單螺桿泵定子的改進(jìn)文獻(xiàn)綜述

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單螺桿泵定子的改進(jìn)文獻(xiàn)綜述

摘要：?jiǎn)温輻U泵性能優(yōu)越，被廣泛應(yīng)用于食品、冶金、造紙、印染、化工、化肥、制藥等工業(yè)部門，而定子在單螺桿泵中具有特殊的地位和作用，成為影響單螺桿泵使用的一個(gè)關(guān)鍵元件。本文主要論述了單螺桿泵定子的幾項(xiàng)改進(jìn)措施，包括等壁厚定子、金屬定子、高性能橡膠定子。
關(guān)鍵字：常規(guī)螺桿泵定子  等壁厚定子  金屬定子  定子橡膠性能的改進(jìn)  
單螺桿泵是一種內(nèi)嚙合偏心回轉(zhuǎn)的容積泵。泵的主要構(gòu)件：一根單頭螺旋的轉(zhuǎn)子和一個(gè)通常用彈性材料制造的具有雙關(guān)螺旋的定子。定子與轉(zhuǎn)子相嚙合形成密封腔，并且當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，這個(gè)密封腔沿軸向發(fā)生運(yùn)移，從而將其中的流體泵送出去。定子有雙頭內(nèi)螺紋，定子的導(dǎo)程為轉(zhuǎn)子螺距的2倍，它是金屬殼體內(nèi)襯橡膠作彈性材料制成的[1]。定子是螺桿泵結(jié)構(gòu)中的易損件，它的工作性能對(duì)螺桿泵的工作狀況有很大的影響。目前單螺桿泵定子的改進(jìn)主要有以下幾種：

一、等壁厚定子
常規(guī)螺桿泵定子是由丁腈橡膠澆鑄在鋼體泵筒內(nèi)形成的，襯套內(nèi)表面是厚薄不均的雙螺旋曲面，工作時(shí)橡膠最厚的部分，熱量容易聚集，使橡膠襯套發(fā)生物理、化學(xué)變化，導(dǎo)致定子過早失效；另外，橡膠襯套各處的溶脹[2]也不相同，由此改變了定子、轉(zhuǎn)子良好嚙合作用，降低了泵的工作效率。
等壁厚定子螺桿泵以金屬取代常規(guī)定子薄厚不均的橡膠基體，或采用成型工藝使定子外觀呈螺旋扭曲狀，僅在內(nèi)腔周圍的金屬表面保留一層薄的橡膠。可以解決現(xiàn)有的螺桿泵定子同一截面內(nèi)膨脹量不同導(dǎo)致泵效低、啟動(dòng)力矩大及抽油桿易斷脫的問題。
1、與常規(guī)定子螺桿泵相比，等壁厚定子螺桿泵有以下優(yōu)勢(shì)[3]：
(1).良好的散熱特性，延長(zhǎng)了螺桿泵的工作壽命
等壁厚定子螺桿泵熱生成較少，并具有更加優(yōu)良的散熱能力，同時(shí)采用等壁厚空心轉(zhuǎn)子匹配，減小了轉(zhuǎn)子對(duì)定子橡膠的側(cè)向擠壓力，從而使定子的損壞明顯減少，延長(zhǎng)了泵的工作壽命，降低了作業(yè)費(fèi)用。
(2).均勻的橡膠膨脹，提高了泵的工作穩(wěn)定性
由于橡膠層厚度均勻，可實(shí)現(xiàn)較高的加大精度，泵工作時(shí)，在油和熱效應(yīng)的作用下，橡膠膨脹也均勻，更便于配泵。
(3).單級(jí)承壓高,提高了系統(tǒng)效率
螺桿泵是靠定子和轉(zhuǎn)子的過盈來保證泵效和排量的，過盈大，則摩擦阻力大，傳動(dòng)功率損失就大。而均勻壁厚的橡膠層在動(dòng)態(tài)過程中抵抗變形的能力好，單級(jí)承壓高，這就使定轉(zhuǎn)子間可以最小的過盈達(dá)到最佳的配合，從而改善泵的工作性能。
(4).具有良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)
等壁厚定子螺桿泵除上述工藝可行，還具有較高的經(jīng)濟(jì)效益，與常規(guī)螺桿泵相比較，現(xiàn)場(chǎng)事故少，機(jī)械損失小，可提高泵效，降低采油成本，具有良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。
2、等壁厚定子的加工
目前被考慮的方法主要有：第一是采取整體精密鑄造，即定子管的外壁為等直徑，內(nèi)壁按螺桿泵轉(zhuǎn)子模芯型線鑄造；第二是采取分體精密鑄造，即把定子管按軸線分兩瓣鑄造，鑄造后再用金屬膠粘牢，并用多個(gè)接箍緊固；第三是直接壓制而成，即把鋼管直接壓制成轉(zhuǎn)子模芯的形狀，但這三種方案加大難度都比較大，生產(chǎn)成本高，可行性不是很好。姜云晗等[3]提出采用二次澆鑄方式加工等壁厚螺桿泵，即首先用鋼體制成螺桿泵泵筒，然后在泵筒內(nèi)壁用大直徑模芯澆鑄成硬度較大的成型層，最后在成型層內(nèi)用直徑較小的轉(zhuǎn)子模芯澆鑄厚度相等的橡膠補(bǔ)套，形成等壁厚定子。姜云晗等所做的二次澆鑄等壁厚螺桿泵室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)表明其效果較好。
3、應(yīng)用前景
等壁厚定子螺桿泵能夠明顯改善和提高螺桿泵的工作性能，除應(yīng)用于地面驅(qū)動(dòng)的常規(guī)方法外，還可應(yīng)用于潛油螺桿泵采油技術(shù)[3,4]。目前，國(guó)際上許多采油機(jī)械制造廠家都在竟相研究等壁厚定子螺桿泵采油技術(shù)，而現(xiàn)在國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠家還沒有，因而市場(chǎng)潛力很大。如果對(duì)等壁厚定子螺桿泵進(jìn)行積極開發(fā)，可為油田提供一種高效的機(jī)采設(shè)備。

