新型柱塞泵拆卸工具的设计研制与应用分析

新型柱塞泵拆卸工具的设计研制与应用分析

胡鑫李超然

红塔集团大理卷烟厂，云南 大理 671000

摘要：本期内容主要是基于我厂使用的燃气锅炉的给水柱塞泵，柱塞泵电机带动三个柱塞将除氧水供给锅炉，同时利用填料保证柱塞与缸体之间的接触和密封性完好。柱塞的往复运动加剧了填料的磨损，因此需要定期更换填料。更换填料时，需要打开缸体的盖板，取出柱塞，由于盖板和柱塞之间的密封性较好，利用传统的拆卸工具打开盖板和取出柱塞耗费时间较长，拆卸过程中，缸体、柱塞和盖板等零件也会遭受不同程度的损伤。针对这些问题，我们明确了新型拆卸工具研发的必要性。新型工具需要具备简洁、高效、安全的特点，能够大幅度提升拆卸工作的效率，同时确保操作过程的安全性。为此，我们团队进行了深入的技术研发与创新，通过反复试验与优化设计，最终成功研制出了这款新型柱塞泵拆卸工具。该工具利用螺旋机构原理，便于控制，安全性能高，不易损伤密封盖板和柱塞，适应性强，具有较高的推广价值。

关键词：锅炉柱塞泵；填料；螺旋机构原理；拆卸效率

引言

随着工业、技术的发展，我国作为全世界工业门类最齐全，产业链最全面的国家。水泵作为工业生产中最常见、最通用的生产设备之一，而常见的离心泵、旋涡泵并不能满足所有的使用场景，还有很多的柱塞也被用于特定的生产情景。

柱塞泵作为一种容积式水泵，依靠柱塞推进水流，有着很高的能效，能实现较大的供水压力，而最重要的是柱塞泵能够实现流量的精确调节，也是被很多场景使用的原因。

但是柱塞泵也有噪音大，介质要求高的缺点，特别是要求定期更换密封、填料、柱塞缸，导致柱塞泵维护成本高。本期内容就着力于研究一种新型柱塞泵拆卸工具，旨在降低柱塞泵的维护难度，降低维护成本。

1 柱塞泵的现状

柱塞泵是一种容积式往复泵，由电机作为动力源，经过鼓形齿联轴器带动减速机转动。减速机带着曲轴旋转，然后通过曲柄连杆机构将旋转运动转变成柱塞的往复运动。当柱塞向后运动时，柱塞缸内的容积变大，此时供给介质被吸入柱塞缸内；当柱塞向前运动时，柱塞缸内的容积变小，此时供给介质被挤出柱塞泵，在单向阀的作用下，介质也不会回流。在多个柱塞的前后运动中，形成稳定的供给。

而正是由于柱塞频繁的往复运动、柱塞和其接触的材料、密封环和缸体的密封件都需要定期更换。为保证柱塞泵的密封性，各部件之间通常是紧密配合的，导致在维护保养的过程中又会缩短部分零件的寿命。目前柱塞泵厂家搭配的拆卸工具仅仅是一根带手柄的螺纹杆，用于旋转密封盖板和柱塞将其拉出，而往往仅靠人力不足以将其拉出，导致维护保养成本高、难度大、容易损坏零部件。

2 柱塞泵填料磨损成因及影响

2.1填料磨损成因探究

填料磨损是柱塞泵不得不面对的问题。填料磨损现象的成因主要是柱塞运动方式导致的，燃气锅炉的给水主要通过柱塞泵电机带动三个柱塞往复运动将除氧水打入锅炉盘管。柱塞在腔体内的往复运动与填料表面接触产生动摩擦，摩擦产生的热量和力都导致了填料的磨损。

柱塞泵的维护不当也是造成填料磨损的一个重要原因。维护不当会导致柱塞泵的各项功能不完善。

2.2 填料磨损对柱塞泵性能的影响

填料磨损对柱塞泵性能的影响主要表现在以下几个方面：

系统效率下降：当锅炉填料磨损时，由于腔体内密封性降低，给水效率降低，电能浪费增加，导致柱塞泵的整体给水效率下降。不仅使设备能耗增加，同时电机负荷也存在满载或过载隐患。

安全隐患增加：锅炉的填料磨损不仅对柱塞泵本身有影响，还会引发一系列安全隐患。例如，柱塞泵填料磨损可能导致设备漏水等。

柱塞泵磨损还可能引发设备事故，对工作人员安全造成威胁。因此，定期更换填料对于保障锅炉的安全运行至关重要。

3 柱塞泵拆卸装置的研制

就我们厂的实际情况而言，柱塞泵的供给介质是90℃以上的除氧水，更换柱塞泵填料必须先拆除柱塞泵，同时，需要先将泵前的给水管阀门关闭，再将阀门后端和泵内的除氧水排出。更换填料的时间一般选择锅炉在停产时，由于停产时间较短，通常只有24小时，在此期间，除氧水温度最多只能降到80多℃，温度也比较高，超过了人体能耐受的温度，对更换填料的修理人员来说也是一种体力、安全的考验。

