通过试验方法研究往复柱塞泵盘根密封的压缩量

摘 要：往复柱塞泵高压液力端密封性能直接影响其工作效率和使用寿命。本文通过试验方式研究往复泵填料密封中盘根压缩量与密封效果及使用寿命的关系。试验结果显示，5%盘根压缩量的填料密封每小时泄漏12mL，盘根与柱塞间平均摩擦力约为69.9N。这种盘根压缩量既实现了良好的液力密封效果，又保持了较小的盘根损耗，可平衡密封效果与使用寿命。通过处理寿命试验中的试验数据得到泄漏量和摩擦力随时间变化的拟合函数关系。利用该结论可对往复泵设计和装配进行指导，并在往复泵试验过程中对盘根密封泄漏量和盘根与柱塞之间的摩擦力进行定量预估，以定量计算往复泵的容积效率损失情况。

关键词：往复柱塞泵；盘根密封；压缩量；摩擦力

中图分类号：TH 136 文献标志码：A

往复柱塞泵液力端柱塞密封通常采用填料密封形式，但在高压清洗系统中，介质压力高，介质清洁度底，导致柱塞密封寿命受到影响[1]。因此，当前国内研究主要侧重于通过仿真[2]和试验[3]手段进行填料密封性能提升和磨损寿命预测。

本文选择了试验方法研究填料密封的泄漏量和盘根与柱塞间的摩擦力，这2个参数直接关系到密封的性能和盘根的使用寿命。通过在试验系统中设置不同预紧力（即不同的盘根压缩量）来深入了解不同盘根压缩量对密封性能和密封使用寿命的实际影响。

对试验数据进行详细记录和分析后，本文评估了不同盘根压缩量下填料密封的性能。结果显示，当盘根压缩量在其总厚度的5%时，既能够满足行业标准对系统密封性能的要求，又能够最小程度地损耗盘根。基于此结论，本文可以对往复高压柱塞泵填料密封的设计和装配工艺提供指导。

1 试验方案

在试验的第一阶段，本研究专注于盘根的压缩量对其密封性能和耐用性的影响。这一部分试验设计了4个不同的压缩量等级，分别是盘根总厚度的0%、5%、10%和15%，以探究在不同压缩程度下盘根的密封效果。试验在高压环境中进行，设定介质压力为80MPa并随时补压，以保持试验压力恒定。在试验过程中，密切监控密封函的泄漏情况，通过量杯测量高压介质的泄漏量。同时，利用布置在柱塞末端的力传感器监测盘根与柱塞间的摩擦力，以评估其工作状态。试验结束后，对盘根的磨损程度进行详细观察，以期找到一个既能保证往复柱塞泵高压密封的泄漏量在可接受范围内，又能尽量减少盘根损耗的理想压缩量。

在试验的第二阶段，基于第一阶段得出的理想压缩量进行盘根密封寿命的长期测试。在给定试验条件下，持续进行高压盘根往复密封试验，试验过程中持续监测并记录介质泄漏量和盘根与柱塞之间的摩擦力变化。当盘根的密封性能显著下降且达到无法满足密封要求时，试验终止。通过分析试验数据，确定将每小时泄漏量超过标准规定值时对应的柱塞往复运动总里程作为该压缩量下盘根的预期使用寿命。

为了确保试验结果的实用性和可靠性，试验参数的设定参照了高压清洗机供液单元中高压往复柱塞泵的实际工作参数，并结合高压清洗作业中的实际工况。具体参数见表1，这些参数的设定旨在模拟设备实际工作环境，从而得出的试验结果可以直接应用于实际设备的优化和改进，为往复柱塞泵的设计和维护提供科学依据。

2 试验装置设计

柱塞填料密封试验工装如图1所示。该工装是一个模拟真实工况的测试装置，用于研究柱塞与盘根之间的密封性能。该工装的核心部件包括1号柱塞、2号调整垫片、3号盘根和4号填料函。在试验过程中，可通过在各组试验中安装不同厚度的垫片，并拧紧填料函两侧的缩紧螺钉，精确地预紧填料密封中的盘根，从而调整盘根的压缩量。试验中选取了4个不同的压缩量等级，分别是盘根总厚度的0%、5%、10%和15%，以全面评估不同压缩状态下的密封效果。