二、金屬定子
傳統(tǒng)單螺桿泵以丁腈橡膠為襯套的定子，在工作中由于受井下油氣水等多種組分的侵蝕、轉(zhuǎn)子的沖擊和磨損、定子在井下溫度的熱老化作用等，導(dǎo)致定子損壞，其工作壽命為一年半左右。若以金屬材料制造單螺桿泵的定子，并對(duì)轉(zhuǎn)子加以改造，即在轉(zhuǎn)子表面掛一層橡膠、尼龍或其他材質(zhì)，則能很好地提高泵的性能。
1、金屬定子的優(yōu)越性表現(xiàn)在[5]：
(1).承壓能力強(qiáng)
(2).相同排量的螺桿泵，金屬定子的螺桿泵泵體要比橡膠定子的螺桿泵泵體小
(3).與橡膠相比，金屬定子散熱快，不存在疲勞溫升和老化問題，所以定子壽命長(zhǎng)
(4).轉(zhuǎn)子橡膠層較薄，受力均勻，機(jī)械效率高
(5).轉(zhuǎn)子油脹、溫脹和氣侵問題不明顯，更適應(yīng)惡劣環(huán)境
(6).定、轉(zhuǎn)子可重復(fù)利用，降低了成本
2、應(yīng)用前景
金屬定子單螺桿泵除應(yīng)用于地面驅(qū)動(dòng)的常規(guī)方法外，還可應(yīng)用于潛油螺桿泵采油技術(shù)[5]。與橡膠定子螺桿泵相比優(yōu)勢(shì)較多，適用范圍廣，使用壽命長(zhǎng)，效益高，收益好，前景廣闊。

三、定子橡膠性能的改進(jìn)
采油螺桿泵定子所使用的傳統(tǒng)橡膠材料為丁腈橡膠(NBR)。因采油螺桿泵的工作條件十分苛刻，如高溫、高壓、工作時(shí)間長(zhǎng)、磨蝕性介質(zhì)、受周期性擠壓力等，使傳統(tǒng)的定子橡膠已臨近其性能極限，發(fā)展新膠種已成為一種迫切的需求。目前配方主要有：

1、羧基丁腈橡膠(XNBR)：它是丁二烯、丙烯腈和有機(jī)酸單體的三元共聚物，其特點(diǎn)是：耐熱油；耐磨；水溶脹小；壓縮永久變形小；彈性高；抗撕裂強(qiáng)度高；易擠出，有利于注壓成型；動(dòng)態(tài)性能較好[6]。

2、丁腈橡膠與聚氯乙烯(PVC)，或羧基丁腈橡膠與聚氯乙烯的共混膠為橡塑混煉膠，與丁腈橡膠相比，有更好的擠出性能和耐油、耐化學(xué)藥品、耐溶劑性、耐水性和耐磨性，而且尺寸穩(wěn)定性較好，對(duì)定、轉(zhuǎn)子配合更易控制[7]。王霞、朱臣昌等[8]將不同PVC含量的橡膠試樣進(jìn)行耐稠油性能測(cè)試并進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，認(rèn)為PVC樹脂的加入不僅提高丁腈橡膠的硬度、耐磨性能，而且改善了丁腈橡膠的塑性和共混膠的擠出性能，從而克服了螺桿泵定子襯套的加工難度。

