第四節 柱塞泵
一、柱塞泵的類型
在高壓機中采用的計量泵多為往復式柱塞泵，該類計量泵具有以下特點:
（1）在柱塞和缸體之間僅依靠高精度加工的金屬部件的緊密配合，在往復運動中吸入、排出物料，運行平穩、可靠，使用壽命長；
（2）由于采用多個缸體連續吸入物料并連續排出，輸出的物料平穩，基本無脈沖；
（3）計量精度高，能產生較高的輸出壓力，通常物料的輸出壓力可達10～20MPa，旋轉動力傳動速度基本可以恒定在1000～1500r/min；
（4）高速柱塞泵的流體物料自充滿能力較差，為此有必要采取原料儲罐加壓或加設專用供料泵等方式予以解決。
柱塞計量泵的形式有多種，如立式柱塞泵（圖2-10），其基本結構是在泵殼中將多個缸體直立排列成一排，多個缸體的柱塞依靠彈簧的力量被擠壓在輪軸的凸輪上，當凸輪在做旋轉運動時，各個柱塞依次進行往復運動，缸套中的柱塞借助于控制桿的游標移動，使其嚙合在扇形齒的齒條上，齒條移動使柱塞能在缸套中移動。其有效行程的改變是通過柱塞上的螺旋線的改變實現的，以達到控制流量的目的。當柱塞向上移動時，螺旋線的邊緣關閉進料口，柱塞運動方向改變。當進料口關閉時，有效行程正好開始，從而完成物料的計量和輸送。該計量泵允許在柱塞和缸體之間存在極輕微的滲漏，滲出的物料積聚在輪軸的軸腔內，軸腔內有一種對輸送物料呈惰性的液體作為傳動部件的潤滑劑。傳動軸的密封件多采用聚四氟乙烯或摻混有石墨的改性材料制成。對于流量大于150L/min的柱塞式計量泵還可以選用輻射式柱塞泵（圖2-11）或軸向柱塞泵（圖2-12）。圖2-13為裝配在主軸上的軸承和柱塞體。
圖2-10 立式柱塞泵
1—驅動軸；2—帶游標的控制桿；3—壓力側； 4—物料捕集區；5—活塞和缸體；6—滾柱連桿
圖2-11 輻射式柱塞泵
1—微調游標；2—吸入側；3—導環；4—泵殼；5—壓力側；6—帶滑塊的活塞；7—流量閥軸
圖2-12 軸向柱塞計量泵裝置示意圖
1—傳動軸；2—聯軸器；3—轉動盤；4—轉子；5—控制盤；6—吸入通道；7—輸出通道；8—轉子角度調節連接件；9—柱塞
圖2-13 軸向柱塞泵主軸、軸承和柱塞體
柱塞計量泵計量精度高，運行噪聲低，重現性好，輸出量調節范圍大，使用壽命長。輸送、計量物料的黏度范圍通常應小于2000mPa?s。如果輸送、計量黏度大于2000mPa?s的高黏度物料應在計量泵前增設一臺供料泵，以確保計量的準確性。
軸向柱塞計量泵是在基于液壓技術的多級活塞泵的基礎上逐漸發展起來的計量泵，是目前聚氨酯高壓機使用最普遍的高壓計量泵。其基本結構是利用傳動軸帶動一個圓盤旋轉，通過圓盤上的球節與轉子上活塞組的多個活塞桿相連，轉子則與調節角度的絲杠連接，利用手柄的轉動帶動絲杠運動，使轉子與傳動軸之間形成一定的傾斜角度，可改變轉子上各個計量活塞的行程，當電動機帶動傳動軸及圓盤轉動時，使轉子上的各個活塞在各個活塞缸體內進行往復運動，將液體物料從控制盤的槽口吸入，經轉動由控制盤的另一側槽口排出，達到調節并連續計量和連續輸出的目的。
此外，在計量泵中還有旋轉運動的柱塞泵、液壓或氣動的雙動作柱塞泵及各種形式的單行程活塞計量泵等。雖然它們在高、低壓機中應用較少，但在聚氨酯彈性體、涂料、增強反應注射模制（RRIM）等聚氨酯制品生產所用的設備上也有一定的應用。
旋轉運動的柱塞泵是利用曲軸拉動活塞運動，當活塞向后運動時，泵室減壓使輸入閥開啟，吸入液體物料，當旋轉運動的曲軸向前運動，活塞向前運動時，壓縮泵室中的液體使進料閥關閉，輸出閥開啟，排出物料液體。計量泵的計量和輸出量與柱塞在缸體中的運動行程呈正比，但輸出液有較強的脈沖現象。旋轉運動柱塞泵示意圖見圖2-14。
圖2-14 旋轉運動柱塞泵示意圖
1，3—單向閥；2—泵室；4—密封件；5—柱塞；6—曲桿