由于更换填料需要打开缸体的盖板，取出柱塞，而盖板和柱塞的密封性很好，柱塞与填料的配合也十分紧密，传统拆卸工具无法直接打开和取出，只能借助敲击工具和撬棍，而这些工具会对缸体、柱塞和盖板等零件造成损伤，而且当盖板突然打开时，泵体内剩余的除氧水会突然流出，存在安全隐患。更换完填料后检查试机，如果发现泄漏等问题需要重新打开盖板，取出柱塞检查。

3.1 传统拆卸柱塞泵更换填料方法

图1 锅炉柱塞泵结构图

传统的拆卸步骤分为以下几步：

1、打开柱塞泵盖板，断开柱塞与联轴器的连接；2、拆除压板；3、取出密封盖板；4、从柱塞缸前端取出柱塞；5、柱塞缸后端取出填料压环填料及阻流环、固定圈，更换新的填料和阻流环（如果柱塞、固定环损坏也需换新）；6、更换填料后把柱塞泵安装好。

柱塞和密封盖板底部的螺纹孔可以旋入，但原有的拆卸工具人力不够将其拉出，从而导致在拆除密封盖板和柱塞的过程中花费太多时间，因此，从以下几个方面入手设计一种新的拆卸工具：

1、根据原始拆卸工具使用情况，分析受力点，改变受力点，减轻工作时的力；

2、利用所学力的知识对拉力、推力两种力进行深入分析、选择；

3、对原始拆卸工具进行新的设计。

3.2 新型柱塞泵拆卸装置的研制

3.2.1 目标可行性分析

根据对原有拆卸工具的结构分析，原拆卸机构为一根带手柄的单一螺纹杆件，受力较为分散，运动链较长，机械效率较低，需要较大工作量，所以需要改变拆卸工具的运动机构，增大拆卸工具的机械效率，减少修理人员劳动强度；同时还要考虑拆卸工具的外部结构，方便拆卸。因此考虑一种新的拆卸方式或研制一种新的拆卸工具。

经过实际情况考察后发现，由于在拆除密封盖板和柱塞的过程耗费了太多时间，只要有一种合理地拆除密封盖板和柱塞的方式，就可以将拆卸过程中的时间缩短，同时减少人员消耗，最终设计方向为：研制一种新的拆卸工具来进行柱塞泵填料更换。

3.2.2 设计原理

已经确定设计方向为：研制一种新的拆卸工具，设计思路为：1、拆卸工具受力均匀，方便控制；2、能尽量减少对密封盖板和阻塞的损伤，保持机械强度，减少损耗，提高其使用寿命；3、由于柱塞泵具有一定余温，还需保证操作安全，应具有较高安全性。

通过参考西北工业大学机械原理及机械零件教研室编写的《机械原理（第八版）》教材。对机械的运动原理相关内容进行查阅和学习，最终选中第十二章12-8的螺旋机构，结合书本及各个百科资料对螺旋机构进行了具体学习，同时参考螺旋机构案例：螺旋机构导程角大于当量摩擦角时，它也可以将直线运动转换为旋转运动。其优点如下：

1、利用扳手旋转螺母，通过旋转力矩放大拉力，使拆除省力；

2、拆除行程平顺，用力均匀稳定，拆除便捷；

3、螺旋机构能获得很大的减速比和力的增益，还具有自锁性，确保使用安全；

4、适用于功率不大的进给系统和微调装置中。

通过学习可以得出：1、螺旋机构由螺杆、螺母和机架组成；2、使用螺杆和螺母，并将其固定于柱塞泵上，螺旋机构原理将螺母旋转转化为螺杆的直线运动将密封盖板、柱塞依次拉出；3、螺旋机构能保证用力均匀，在拆卸过程中保持受力稳定，方便修理人员进行拆卸；4、螺旋机构的自锁性能提高拆卸工具的安全性，降低安全隐患；5、不易损伤密封盖板和柱塞。

3.2.3 构建密封盖板辅助拆卸工具模型

图1的设计的模型中有长、短两种螺纹杆，可以根据具体情况进行选择，拆除深处的部件（如柱塞）选取长螺纹杆，拆除不深的部件（如柱塞缸端盖）选取短螺纹杆。

图2 柱塞泵拆卸工具设计图

3.2.4 材料选择

确定方案后对拆卸工具主体材料、螺杆材料、螺母材料进行选择：

1、拆卸工具主体材料选择

初步选出三种材料并进行分析：

铝合金材料是现在工业应用最广泛的材料之一，以铝为基添加一定量其他合金化元素的合金，是轻金属材料之一。铝合金除具有铝的一般特性外，由于添加合金化元素的种类和数量的不同又具有一些合金的具体特性。铝合金的密度为2.63～2.85g/cm3，有较高的强度（σb为110～650MPa)，比强度接近高合金钢，比刚度超过钢，有良好的铸造性能和塑性加工性能，良好的导电、导热性能，良好的耐蚀性和可焊性，可作结构材料使用，在航天、航空、交通运输、建筑、机电、轻化和日用品中有着广泛的应用。

