CN112796985A - 活塞往复泵缸套及活塞密封试验装置及活塞设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及活塞往复泵用缸套及活塞密封寿命检测技术领域，具体涉及一种活塞往复泵缸套及活塞密封试验装置及活塞设计方法。本发明包括缸套及液缸体；缸套筒腔内同轴设置活塞，活塞的背离液缸体的一端通过活塞杆连接动力源，活塞的面朝液缸体的一端向容纳腔处延伸有附加柱塞杆；本装置还包括冲次信号传感器和/或转速信号传感器。本装置既能完全模拟缸套与活塞密封作往复运动时的受力和运动状态，又能保证活塞在仅受很小轴向力的作用下以远小于正常活塞的驱动功率下完成其检测，可保证测试的准确性、高效化、快速化及智能化；本发明的另一个目的是提供一种基于上述活塞往复泵缸套及活塞密封试验装置的活塞设计方法，以确保装置快速高效运行。

Description

活塞往复泵缸套及活塞密封试验装置及活塞设计方法

技术领域

本发明涉及活塞往复泵用缸套及活塞密封寿命检测技术领域，具体涉及一种活塞往复泵缸套及活塞密封试验装置及活塞设计方法。

背景技术

由于寿命试验成本、验证方法等各种因素限制，绝大多数情况下尚无有效获得缸套及活塞密封使用寿命的方法与手段。目前，缸套及活塞密封的寿命数据多数通过现场测试法，或实物样机测试法等方法得到。

应用现场测试法全程借助于往复泵应用现场，利用泵使用现场具备的生产装置和便利条件，在流程生产用泵过程中，对泵配缸套及活塞密封的寿命及工作状态进行跟踪、记录并最终获得它们寿命测试数据。然而，流程应用现场的前提和目标是保障安全生产，缸套及活塞密封寿命测试只是附加任务。在实际生产过程中，生产工艺总是不停在变化，决定泵的运行工况(流量、压力、转速、温度、输送介质)也都在处于变化之中，导致测试过程的边界条件常偏离预设工况但又不能调整，测试结果不能客观反映特定工况的实际情况。甚至由于条件的制约，往往这种变化还缺乏有效的统计记录，分析数据时，缺乏必要的实际运行工况和运行边界条件作为变化分析基础。同时，由于受制于现场操作者专业能力、专业技术人员难以系统参与、现场生产型仪器设备精度不够等诸多因素的影响，增加了这种测试数据的不确定性。以至于很多时候，同一缸套及活塞密封在不同渠道下得到的试验数据差别很大，甚至有成倍的偏差。因此，许多通过这种方式获得的寿命数据，由于缺乏许多必要的前提支撑，仅能作为缸套实际寿命的参考，不能用来作为精细化生产和精确定量的寿命指标依据。此外，生产线意外停机检修会带来较大的经济损失。未经试验验证直接用于实际生产进行试验验证，很容易造成意外故障停机。因此多数情况下，未经试验验证的活塞—缸套往复密封是不允许直接在生产现场进行试验测试的。

实物样机测试法就是将装配有被试缸套的实物样机安装在专用试验台架系统上，在设计工况下，对泵进行连续性运转试验，测试泵配缸套的实际运行寿命。然而，实物样机测试法的劣势也极其明显：即高耗低效，对于大功率机组这种缺陷愈加明显。高耗方面，实物样机测试法需要将缸套及活塞密封装配在实物样泵中，在泵实际工况下连续运行，直至缸套损坏为止。以中等功率的315kW活塞泵为例，如果缸套寿命按时间2000h、电费率按0.75元/kW.h估算，试验电费约为：315*2000*0.75/10000＝47.25万元。以上估算仅是对1种缸套、1种工况，如果缸套需要进行多种工况的对比测试，将会产生更大的试验费用支出。此外，还有水费、庞大试验系统等建设费用，由此可见该测试方法需要巨额成本开支作为支撑。低效是指：由工程经验可知，往复泵活塞寿命一般在1～6个月左右，大泵缸套寿命相对短一点。如果大功率、原速试验，多数企业的测试能力仅能保证一台大泵试验，将导致大量的泵正常试验无法试验。因此实物样机测试法不仅试验数据获取周期长，企业也无法承担；此外，缸套生产企业也不具备稍大功率的测试条件。