试验过程中，将80MPa压力下的高压介质（纯水）从填料函的正中心处序号5补压孔注入填料函，并实时补压，以保持密封系统压力恒定。由曲柄连杆机构驱动的柱塞按照预先设定的速度沿轴向进行往复运动。当高压介质试图从柱塞与盘根之间的微小缝隙中泄漏时，这些泄漏的介质会从序号1柱塞与填料函端盖之间的间隙流出，并被放置在填料函末端的量杯所捕获，以便后续精确测量泄漏量。随着试验的进行，盘根的磨损情况加剧，盘根与柱塞间的间隙也会增大，柱塞密封的泄漏量也会逐渐增大。

在试验系统中，力传感器安置在柱塞末端。在柱塞匀速运行过程中，这个传感器测量的柱塞拉压力与柱塞和盘根之间产生的摩擦力互相平衡，因此可以用该传感器所测拉压力来检测测量柱塞与盘根间的摩擦力。通过监测传感器的读数，可以实时获取柱塞与盘根之间摩擦力，并通过这一数据衡量盘根磨损情况。随着盘根磨损情况的加剧，柱塞与盘根间的摩擦力大小也逐步减小。

3 试验结果分析

3.1 盘根压缩量试验

在盘根压缩量试验中，分别采用前述各压缩量进行4组试验，80MPa下保压试验1h。试验结束后分别记录4组试验量杯中的介质泄漏量。表2中记录了试验1h后，不同压缩量的4组试验下填料密封函介质平均泄漏量。

试验结束后拆开密封函工装，分别取出每组填料函中的盘根并记录其损坏情况。图2记录了采用不同的盘根压缩量进行试验后，拆开填料函所观察到的盘根状态。

试验中力传感器实时记录的拉压力与柱塞与盘根间的摩擦力为一对平衡力，因此可以利用力传感器对柱塞与盘根质检的摩擦力大小和方向进行实时记录。对记录下来的数据进行处理，求出不同压缩量下的每组试验中本小时内柱塞盘根间的平均摩擦力。表3记录了不同压缩量的各组试验中盘根与柱塞之间的平均摩擦力大小。

通过表2、表3以及图2可以得出不同压缩量对高压填料密封性能的影响。

当压缩量为0%时，即未对盘根施加任何预紧力，高压介质由于缺乏足够的压力将盘根紧密压在柱塞表面，因此能够直接穿过盘根间隙发生泄漏。此时，由于盘根与柱塞之间几乎没有摩擦力，因此在试验结束后，盘根的状况基本保持不变，未出现任何磨损或损伤。

随着压缩量的逐渐增加至5%，泄漏量显著下降。这表明适量的预紧力对于提高填料密封的效能至关重要。在这种情况下，盘根与柱塞之间的摩擦力保持在一个较低的水平，这不仅有利于减少盘根的磨损，而且还有助于延长其使用寿命。此外，由图2（b）可以清楚地看到，被试盘根内圈沾染了一些可擦除的石墨。这些石墨作为固体润滑剂，有效地降低了摩擦系数，从而保护了盘根免受过度磨损。

当压缩量进一步增至10%时，虽然泄漏量仍然保持在较低水平，但盘根与柱塞之间的摩擦力显著增大。由图2（c）可知，这种增加的摩擦力导致被试件在试验过程中出现拉毛失效。尽管这种失效并不意味整个密封系统的失效，但它确实表明在这种压缩量下，盘根的寿命和可靠性会受到一定影响。

当压缩量达到15%时，填料密封的泄漏量几乎降为零，显示出极佳的密封效果。然而与此同时，盘根与柱塞之间的摩擦力也达到了非常高的水平。由图2（c）可知，这种高摩擦力加速了盘根的磨损过程，导致盘根磨损破裂并失效。这表明虽该压缩量能够在短时间内提供极佳的密封效果，但过大的摩擦力也会加粗盘根磨损，从而缩短其使用寿命。