不锈钢根据国标中定义是以不锈、耐蚀性为主要特性，且铬含量至少为10.5%，碳含量最大不超过1.2%的钢。不锈钢是不锈耐酸钢的简称，耐空气、蒸汽、水等弱腐蚀介质或具有不锈性的钢种称为不锈钢；而将耐化学腐蚀介质（酸、碱、盐等化学浸蚀）腐蚀的钢种称为耐酸钢。就一般而言，不锈钢的硬度要高于铝合金，不锈钢的成本比铝合金要高。

铸铁是含碳量在2%以上的铁碳合金。普通铸铁加入适量合金元素（如硅、锰、磷、镍、铬、钼、铜、铝、硼、钒、锡等）获得。合金元素使铸铁的基体组织发生变化，从而具有相应的耐热、耐磨、耐蚀、耐低温或无磁等特性。用于制造矿山、化工机械和仪器、仪表等的零部件。

综合考虑成本、用途后得出结论：铸铁件具有优良的铸造性可制成复杂零件，一般有良好的切削加工性；另外铸铁具有耐磨性和消震性良好，价格低。因此选择铸铁作为拆卸工具主体材料。

2、螺杆材料选择

调质钢经适当的热处理以后可获得一定的韧性、塑性和耐磨性。

经调质后用于制造承受中等负荷及中等速度工作的机械零件，如汽车的转向节、后半轴以及机床上的齿轮、轴、蜗杆、花键轴、顶尖套等。

碳素结构钢硬度不高易切削加工；塑性、韧性较好；适用于制造动负载、冲击载荷不大以及要求耐磨性好的机械零件。

由于螺杆受力不大，工作时转速较低，故选用碳素结构钢。

3、螺母材料选择

铸铝青铜材料耐磨性较好，强度高，适用于重载、低速的传动。

铸锡青铜材料耐磨性较好，适用于一般传动。

该结构中螺母不存在重载，故选用铸锡青铜。

最终选择结果如下：拆卸工具主体材料为铸铁、螺杆材料为碳素结构钢、螺母材料铸锡青铜。

4 新型锅炉柱塞泵拆卸装置拆卸效率检查

新工具拆除密封盖板和柱塞的步骤：

（1）拆除压板上的螺母后拆下压板；

（2）装上拆卸工具主体，上螺母固定；

（3）将短螺杆旋入密封盖板的螺纹孔；

（4）用扳手顺时针旋转短螺杆上的螺母，就可将密封盖板拉出；

（5）取出密封盖板后用同样的方式装上拆卸工具，只是将短螺杆换为长螺杆旋转柱塞底部的螺纹孔；

（6）用扳手顺时针旋转长螺杆上的螺母，就可柱塞拉出，完成密封盖板和柱塞的拆卸工作。

图3 柱塞泵拆卸示意图

同理，拆卸保养结束后的安装过程中也可以将螺母装在拆卸工具的底部，反向旋转螺母，从而实现推入柱塞、压紧柱塞缸端盖的目的，减少安装过程中敲击工具的使用，避免损坏零部件和缸体。

机架上的四个孔的尺寸与固定柱塞泵压板的螺杆对应，拆除柱塞泵压板后可以将机架固定在柱塞泵上，而且使用本新型工具是将密封盖板缓慢拉出的，保证密封盖板打开时，高温除氧水不会突然流出，固定的支架也保证密封盖板不会突然弹出，对工作人员造成伤害。同时螺杆前端旋入密封盖板和柱塞的螺纹孔中，使用扳手在螺母上施加扭矩，将扭矩转化为螺杆的直线运动，由此带动将密封盖板、柱塞依次拉出，从而达到省力便捷的效果。

这套工具通过转动螺母从而带动螺栓的轴向运动从而可以很轻松地将密封盖板和柱塞取出，避免了使用撬棍和敲击工具，从而大大提高了以后的柱塞泵检修效率，也不会在拆卸过程中损害设备，而且在拆除时工具是安装固定在缸体上，也避免了密封盖板突然拆下，缸体内部残留的高温除氧水涌出对工作人员造成伤害。

5 结束语

通过研制一种新型柱塞泵拆卸装置的研究，可以有效地提高柱塞泵填料更换效率，避免了填料磨损带来的相关隐患。该成果可让相关行业在面临一些柱塞泵的维护问题时作为参考，促进相关技术的推广。

参考文献：

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[4]西北工业大学机械原理及机械零件教研室.《机械原理（第八版）》教材.第十二章12-8螺旋机构