发明内容

本发明的其中一个目的是克服上述现有技术的不足，提供一种结构合理而实用的活塞往复泵缸套及活塞密封试验装置，本装置既能完全模拟缸套与活塞密封作往复运动时的受力和运动状态，又能保证活塞在仅受很小轴向力的作用下以远小于正常活塞的驱动功率下完成其检测，可保证测试的准确性、高效化、快速化及智能化；本发明的另一个目的是提供一种基于上述活塞往复泵缸套及活塞密封试验装置的活塞设计方法，以确保装置快速高效运行。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种活塞往复泵缸套及活塞密封试验装置，其特征在于：包括缸套，缸套的一端布置液缸体，且液缸体的缸腔构成连通缸套筒腔的可供介质暂存的容纳腔，液缸体外壁处开设有连通容纳腔的带有进口阀的介质进口及带有出口阀的介质出口，介质经由介质进口进入并由介质出口流出；缸套筒腔内同轴设置活塞，活塞的背离液缸体的一端通过活塞杆连接动力源，活塞的面朝液缸体的一端向容纳腔处延伸有附加柱塞杆，液缸体缸壁上设置同轴孔，附加柱塞杆与所述同轴孔间构成孔轴插接式动密封关系；附加柱塞杆的直径小于活塞直径；

本装置还包括用于监控活塞往复运动次数的冲次信号传感器和/或监控动力源转轴转速的转速信号传感器；所述冲次信号传感器和/或转速信号传感器的信号输出端连通采集与控制模块的信号输入端。

优选的，所述液缸体外壁向缸套方向同轴凸设有套筒状的容纳函，缸套同轴布置在容纳函内壁与活塞外壁之间的函腔区域内，容纳函函口处布置缸体端盖，从而使得缸套两端分别抵紧于缸体端盖板面和容纳函函底处的止口上。

优选的，活塞上套设有用于配合缸套内壁的活塞密封环。

优选的，所述同轴孔内布置设置用于密封附加柱塞杆外壁与同轴孔孔壁之间间隙的填料，同轴孔两孔端均设置一组填料压盖；两组填料压盖彼此相向动作从而夹紧填料，填料压盖上开设有供附加柱塞杆同轴穿行的穿行孔。

优选的，本装置还包括连通介质进口及介质出口的介质循环组件；介质经由介质进口进入容纳腔后再由介质出口流出，并在活塞与附加柱塞杆形成的轴肩的泵压作用下依序经过压力信号传感器、第二温度信号传感器、压力调节阀后进入储液罐，储液罐内的介质则经由冷却模组及第一温度信号传感器后流入介质进口；压力信号传感器、第二温度信号传感器及第一温度信号传感器的信号输出端同样连通采集与控制模块的信号输入端。

优选的，介质出口与储液罐进口之间还布置有并联分支管路，并联分支管路上布置有起平衡水压作用的旁通阀。

优选的，储液罐上布置补液管，补液管上布置补液阀。

优选的，所述冷却模组为水冷换热器。

优选的，一种应用所述活塞往复泵缸套及活塞密封试验装置的活塞设计方法，其特征在于：

根据以下公式获得附加柱塞杆的杆体长度L＇与杆体直径D＇：

L′＝(1.5～2)S

D′＝(0.95～0.98)D

式中，S为活塞行程，D为活塞直径。

本发明的有益效果在于：

1)、由于缸套的磨损是活塞的往复运动造成的，但是正常状态下运行时，活塞承担着泵送介质的任务，因此需要与之相匹配的功率驱动其运动。故倘若采取某种形式的活塞，使其在对少量介质做功的情况下还能还原活塞在实际运行中与缸体表面的运动状态，则可以快速高效的对缸套及相应密封的寿命进行检测。

基于活塞往复泵的工作原理，以及“缸套及活塞密封的摩擦磨损主要与泵压、泵速及输送介质密切相关，而与泵送流量无关”这一原理。本发明创造性地设计了阶梯型的轴向贯通的减小容积变化式的柱塞活塞组合往复运动机构；通过上述结构，本发明既能完全模拟缸套与活塞密封作往复运动时的受力和运动状态，又能保证活塞在仅受很小轴向力的作用下以远小于正常活塞的驱动功率下完成其检测。

本发明已在全自动测试系统、关键参数自纠错系统的辅助下进行了缸套寿命的现场测试；实践证明，本发明具备节能高效的工作特点，可保证寿命测试的准确、可靠、快速及自动化进行。

