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低温泵缸套柱塞防磨损和提高密封性的措施

1 问题的提出
与新研制的KL-1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。经部门测定：氧气各项指标达到航空呼吸用氧的要求，氮气品质达到美军标关于导航系统用氮的要求。
但由于KL-1型制氧制氮车采用了与原KL-15型制氧制氮车*不同的流程，对低温泵的设计提出了更加高的要求：一是进液压力由原来的0．02MPa提高到了0．4MPa～0．8MPa，这样增加了活塞杆的密封长度，使得活塞杆与柱塞同心度要求提高，同样也会影响工作时缸套柱塞的配合情况；二是随着产量的提高，柱塞的直径也由原来的φ18mm变为φ20mm，柱塞重量相应增加了20g左右，导致工作时头部容易下坠，容易造成偏心、偏磨；三是KL-1型制氧制氮车采用返流膨胀流程，由液体工况向气体工况转换时，液体过冷度逐渐增加，因此低温泵刚工：作时工作条件不很理想，控制不好容易导致缸套柱塞的早期磨损。试制过程中曾多次发生短时间内(50～150小时)缸套柱塞磨损过度、打不上压力的问题。由于该成套设备以气体工况为主，如果缸套柱塞频繁磨损，势必影响设备的主要性能；同时缸套柱塞加工难度大、精度要求高、使用寿命短，必然增加设备的使用成本。

低温泵缸套柱塞防磨损和提高密封性的措施

2 低温液体泵缸套柱塞的理想工作状态及改进的理论依据
2．1 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*浸入液体中，对运动部件柱塞和缸套起润滑和冷却作用。
2.2 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zui大。泄漏量与间隙的立方成正比。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
△P——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，使缸套柱塞工作时与柱塞间产生液垫或气垫，减少磨损。
3 提高缸套柱塞内液体过冷度
3．1 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*依靠改进流程使进泵液体过冷度≥(24．6十10)℃显然是不可能实现的。可行的做法是在改进流程的同时，主要通过在泵出口部位加装2MPa左右的预加压装置，提高缸套柱塞工作腔的压力，使其工作时始终维持2MPa左右的压力，用增压的办法提高液体过冷度，保证缸套柱塞间的润滑条件。
3．2 具体措施
在zui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。
增加单向阀后，会增加缸：套柱塞工作端的压力，从而会对高压时充瓶速度产生一点影响，延长充瓶时间。但相对于不加装单向阀引起的磨损、泄漏增加，甚至报废，还是很值得的。
实际低温单向阀设{i—过程中，由于受安装尺寸所限，单向阀开启压力确定为1．5MPa。

低温泵缸套柱塞防磨损和提高密封性的措施

4 减少缸套与柱塞之间的泄漏量
4．1 具体措施
利用迷宫密封的原理，在柱塞上增开迷宫槽，流体流经一系列节流间隙与膨胀空腔组成的通道，使工作介质产生节流效应，以限制泄漏。使在磨损已产生的前提下，限制泄漏，能够继续使用一段时间，延长使用寿命。
4.2 使用效果
在液氧泵试制过程中，在已报废的四副缸套柱塞中的其中一副的工作端开了三道迷宫槽，这副缸套柱塞就比其它三副多工作了100小时左右，远远大于其它不开迷宫槽的缸套柱塞的使用寿命(50小时左右)。zui后测量配合间隙已达50μm，证明迷宫槽对控制泄漏还是十分有效的。
5 减小缸套与柱塞之间的摩擦力
5．1 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，要达到缸套柱塞磨损，就需压承压膜将工作柱塞*托在液体上，这样显然是不可能*实现的。但我们可以根据动力润滑膜产生压力的原理来改进缸套柱塞的结构，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。
5．2 具体措施
设计思路是在柱塞头部圆心开一φ1mm的小孔，再在*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*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*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。柱塞头部承载力产生后。根据杠杆原理，整根柱塞也能部分抬起来(不会*抬起来，因为此时挤压膜效应为0)。
5．3 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φ1mm的小孔，再在*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2．2节泄漏量公式亦可知道。但从改进前、后液氧泵充瓶时间比较(见表2)来看，改进后的液氧泵充瓶时不仅没增加时间，反而整体充瓶时间有所缩短，这说明每次工作时泄漏量反而减少，特别是高压时时间缩短比较明显，说明改进后的液氧泵工作时柱塞与缸套的偏心更小，这从泄漏量公式可得到答案。

表2 改进前、后液氧泵充瓶时间比较

注；均以新缸套柱塞工作时作比较，工作频率26Hz左右，钢瓶容积40L～42L，气氧工况。
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。
6 试验前后缸套柱塞磨损量比较
改进后的液氧泵在运行56小时。后，以40Hz快速充氮三瓶至15MPa(钢瓶容积41L)，时间分别为6分19秒、6分14秒、6分15秒，情况十分理想，拆检缸套柱塞，柱塞基本上不磨损，缸套磨损量3μm。而改进前液氧泵运行50小时后，缸套磨损量是30μm—50／μm。分