輪式傳動雙動作活塞計量泵是采用止逆閥控制的計量泵（圖2-15），其缸體由活塞分隔成上、下兩個泵室，泵室和活塞上裝配有止逆閥。當活塞向上運動時，活塞上的止逆閥關閉，上泵室的液體被排出，而新的液體物料則通過下泵室的止逆閥被吸入。當活塞向下運動時，下泵室的止逆閥關閉，而活塞上的止逆閥打開，使液體物料進入上泵室。調節活塞行程即可獲得不同的輸出量，依靠活塞的運動行程和它的往復運動完成對液體物料的計量和輸送。該類計量泵主要用于噴涂設備中。
圖2-15 輪式傳動雙動作活塞計量泵示意圖
1—上腔室；2—計量活塞；3—下腔室；4，5—止逆閥
單行程柱塞計量泵以往主要用于生產規模較小制品的低壓機中，調節活塞運動行程即可獲得不同的輸出量，輸出量即為模塑制品所需要的物料量，無需考慮多余物料的回流問題。該類計量泵在液體物料中添加大量固體填料的RRIM技術出現后，因其結構簡單、計量準確、操作方便，而獲得其他計量泵無法取代的地位，并已廣泛應用于RRIM型高壓機的高黏度、高固體含量物料的計量和輸送。單行程柱塞計量泵結構簡單，它基本由柱塞缸和計量柱塞構成（圖2-16）。
圖2-16 單行程柱塞計量泵示意圖
1—計量柱塞；2—泄漏杯；3—密封件；4—柱塞缸；5—進料閥；6—出料閥
高耐磨柱塞沿缸體作向上運動時，完成液體吸入、計量；而當柱塞向下運動時，則將物料排出。其計量功能是由柱塞的直徑和行程決定的，設定柱塞行程即可計量泵的輸出量，每次所計量和輸出的液體量應基本與制品所需重量相等。
用于RRIM工藝的單行程柱塞計量泵使用電液線性放大器控制，由液壓裝置驅動，每個柱塞通過液壓缸的液壓油由伺服閥及步進電動機予以控制。例如亨內基（Hennecke）公司生產的RIMDOMAT高壓機就是使用了這種單行程柱塞計量泵，其外形及基本結構示意見圖217。它由電子控制及壓力擴散的獨立線性放大啟動單元構成，不會產生泄漏，可適用于添加玻璃纖維、硫酸鋇等固體填料的液體物料的記錄和輸送，適用黏度甚至可高達50000mPa·s，混合頭的輸出能力可高達20L/s。該類設備有十幾個機型，可移動的RIMDOMAT能與其他相關裝備構成“RIM-加工中心”，擴大了聚氨酯生產裝備的應用范圍。
圖2-17 慢沖程的單料筒活塞式計量裝置RIMDOMAT（a）及其結構示意圖（b）
1—帶溫控裝置的原料缸；2—帶溫控的活塞；3—混合頭；4—液壓驅動裝置；5—帶蓄能器的液壓站；6—活塞行程控制調節裝置
為適應在原料組分中添加填料的需要，隨著RRIM等工藝的應用，相應推出了單一的活塞式計量裝置，以用于高黏度、高固體含量、高磨損性物料的計量。德國BASF集團下的易理強聚氨酯設備制造廠（Elastogran Maschinenbau GmbH-EMB）也推出了Puromat SV系列（圖2-18）和HT系列活塞式計量裝置。HT型的特點是具有記憶程序的微處理機控制，利用一臺計算機可以從預定值中得出生產參數，并自動調整計量裝置，使之適應這些參數。計量缸容積一般為2～15L。
圖2-18 用于RRIM工藝的高壓計量裝置Puromat SV系列活塞式計量裝置
另外，利用機械杠桿聯動的單行程柱塞泵組也可用于高、低壓機中，如圖2-19和圖2-20所示，它們利用改變杠桿支點的距離即可實現不同比例液體物料的計量和輸送。通常它們若采用壓縮空氣作為柱塞泵往復運動的動力，其元件多用于低壓機；若使用液壓傳動方式，元件則多用于高壓機。
圖2-19 用直流電機傳動的串聯旋轉連桿傳動的普通柱塞泵計量裝置示意圖
1—計量柱塞；2—柱塞缸；3—切換閥；4—旋轉軛； 5—螺桿；6—滑塊；7—直流電機
圖2-20 旋轉連桿帶動的普通計量裝置
1—柱塞；2—柱塞缸；3—進口閥；4—出口閥； 5—旋轉軛；6—氣動元件
二、柱塞泵典型產品
1．浙江天龍聚氨酯設備廠、河北省達勝聚氨酯發泡設備廠產品
在聚氨酯低壓機中，有時也采用環形活塞計量泵。這類計量泵的生產國內大多集中在浙江溫州、河北廊坊等地的聚氨酯設備生產企業。例如浙江天龍聚氨酯設備廠、河北省達勝聚氨酯發泡設備廠的產品外形分別見圖2-21（a）和圖2-21（b）。
圖2-21 環形活塞計量泵