附图说明

图1为本发明的工作状态剖视图。

本发明各标号与部件名称的实际对应关系如下：

a-缸套 b-活塞

11-活塞杆 12-附加柱塞杆 13-活塞密封环

20-液缸体

21-介质进口 21a-进口阀 22-介质出口 22a-出口阀

23-同轴孔 24-容纳函 25-缸体端盖

31-冲次信号传感器 32-转速信号传感器 33-采集与控制模块

34-压力信号传感器 35-第二温度信号传感器

36-第一温度信号传感器

40-动力源 51-填料 52-填料压盖

61-压力调节阀 62-储液罐 63-冷却模组

64-旁通阀 65-补液阀

具体实施方式

为便于理解，此处对本发明的具体结构及工作方式作以下进一步描述：

本发明的具体实施例结构参照图1所示，检测对象为图中的缸套a以及活塞b。本发明主要结构包括三大部分，也即活塞运动组件、介质循环组件以及采集控制组件。其中：

一、活塞运动组件

活塞运动组件包括被测试的活塞，在被测试的活塞b的前端部分设置附加柱塞杆12，形成阶梯型轴体结构；被测试的缸套a与活塞b配合形成主密封结构，附加柱塞杆12与填料51及液缸体20形成副密封结构。主密封结构，也即需要试验的缸套a与活塞b及活塞密封环13，其结构、尺寸等完全按被测试泵的实际产品结构尺寸，确保缸套a与活塞b及活塞密封环13形成的密封的运动形式与实际相符。缸套a塞入液缸体20的容纳函25内，并通过缸体端盖25固定使之无滑移。副密封结构由填料压盖52、填料51与液缸体20处同轴孔23配合组成，主要用来密封附加柱塞杆12，确保配合部位无介质泄漏即可。

由于轴向是一个贯通式容纳腔且附加柱塞杆12配合在液缸体20的同轴孔23处，因此可使得附加柱塞杆12的杆体端面无法对介质做功。相较于传统泵腔，活塞b真正对介质做功的部分只有活塞b与附加柱塞杆12所形成的轴肩部位，这大大减小了泵送流量，从而起到降低泵配功率与活塞轴向力的效果，最终达到在较小功率下对缸套a及活塞密封进行检测试验的目的。

进一步的，活塞b的驱动端可考虑采用通用的往复泵动力端形式即曲柄连杆结构，将如电动机或柴油机等动力源40输出的旋转运动转换为活塞的往复运动，再传递至作为驱动端的活塞杆11上，动力源40转速可调。由于驱动力只要提供克服缸套a与活塞b密封运动的摩擦力以及对少量介质做功的功率和强度即可，所以动力源40的动力通常可以在一定范围内用于多种型号缸套a及活塞密封的试验驱动。同时，由于驱动力小，只要适当提高驱动功率就可实现活塞高速往复运动，可达实际运行泵速的5～10倍，从而有效的提高试验效率。

由上可知，本发明的核心就是将试验活塞b搭配附加柱塞杆12，从而设计成阶梯型柱塞活塞组合结构，通过减小做功面积来降低功率与轴向力，因此柱塞活塞组合结构参数设计就显得尤为重要。

以L和D为被测的缸套a长度和活塞直径，L＇和D＇为附加柱塞杆长度和直径。上述参数中需要确定的是附加柱塞杆的长度L＇与直径D＇，取值如下所述：

L′＝(1.5～2)S

D′＝(0.95～0.98)D

式中，S为活塞行程，参数的取值对于小功率泵取小值，大功率泵取大值。此时，原活塞泵送理论流量Q和本发明的阶梯式柱塞活塞组合结构的泵送流量Q1分别为：

现假设对某一活塞，取D＇＝0.95D，由此可以发现本发明的泵送流量仅不到原活塞泵送流量的10％；相应地，泵配功率与轴向活塞力也不到原泵的10％，这显然在达到试验需求的前提下，大大降低试验所需功率与驱动端强度要求。

二、介质循环组件

介质循环组件主要由循环管路、压力调节阀61、储液罐62、冷却模组63也即水冷换热器等部件组成。由于活塞b在容纳腔内的往复运动使得腔体内的容积发生变化，当容纳腔内容积逐渐变大时，介质进口21处进口阀21a开启，介质出口22处出口阀22a关闭，从而使得介质通过介质进口21被吸入容纳腔内；反之，当容纳腔内容积逐渐变小时，介质进口21处进口阀21a关闭，介质出口22处出口阀22a开启，从而使得介质通过介质出口22排出容纳腔。通过压力调节阀61可调节液缸体20也即泵的出口压力，使其出口背压符合实际工况下的压力。液缸体20的进出口管路均连接在储液罐62中，使得介质可以被循环使用。由于活塞b在运动过程中会产生大量的热能使得介质温度升高，因此需要在储液罐62中接入冷却模组63，也即如图1所示的水冷换热器，对介质进行冷却，以确保介质的物态属性与实际情况相符，从而降低试验误差。