3、氫化高飽和丁腈橡膠是通過對(duì)丁腈橡膠鏈段上的丁二烯單元進(jìn)行選擇氫化，將不飽和雙鍵加氫反應(yīng)生成飽和碳—碳單鍵。氫化高飽和丁腈橡膠具有良好的耐熱和耐老化性能、耐腐蝕性能和耐低溫性能，還具有能在高溫下仍保持與常溫相當(dāng)?shù)奈锢頇C(jī)械性能的品質(zhì)。

4、在橡膠中加入填料可以改善橡膠的耐磨性、抗老化等各種性能。當(dāng)填料的結(jié)構(gòu)單元小到納米級(jí)時(shí)，材料的性質(zhì)發(fā)生了重大變化，不僅明顯改善了原有材料的性能，而且會(huì)有新的性能或效應(yīng)產(chǎn)生。納米材料與高分子材料大分子之間的接枝作用，不僅可顯著提高高分子材料的綜合性能，還可提高其熱穩(wěn)定性、光穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性和使用性能，進(jìn)而延長(zhǎng)制品的使用壽命[9,10]。

(1).納米碳酸鈣廣泛應(yīng)用于橡膠的粉體添加劑，通常起到增量填充劑的作用[11,12]。納米碳酸鈣對(duì)橡膠有顯著的補(bǔ)強(qiáng)與硫化促進(jìn)作用，添加納米碳酸鈣的硫化膠伸長(zhǎng)率、撕裂性能和壓縮變形等性能較添加普通碳酸鈣的橡膠有明顯提高[13,14]。從無機(jī)填料優(yōu)化的角度看，納米碳酸鈣既具有因粒子微細(xì)和鏈狀結(jié)構(gòu)而生成的物理纏結(jié)作用，又具有由于表面活性而引起的化學(xué)結(jié)合作用，作為聚合物填充料時(shí)表現(xiàn)出良好的補(bǔ)強(qiáng)效果[15]。
另外，經(jīng)硬脂酸改性的納米碳酸鈣相比未改性的納米碳酸鈣，對(duì)膠料的力學(xué)性能及耐老化性、耐油性有所提高。宋智彬、宗成中、劉冬[16]研究了改性納米碳酸鈣對(duì)膠料性能的影響，結(jié)果表明，納米碳酸鈣經(jīng)改性后性能得以提升，并且與炭黑并用時(shí)可以改善膠料的耐油性。

(2).納米氧化鋅填料：納米氧化鋅是一種白色或微帶黃色的細(xì)微粉末，易分散在橡膠和乳膠中。氧化鋅作為一種傳統(tǒng)的橡膠填充劑，在橡膠中主要用作活性劑，其次用作補(bǔ)強(qiáng)劑和著色劑[17]。納米氧化鋅具有很高的活性，與橡膠大分子之間可以實(shí)現(xiàn)分子水平上的結(jié)合，可提高硫化膠的300%定伸應(yīng)力、耐磨性及耐熱老化性能，減小壓縮永久變形，降低壓縮疲勞溫升，適用于受力形式為定負(fù)荷變形的橡膠制品[18]。

(3).ZnOw晶須：本身有良好的傳熱性能和導(dǎo)熱性能，加之其特有的四針狀所形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，較好地分散摩擦磨損所產(chǎn)生的熱量；晶須的四根針狀體連接于同一中心，能較好地協(xié)同發(fā)揮作用，有利于消除應(yīng)力集中；由于特有的單晶體結(jié)構(gòu)，晶須彈性模量大，抗形變能力強(qiáng)，提高了橡膠的耐磨性。氧化鋅晶須改性橡膠材料耐磨性能的好壞，與晶須是否經(jīng)過恰當(dāng)?shù)谋砻嫣幚砻芮邢嚓P(guān)[19]。