以上兩個企業生產的環形活塞計量泵的技術參數分別列于表2-7和表2-8中。圖2-22顯示的是浙江天龍聚氨酯設備廠生產的環形活塞泵結構示意圖。
表2-7 浙江天龍聚氨酯設備廠生產的環形活塞計量泵技術參數
① 1in=0.0254m。
② 電機轉速均為1410r/min。
圖2-22 環形活塞計量泵結構圖
表2-8 河北省勝達聚氨酯發泡設備廠環形活塞計量泵技術參數
① 1in=0.0254m。
2．美國埃百雷公司產品
目前，在生產聚氨酯的低壓機中，選用齒輪泵和環形活塞泵的較多；對于高壓機則多采用軸向柱塞泵。它們也是我國目前聚氨酯行業中普遍采用的計量設備。但其結構形式、配置方式也有許多變化。在20世紀80年代，原化工部西北橡膠工業制品研究所從美國埃百雷（AMPLAN）公司引進了一臺FLYING WEDGE Ⅳ型聚氨酯低壓澆注機。它在低壓機的計量系統中，采用的柱塞計量泵中用楔形板作為柱塞行程的調控裝置。其計量系統可參見圖2-23。
圖2-23 楔形體調控柱塞泵結構示意圖
1—壓力控制器；2—單沖程體積控制器；3—限位切換閥；4—樹脂固定計量的一側楔形體；5—增塑劑；6—樹脂組分；7,8—氣動單向閥；9—楔形體；10—楔形體的另一半；11—固化劑組分；12—調節螺絲；13—驅動氣缸
AMPLAN公司在兩個原料罐下方配置兩個可調節柱塞沖程長度的柱塞泵。在兩個沖程桿之間設有一個楔形體，它由兩部分組成，一邊固定，另一半可使用螺絲調節其斜度，整個楔體由上部的驅動氣缸操控，并有輸出量限位切換開關和可調節輸出量的標尺等裝置，每當楔形體上下一次，便使兩個組分柱塞泵完成一次吸入、吐出動作。該類結構也常出現在聚氨酯噴涂設備中。
3．青島科技大學產品
青島科技大學在對RIM設備的研究中，在消化吸收國外技術特點的基礎上開發了更為先進的楔形計量裝置。它由雙作用驅動氣缸、計量缸、氣動切換閥等組成。氣缸外形為方形，其活塞桿固定，氣缸可以運動，軸承導軌由螺栓與氣缸缸蓋連接，一端固定，另一端可調。導軌上的直線軸承與柱塞計量泵的活塞桿相連。軸承導軌隨氣缸缸體作往復運動，推動軸承和計量活塞作水平運動，進行物料的吸入和排出動作。其結構示意圖列于圖2-24中，基本技術參數見表2-9。
圖2-24 楔形計量裝置結構示意圖
1—驅動氣缸；2—軸承導軌；3，4，8，9—A、B組分計量缸和活塞；5—氣動切換閥；6—氣動活塞桿；7—調節螺母；10—直線軸承；11—調節螺母
表2-9 楔形計量裝置基本技術參數
4．德國博世力士樂（Bosch Rexroth）公司產品
德國博世力士樂（Bosch Rexroth）生產的軸向柱塞變量泵是大多數聚氨酯高壓發泡機首選的計量泵。它具有以下特點：
（1）泵體和密封選材精良，能有效地抽吸多羥基化合物和異氰酸酯介質；
（2）計量精度高，重復性好；
（3）可變排量軸向柱塞泵，能通過精密測量刻度的手輪進行手動調節流量，調節精確，運行平穩；
（4）泵送介質流動平穩，脈動小，容積效率極佳；
（5）工作壓力最高可達25MPa；
（6）進口壓力低，可泵送高黏度液體，工作黏度范圍1～2000mm2/s，最佳運行溫度10～50℃，最高運行溫度80℃。
在聚氨酯高壓發泡機上，主要有A2VK、A7VK兩個系列。
該公司生產的A2VK和A7VK系列軸向柱塞變量泵的基本結構剖面分別顯示在圖2-25（a）和（b）中。其相關的技術參數列于表2-10中。這兩個系列的安裝尺寸外形圖分別顯示在圖2-26和圖2-27中。
表2-10 部分軸向柱塞變量泵技術參數
① 包括3%的排量損耗。
② 在Δp=25MPa，并且轉速為n時。
圖2-25 A2VK和A7VK系列軸向柱塞變量泵剖面示意圖
圖2-26 軸向柱塞可變排量泵A2VK-12安裝圖
（摘自德國Bosch Rexroth AG資料RC9400/06.10）
圖2-27 軸向柱塞可變排量泵A2VK-28安裝圖
（來源同圖2-26，A2VK-55、A2VK-107等規格安裝圖省略）
