單螺桿泵定子的改進文獻綜述

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單螺桿泵定子的改進文獻綜述

摘要：單螺桿泵性能優(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關(guān)鍵元件。本文主要論述了單螺桿泵定子的幾項改進措施，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  
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，并且當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，這個密封腔沿軸向發(fā)生運移，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、化學變化，導致定子過早失效；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�？梢越鉀Q現(xiàn)有的螺桿泵定子同一截面內(nèi)膨脹量不同導致泵效低、啟動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[3]：
(1).良好的散熱特性，延長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，同時采用等壁厚空心轉(zhuǎn)子匹配，減小了轉(zhuǎn)子對定子橡膠的側(cè)向擠壓力，從而使定子的損壞明顯減少，延長了泵的工作壽命，降低了作業(yè)費用。
(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，可實現(xiàn)較高的加大精度，泵工作時，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，傳動功率損失就大。而均勻壁厚的橡膠層在動態(tài)過程中抵抗變形的能力好，單級承壓高，這就使定轉(zhuǎn)子間可以最小的過盈達到最佳的配合，從而改善泵的工作性能。
(4).具有良好的技術(shù)經(jīng)濟指標
等壁厚定子螺桿泵除上述工藝可行，還具有較高的經(jīng)濟效益，與常規(guī)螺桿泵相比較，現(xiàn)場事故少，機械損失小，可提高泵效，降低采油成本，具有良好的技術(shù)經(jīng)濟指標。
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)場實驗表明其效果較好。
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，國際上許多采油機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)在國內(nèi)生產(chǎn)廠家還沒有，因而市場潛力很大。如果對等壁厚定子螺桿泵進行積極開發(fā)，可為油田提供一種高效的機采設(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
(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
(4).轉(zhuǎn)子橡膠層較薄，受力均勻，機械效率高
(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)勢較多，適用范圍廣，使用壽命長，效益高，收益好，前景廣闊。

三、定子橡膠性能的改進
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、工作時間長、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、丙烯腈和有機酸單體的三元共聚物，其特點是：耐熱油；耐磨；水溶脹小；壓縮永久變形小；彈性高；抗撕裂強度高；易擠出，有利于注壓成型；動態(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、耐化學藥品、耐溶劑性、耐水性和耐磨性，而且尺寸穩(wěn)定性較好，對定、轉(zhuǎn)子配合更易控制[7]。王霞、朱臣昌等[8]將不同PVC含量的橡膠試樣進行耐稠油性能測試并進行拉伸試驗，認為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丁腈橡膠鏈段上的丁二烯單元進行選擇氫化，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?shù)奈锢頇C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。當填料的結(jié)構(gòu)單元小到納米級時，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、化學穩(wěn)定性和使用性能，進而延長制品的使用壽命[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]。納米碳酸鈣對橡膠有顯著的補強與硫化促進作用，添加納米碳酸鈣的硫化膠伸長率、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]。從無機填料優(yōu)化的角度看，納米碳酸鈣既具有因粒子微細和鏈狀結(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結(jié)合作用，作為聚合物填充料時表現(xiàn)出良好的補強效果[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，對膠料的力學性能及耐老化性、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，其次用作補強劑和著色劑[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，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?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�、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強性能均不如炭黑，因此單獨填充時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、炭黑兩者并用對提高補強效果具有協(xié)同作用[24,25]，可消除重復疲勞過程中產(chǎn)生的應(yīng)力集中，硫化膠的拉伸強度、扯斷伸長率顯著提高。

(5).納米ZnO、ZnO晶須、炭黑并用補強NBR：陳玉祥等[26]對此三者在NBR中的并用方法和補強效果進行了實驗研究，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性能、耐溶性能均較補強劑單用時性能有很大提升，表明三者之間存在協(xié)同補強效應(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，復合材料具有短纖維補強橡膠的應(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合材料的100％定伸應(yīng)力、拉伸強度和壓縮模量[27]。
層狀硅酸鹽填充的膠料由于聚集體的各向異性及應(yīng)變誘導取向而使補強效果獲得提高[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。因此，它對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強度，顯著地提高復合物性能和使用價值[29]。
另外，硅氣凝膠可作為高性能橡膠的補強劑。硅酸鈣和云母粉產(chǎn)生的物理吸附作用較強，因此表現(xiàn)出較好的補強性能。硅酸鹽膠凝材料作為某些膠料的補強填充劑，對降低生產(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，維修簡便。對介質(zhì)的適應(yīng)性強，流量平穩(wěn)，壓力脈動小，自吸能力高[31]。其突出優(yōu)點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。針對這種情況，可以改進定子的形狀，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、散熱及受力不均對定子性能的影響，但定子加工比較困難，成本高。改進橡膠材質(zhì)的方法比較簡單實用，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、溶脹等對定子性能的影響，不能從實質(zhì)上對定子進行改良�？梢灶A測，若能研制出一種螺桿泵，它加工比較簡單，又能徹底克服橡膠厚薄不均所帶來的問題，那將是一項重大突破。

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shamofeiou

哈哈，珍貴的文獻資料啊。樓主版權(quán)所喲

helloshigy

自己頂

helloshigy

自己頂

薛巖

很好 建議收藏