综上所述，为了确保高压填料密封系统的高效运行和盘根的耐久性，必须谨慎选择合适的压缩量。综合考虑密封效果和盘根磨损情况后可见，5%的压缩量是一个较理想的选择。它不仅能够在保证良好密封性的同时减少盘根的磨损程度，而且还有助于延长其使用寿命。

3.2 盘根寿命试验

在盘根寿命试验中，采用盘根压缩量试验中确定的5%压缩量继续进行盘根寿命试验，试验系统在80MPa压力下保压持续运行并持续获得试验数据。为了在后续相关研究过程中对盘根密封泄漏量和盘根与柱塞之间的摩擦力进行定量预估计算，将所得试验数据进行函数拟合。

图3中散点为所记录的每小时填料密封泄漏量，曲线为使用幂函数制作泄漏量趋势随时间变化的拟合函数曲线。

根密封泄漏量随时间变化的拟合函数方程如公式（1）所示。

y=8.9823x0.3657 （1）

式中：y为盘根密封泄漏量；x为时间。

图4中散点表示试验中每小时记录力传感器数据，曲线为使用对数函数绘制盘根与柱塞间的摩擦力随时间变化的拟合函数曲线。

盘根与柱塞间摩擦力随时间变化的拟合函数方程如公式（2）所示。

y=-1.613ln（x）+65.854 （2）

式中：y为盘根与柱塞间的摩擦力；x为时间。

试验进行到46h，观察到盘根再无密封效果，随即终止试验。取出盘根后发现盘根磨损破裂完全失效。在整个试验过程中，柱塞累计往复运行总里程17.5km。试验结果表明，在该工况下，盘根往复密封的总寿命为17.5km。

本次试验旨在利用盘根压缩量的试验数据，结合试验推导的理论模型及拟合函数得出填料密封的设计参数，进而指导填料密封的设计，并通过制造试验样机来验证设计的有效性。使用本文试验所得出的盘根压缩量指导填料密封设计并制造往复柱塞泵试验样机，样机及其试验测试系统如图5所示。

试验样机及试验系统搭建完成后，对包括泵压力、流量等参数进行测试，在本台样机后续的试验过程中，将用本次试验得到的泄漏量及摩擦力拟合函数定量计算往复泵容积效率及总效率的损失情况。

本次试验通过盘根压缩量的试验数据指导了填料密封的设计。搭建了后续验证工作的实验平台，对往复泵的性能优化和工程应用具有重要意义。

4 结语

采用试验方法研究高压清洗机中往复柱塞泵液力端柱塞填料密封最适合的盘根压缩量和在最适合压缩量下的盘根密封使用寿命，试验结果表明，盘根压缩量在其总厚度的5%时，盘根可获得密封效果与使用寿命的最佳平衡，当使用5%压缩量的盘根进行实际工况下的密封寿命试验时，盘根往复密封的总寿命为17.5km，可利用该结论对往复泵填料密封的设计和装配工艺进行指导。

根据填料密封寿命试验中的试验数据，分别使用方差最小的拟合函数对盘根密封泄漏量和盘根与柱塞之间摩擦力随时间变化的曲线进行拟合，并给出拟合函数的方程。可利用本次试验所获得的拟合函数在后续往复柱塞泵填料密封研究过程中对盘根密封泄漏量和盘根与柱塞之间的摩擦力进行定量预估计算。

参考文献

[1]杨学淳.工程机械整机清洗工艺探讨[J].现代涂装，2015，18（2）：66-67.

[2]孔丽娟.基于ABAQUS的柱塞泵盘根压环结构优化研究[J].石油和化工设备，2016，19（4）：17-19.

[3]王继光，刘建平，冯雁，等.一种高碳纤维盘根弹性变形曲线与摩擦系数测试试验的研究[J].现代制造技术与装备，2020（3）49-50.