(4).納米炭黑和納米白炭黑：
炭黑作為重要的工業(yè)原料，因?qū)Ω叻肿拥脑鰪?qiáng)、賦予特殊功能、改善加工性和增量效應(yīng)等而被廣泛應(yīng)用于橡膠等諸多行業(yè)[20]。但炭黑很難穩(wěn)定分散在各種極性和非極性溶劑以及聚合物基體中[21]，限制了其應(yīng)用。為了提高炭黑在高分子基體及溶劑中的分散穩(wěn)定性，炭黑的表面改性備受關(guān)注[22]。常用的改性方法有聚合物表面接枝。
填充納米白炭黑的硫化膠具有優(yōu)良的抗疲勞性能，但是納米白炭黑的加工性能和補(bǔ)強(qiáng)性能均不如炭黑，因此單獨(dú)填充時(shí)硫化膠的某些物理性能(如耐磨性)尚不夠優(yōu)異[23]。納米白炭黑、炭黑兩者并用對(duì)提高補(bǔ)強(qiáng)效果具有協(xié)同作用[24,25]，可消除重復(fù)疲勞過程中產(chǎn)生的應(yīng)力集中，硫化膠的拉伸強(qiáng)度、扯斷伸長(zhǎng)率顯著提高。

(5).納米ZnO、ZnO晶須、炭黑并用補(bǔ)強(qiáng)NBR：陳玉祥等[26]對(duì)此三者在NBR中的并用方法和補(bǔ)強(qiáng)效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并確定炭黑/納米氧化鋅/氧化鋅晶須三者的最佳用量配比為l：0.4：0.3(質(zhì)量比)。以該最佳用量配比加工的硫化膠力學(xué)性能、耐溶性能均較補(bǔ)強(qiáng)劑單用時(shí)性能有很大提升，表明三者之間存在協(xié)同補(bǔ)強(qiáng)效應(yīng)。

(6).硅酸鹽礦物：
針狀硅酸鹽(FS)是一種層鏈狀過渡結(jié)構(gòu)的以含水富鎂硅酸鹽為主的粘土礦，典型的有凹凸棒土(AT)。經(jīng)偶聯(lián)劑原位改性的FS在HNBR中分散良好，復(fù)合材料具有短纖維補(bǔ)強(qiáng)橡膠的應(yīng)力—應(yīng)變特性和明顯的各向異性；FS的加入可顯著提高復(fù)合材料的100％定伸應(yīng)力、拉伸強(qiáng)度和壓縮模量[27]。
層狀硅酸鹽填充的膠料由于聚集體的各向異性及應(yīng)變誘導(dǎo)取向而使補(bǔ)強(qiáng)效果獲得提高[28]。
活性硅酸鈣由硅灰石粉經(jīng)過表面特殊處理而成，具有針狀短纖維結(jié)構(gòu)，經(jīng)過表面活化改性處理后，產(chǎn)生活性官能團(tuán)。因此，它對(duì)橡膠有良好的親合性和高度的分散性，從而可提高制品的力學(xué)強(qiáng)度，顯著地提高復(fù)合物性能和使用價(jià)值[29]。
另外，硅氣凝膠可作為高性能橡膠的補(bǔ)強(qiáng)劑。硅酸鈣和云母粉產(chǎn)生的物理吸附作用較強(qiáng)，因此表現(xiàn)出較好的補(bǔ)強(qiáng)性能。硅酸鹽膠凝材料作為某些膠料的補(bǔ)強(qiáng)填充劑，對(duì)降低生產(chǎn)成本將有著非常積極的作用[30]。
   

單螺桿泵結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，維修簡(jiǎn)便。對(duì)介質(zhì)的適應(yīng)性強(qiáng)，流量平穩(wěn)，壓力脈動(dòng)小，自吸能力高[31]。其突出優(yōu)點(diǎn)越來越多地吸引著中外企業(yè)家的關(guān)注[32]。定子一般用丁腈橡膠制成，易磨損、腐蝕，容易失效。針對(duì)這種情況，可以改進(jìn)定子的形狀，采用等壁厚定子；改變定子材料，采用金屬定子；還可以改進(jìn)定子橡膠的性能，提高抗磨損、抗腐蝕等性能。前兩種方法在較大程度上延長(zhǎng)了定子使用壽命，可以克服定子橡膠溶脹、散熱及受力不均對(duì)定子性能的影響，但定子加工比較困難，成本高。改進(jìn)橡膠材質(zhì)的方法比較簡(jiǎn)單實(shí)用，可以在一定程度上提高定子的耐油、耐磨等性能，但不能較大改變橡膠熱脹、溶脹等對(duì)定子性能的影響，不能從實(shí)質(zhì)上對(duì)定子進(jìn)行改良。可以預(yù)測(cè)，若能研制出一種螺桿泵，它加工比較簡(jiǎn)單，又能徹底克服橡膠厚薄不均所帶來的問題，那將是一項(xiàng)重大突破。

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