為往復(fù)柱塞泵的設(shè)計(jì)和維護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

2 試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

柱塞填料密封試驗(yàn)工裝如圖1所示。該工裝是一個(gè)模擬真實(shí)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(diào)整墊片、3號盤根和4號填料函。在試驗(yàn)過程中，可通過在各組試驗(yàn)中安裝不同厚度的墊片，并擰緊填料函兩側(cè)的縮緊螺釘，精確地預(yù)緊填料密封中的盤根，從而調(diào)整盤根的壓縮量。試驗(yàn)中選取了4個(gè)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(tài)下的密封效果。

試驗(yàn)過程中，將80MPa壓力下的高壓介質(zhì)（純水）從填料函的正中心處序號5補(bǔ)壓孔注入填料函，并實(shí)時(shí)補(bǔ)壓，以保持密封系統(tǒng)壓力恒定。由曲柄連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動的柱塞按照預(yù)先設(shè)定的速度沿軸向進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動。當(dāng)高壓介質(zhì)試圖從柱塞與盤根之間的微小縫隙中泄漏時(shí)，這些泄漏的介質(zhì)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(xù)精確測量泄漏量。隨著試驗(yàn)的進(jìn)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(yàn)系統(tǒng)中，力傳感器安置在柱塞末端。在柱塞勻速運(yùn)行過程中，這個(gè)傳感器測量的柱塞拉壓力與柱塞和盤根之間產(chǎn)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(jiān)測傳感器的讀數(shù)，可以實(shí)時(shí)獲取柱塞與盤根之間摩擦力，并通過這一數(shù)據(jù)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(yàn)結(jié)果分析

3.1 盤根壓縮量試驗(yàn)

在盤根壓縮量試驗(yàn)中，分別采用前述各壓縮量進(jìn)行4組試驗(yàn)，80MPa下保壓試驗(yàn)1h。試驗(yàn)結(jié)束后分別記錄4組試驗(yàn)量杯中的介質(zhì)泄漏量。表2中記錄了試驗(yàn)1h后，不同壓縮量的4組試驗(yàn)下填料密封函介質(zhì)平均泄漏量。

試驗(yàn)結(jié)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(jìn)行試驗(yàn)后，拆開填料函所觀察到的盤根狀態(tài)。

試驗(yàn)中力傳感器實(shí)時(shí)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(zhì)檢的摩擦力大小和方向進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄。對記錄下來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，求出不同壓縮量下的每組試驗(yàn)中本小時(shí)內(nèi)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(yàn)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(dāng)壓縮量為0%時(shí)，即未對盤根施加任何預(yù)緊力，高壓介質(zhì)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(fā)生泄漏。此時(shí)，由于盤根與柱塞之間幾乎沒有摩擦力，因此在試驗(yàn)結(jié)束后，盤根的狀況基本保持不變，未出現(xiàn)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(yù)緊力對于提高填料密封的效能至關(guān)重要。在這種情況下，盤根與柱塞之間的摩擦力保持在一個(gè)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(nèi)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(shù)，從而保護(hù)了盤根免受過度磨損。

當(dāng)壓縮量進(jìn)一步增至10%時(shí)，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(dǎo)致被試件在試驗(yàn)過程中出現(xiàn)拉毛失效。盡管這種失效并不意味整個(gè)密封系統(tǒng)的失效，但它確實(shí)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(dāng)壓縮量達(dá)到15%時(shí)，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(shí)，盤根與柱塞之間的摩擦力也達(dá)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(dǎo)致盤根磨損破裂并失效。這表明雖該壓縮量能夠在短時(shí)間內(nèi)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(tǒng)的高效運(yùn)行和盤根的耐久性，必須謹(jǐn)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(gè)較理想的選擇。它不僅能夠在保證良好密封性的同時(shí)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(yàn)