介质循环组件是本发明的通用系统，一般设计一到两组基本可以满足所有试验需要。

三、采集与控制组件

采集与控制组件是本发明的电气与自动控制部分，主要由数据采集子系统和电力拖动及自动控制子系统两部分组成。

数据采集子系统主要包括压力信号传感器34、第一温度信号传感器36、第二温度信号传感器35、冲次信号传感器31、转速信号传感器32等多个传感器和采集与控制模块33等构成。电力拖动及自动控制子系统主要有变频调节器、电控柜、电气元件执行器等组成。

采集与控制组件是通用系统，一套系统通过简单修正某些设计参数，基本也可以满足所有试验需要。

实际工作时，系统压力、介质温度、冲次等试验数据由采集与控制模块33来采集并控制；系统压力由压力信号传感器34采集，并通过控制压力调节阀61来确保压力始终能调整到试验需要压力。由于泵在运行中可能存在压力波动的情况，因此规定一个压力值偏差，当采集压力值大于该偏差值时，报警停车分析差值原因，解决问题后继续试验。

试验介质温度由第一温度信号传感器36和第二温度信号传感器35测得，第一温度信号传感器36永远小于第二温度信号传感器35。两者温度都不能高于活塞b的试验要求温度，当两者温度高于要求温度时，通过水冷换热器来调节保证第一温度信号传感器36和第二温度信号传感器35的平均值满足试验介质要求温度。

通过两组冲次信号传感器31来记录活塞b的往复运行次数，活塞b在缸套a上的往复运行次数是缸套a寿命的最直接体现。一般情况下，表征零件寿命的参数是时间，在这里，时间即是活塞b在缸套a表面往复次数的累积，在活塞-缸套密封副未失效之前，活塞b在缸套a表面往复的次数越多，则缸套a的使用寿命就越长，因此测得缸套a失效前活塞往复次数即可获得其寿命数据。

本发明通过冲次信号来记录活塞b的往复次数并累计，此信号非常关键，不容出错，本发明采用同源异源双比对方法进行自校纠错：活塞b的起始位置安装两个同源的冲次信号传感器31，测量记录活塞b往复次数作为试验有效冲次数并自检；在与活塞b连接无减速低速旋转处安装转速信号传感器32，转速信号传感器32可转换成冲次信号，与冲次信号传感器31异源，将其记录并与冲次信号传感器31的记录进行对比，以相互校验。

动力源40采用变频驱动方式，转速可调，活塞b每单位时间内的往复次数亦随之变化。由于本发明的二段阶梯式的活塞b的结构设计方式，使得本发明的活塞b所需要的功率及轴向力较原始活塞大大降低，因此可以在原始活塞寿命的转速基础上相应提高泵的转速，从而减少试验所需时间。甚至在必要时，可同时对两个相同的活塞-缸套结构进行相同或不同对比试验，以增加试验的透明度，降低试验的偶然性。

综上可知，本发明相对于传统的缸套a寿命实验方式，存在以下优点：

1)节能减耗

本发明采用阶梯型柱塞活塞组合结构形式，在完全模拟缸套及活塞密封实际工作状态情况下，介质排量大大减少，驱动活塞运动的功率与活塞所受轴向力大幅下降，极大降低了试验所需能耗和介质用量，实现节能减耗。

2)试验周期短

本发明使得活塞运动所需要的功率及轴向力大大降低，因此能大幅提高试验转速，极大缩短缸套及活塞密封试验并快速获得寿命数据，缩短试验周期，节省时间成本。

3)智能化程度高

本发明试验边界条件通过数据控制系统自动控制，试验记录自动记录、自动控制，消除了人为因素干扰，符合企业面向智能化转型需求。

4)精确度高

本发明试验系统中，关键数据如压力、往复次数等都采用多参数相互校验，保证试验边界始终处于设计状态，确保试验条件的一致性和试验数据的准确，提高了试验准确性。

本发明结构设计便于同时无差别多组缸套—活塞试验，无差别同时获得多样本数据，便于对试验结果准确性进行进一步甄别，提高试验准确性的实际效果。

由于成本低，实现容易，更便于广泛开展针对性、多样性试验，可以针对诸多影响缸套及活塞密封寿命因素进行针对性试验，使得不同种缸套寿命数据更为精准。

5)实用性超强，便于实现推广

综上，本发明的试验系统，便于更低成本、更高效、更快速、更广泛的试验开展，便于柱缸套及活塞密封生产企业、整泵生产企业装备该系统，为缸套及活塞密封试验大规模开展带来可能，为多种缸套及活塞密封的科研带来方便，可快速、大幅提高缸套及活塞密封的可靠性，进而提高整体设备的使用寿命。