在盤根壽命試驗(yàn)中，采用盤根壓縮量試驗(yàn)中確定的5%壓縮量繼續(xù)進(jìn)行盤根壽命試驗(yàn)，試驗(yàn)系統(tǒng)在80MPa壓力下保壓持續(xù)運(yùn)行并持續(xù)獲得試驗(yàn)數(shù)據(jù)。為了在后續(xù)相關(guān)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(jìn)行定量預(yù)估計(jì)算，將所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行函數(shù)擬合。

圖3中散點(diǎn)為所記錄的每小時(shí)填料密封泄漏量，曲線為使用冪函數(shù)制作泄漏量趨勢隨時(shí)間變化的擬合函數(shù)曲線。

根密封泄漏量隨時(shí)間變化的擬合函數(shù)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(shí)間。

圖4中散點(diǎn)表示試驗(yàn)中每小時(shí)記錄力傳感器數(shù)據(jù)，曲線為使用對數(shù)函數(shù)繪制盤根與柱塞間的摩擦力隨時(shí)間變化的擬合函數(shù)曲線。

盤根與柱塞間摩擦力隨時(shí)間變化的擬合函數(shù)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(shí)間。

試驗(yàn)進(jìn)行到46h，觀察到盤根再無密封效果，隨即終止試驗(yàn)。取出盤根后發(fā)現(xiàn)盤根磨損破裂完全失效。在整個(gè)試驗(yàn)過程中，柱塞累計(jì)往復(fù)運(yùn)行總里程17.5km。試驗(yàn)結(jié)果表明，在該工況下，盤根往復(fù)密封的總壽命為17.5km。

本次試驗(yàn)旨在利用盤根壓縮量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合試驗(yàn)推導(dǎo)的理論模型及擬合函數(shù)得出填料密封的設(shè)計(jì)參數(shù)，進(jìn)而指導(dǎo)填料密封的設(shè)計(jì)，并通過制造試驗(yàn)樣機(jī)來驗(yàn)證設(shè)計(jì)的有效性。使用本文試驗(yàn)所得出的盤根壓縮量指導(dǎo)填料密封設(shè)計(jì)并制造往復(fù)柱塞泵試驗(yàn)樣機(jī)，樣機(jī)及其試驗(yàn)測試系統(tǒng)如圖5所示。

試驗(yàn)樣機(jī)及試驗(yàn)系統(tǒng)搭建完成后，對包括泵壓力、流量等參數(shù)進(jìn)行測試，在本臺樣機(jī)后續(xù)的試驗(yàn)過程中，將用本次試驗(yàn)得到的泄漏量及摩擦力擬合函數(shù)定量計(jì)算往復(fù)泵容積效率及總效率的損失情況。

本次試驗(yàn)通過盤根壓縮量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)指導(dǎo)了填料密封的設(shè)計(jì)。搭建了后續(xù)驗(yàn)證工作的實(shí)驗(yàn)平臺，對往復(fù)泵的性能優(yōu)化和工程應(yīng)用具有重要意義。

4 結(jié)語

采用試驗(yàn)方法研究高壓清洗機(jī)中往復(fù)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(yàn)結(jié)果表明，盤根壓縮量在其總厚度的5%時(shí)，盤根可獲得密封效果與使用壽命的最佳平衡，當(dāng)使用5%壓縮量的盤根進(jìn)行實(shí)際工況下的密封壽命試驗(yàn)時(shí)，盤根往復(fù)密封的總壽命為17.5km，可利用該結(jié)論對往復(fù)泵填料密封的設(shè)計(jì)和裝配工藝進(jìn)行指導(dǎo)。

根據(jù)填料密封壽命試驗(yàn)中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別使用方差最小的擬合函數(shù)對盤根密封泄漏量和盤根與柱塞之間摩擦力隨時(shí)間變化的曲線進(jìn)行擬合，并給出擬合函數(shù)的方程?？衫帽敬卧囼?yàn)所獲得的擬合函數(shù)在后續(xù)往復(fù)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(jìn)行定量預(yù)估計(jì)算。

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