实践可知，本发明节能80％以上，同时能将原试验周期缩短至原周期的20％以内，成效极为显著。

当然，以上为本发明的其中一种具体的实施例。实际操作时，对作为动力源的变频电机的动力结构进行常规性替换，如将齿轮齿条机构来取代曲柄摇杆结构，使用活塞缸来取代变频电机等；以及对主缸及夹紧板的外形作适应性变化，对常用电学件作常规性的替换，甚至将本发明的方案常规性的辐射至相邻的缸体寿命测试领域等等，这类在已知本发明的技术方案的基础上所作的常规变化，均应当作为等同或相似设计而落入本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种活塞往复泵缸套及活塞密封试验装置，其特征在于：包括缸套(a)，缸套(a)的一端布置液缸体(20)，且液缸体(20)的缸腔构成连通缸套(a)筒腔的可供介质暂存的容纳腔；缸套(a)筒腔内同轴设置活塞(b)，活塞(b)的背离液缸体(20)的一端通过活塞杆(11)连接动力源(40)，活塞(b)的面朝液缸体(20)的一端向容纳腔处延伸有附加柱塞杆(12)，液缸体(20)缸壁上设置同轴孔(23)，附加柱塞杆与所述同轴孔(23)间构成孔轴插接式动密封关系；附加柱塞杆(12)的直径小于活塞(b)直径；

本装置还包括用于监控活塞(b)往复运动次数的冲次信号传感器(31)和/或监控动力源(40)转轴转速的转速信号传感器(32)；所述冲次信号传感器(31)和/或转速信号传感器(32)的信号输出端连通采集与控制模块(33)的信号输入端。

2.根据权利要求1所述的一种活塞往复泵缸套及活塞密封试验装置，其特征在于：所述液缸体(20)外壁向缸套方向同轴凸设有套筒状的容纳函(24)，缸套(a)同轴布置在容纳函(24)内壁与活塞(b)外壁之间的函腔区域内，容纳函(24)函口处布置缸体端盖(25)，从而使得缸套(c)两端分别抵紧于缸体端盖(25)板面和容纳函(24)函底处的止口上。

3.根据权利要求1所述的一种活塞往复泵缸套及活塞密封试验装置，其特征在于：活塞(b)上套设有用于配合缸套(a)内壁的活塞密封环(13)。

4.根据权利要求1所述的一种活塞往复泵缸套及活塞密封试验装置，其特征在于：所述同轴孔(23)内布置设置用于密封附加柱塞杆(12)外壁与同轴孔(23)孔壁之间间隙的填料(51)，同轴孔(23)两孔端均设置一组填料压盖(52)；两组填料压盖(52)彼此相向动作从而夹紧填料(51)，填料压盖(52)上开设有供附加柱塞杆(12)同轴穿行的穿行孔。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的一种活塞往复泵缸套及活塞密封试验装置，其特征在于：液缸体(20)外壁处开设有连通容纳腔的带有进口阀(21a)的介质进口(21)及带有出口阀(22a)的介质出口(22)，介质经由介质进口(21)进入并由介质出口(22)流出；本装置还包括连通介质进口(21)及介质出口(22)的介质循环组件；介质经由介质进口(21)进入容纳腔后再由介质出口(22)流出，并在活塞(b)与附加柱塞杆(12)形成的轴肩的泵压作用下依序经过压力信号传感器(34)、第二温度信号传感器(35)、压力调节阀(61)后进入储液罐(62)，储液罐(62)内的介质则经由冷却模组(63)及第一温度信号传感器(36)后流入介质进口(21)；压力信号传感器(34)、第二温度信号传感器(35)及第一温度信号传感器(36)的信号输出端同样连通采集与控制模块(33)的信号输入端。

6.根据权利要求4所述的一种活塞往复泵缸套及活塞密封试验装置，其特征在于：介质出口(22)与储液罐(62)进口之间还布置有并联分支管路，并联分支管路上布置有起平衡水压作用的旁通阀(64)。

7.根据权利要求4所述的一种活塞往复泵缸套及活塞密封试验装置，其特征在于：储液罐(62)上布置补液管，补液管上布置补液阀(65)。

8.根据权利要求4所述的一种活塞往复泵缸套及活塞密封试验装置，其特征在于：所述冷却模组(63)为水冷换热器。

9.一种应用如权利要求1所述活塞往复泵缸套及活塞密封试验装置的活塞设计方法，其特征在于：

根据以下公式获得附加柱塞杆(12)的杆体长度L＇与杆体直径D＇：

L′＝(1.5～2)S

D′＝(0.95～0.98)D

式中，S为活塞(b)行程，D为活塞(b)直径。

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