5．德國旋轉動力（Rotary Power）公司
德國旋轉動力（Rotary Power）是BEL集團（British Engines Ltd.）的子公司。該公司專業生產軸向柱塞泵和液壓馬達，在聚氨酯領域中已有近三十年的應用經驗。目前，在高壓聚氨酯設備的計量中也經常選用該公司C系列高壓軸向柱塞計量泵（圖2-28）。
圖2-28 旋轉動力公司生產的C系列高壓軸向柱塞泵（a）及其結構示意圖（b）
1—入口；2—陶瓷軸套；3—壓力平衡裝置；4—雙層聚四氟乙烯密封圈
C系列高壓軸向柱塞泵具有以下特點：
① 入口配置合理，確保流體流經泵內部所有部件后排出，從而使泵體保持較低的溫度；
② 使用20bar（2MPa）的軸密封，包含一個陶瓷軸套和雙層PTFE密封圈，確保泵在高壓下正常運行；
③ 壓力平衡裝置，確保計量不受內部壓力變化的影響，并獲得高的計量精度；
④ 具有雙路內循環系列。
其基本技術參數列于表2-11中。
表2-11 C系列軸向柱塞泵技術參數
注：物料最大工作黏度2000 mm2/s；最佳工作溫度10～50℃；最佳工作轉速200～1800r/min。黏度＜2000 mm2/s，轉速＜1500r/min；黏度2000～5000mm2/s，轉速＜1000r/min；黏度在5000～7000mm2/s時，轉速＜750r/min。TDI出口壓力小于210bar（21MPa）；MDI、POL小于250bar（25MPa）。
6．意大利布雷維尼（BREVINI）集團公司產品
意大利布雷維尼（BREVINI）集團公司生產的高壓柱塞計量泵的結構示意見圖2-29。相關技術參數列于表2-12。
表2-12 SAM高壓柱塞計量泵技術參數
圖2-29 薩姆（SAM）聚氨酯高壓柱塞計量泵結構示意圖
1—高容量效率（250bar下達96%），流體型ISO VG46；2—部件材質為具有抗腐蝕的鑄鐵或鋼；3—聚四氟乙烯特殊密封和涂覆陶瓷材料的襯套；4—高精度移動控制系統；5—雙屏蔽軸承賦予更長的使用壽命
該泵具有高的容積效率（在2.5MPa下可達96%）；全部構件材質為鑄鐵或鋼，并有防腐蝕處理；傳動部位采用雙軸承，PTFE特殊密封，襯套內部涂覆高耐磨的陶瓷材料，確保無泄漏，長壽命；配備有高精度排量控制系統。
7．韓國DUT公司產品
韓國DUT公司生產的軸向柱塞泵排量范圍更大，因此適用范圍更加寬廣。基本技術參數列于表2-13中。
表2-13 韓國DUT公司軸向柱塞泵技術參數
8．北京格蘭士機電技術有限責任公司產品
北京格蘭力士機電技術有限責任公司生產的A2VK系列JLB計量泵如圖2-30所示，技術參數見表2-14，安裝外形尺寸見圖2-31和圖2-32。
該計量泵的特點：進口壓力低，可泵送高黏度液體；工作壓力可達25MPa；流量穩定，脈沖小，容積效率高，計量精度重復性好；配備流量調節手輪，調節準確，運行平穩。
圖2-30 北京格蘭力士機電技術有限責任公司生產的A2VK系列JLB計量泵
圖2-31 北京格蘭力士機電技術有限責任公司JLB12MA軸向柱塞計量泵泵安裝外形尺寸
圖2-32 北京格蘭力士機電技術公司JLB28MA泵外形圖
表2-14 北京格蘭力士機電技術公司A2VK系列JLB計量泵技術參數
① 開式回路中，黏度為36mm2/s，轉速分別為735r/min、970r/min、1450r/min。
② 在Δp=25MPa時，轉速分別為735r/min、970r/min、1450r/min。
9．上海靈港液壓泵制造有限公司
上海靈港液壓泵制造有限公司生產的A2VK系列軸向柱塞計量泵適合高黏度液體，如聚氨酯原料的精密計量。當電機帶動主軸旋轉時，通過邊桿柱塞帶動缸體旋轉，使多個柱塞在各自的缸體內作往返運動。當缸體軸線和主軸軸線成一夾角時，缸體內的柱塞孔即發生容積變化。當容積由小變大時，介質從泵的吸入口吸入，經過配流盤的低壓口進入柱塞孔。當容積由大變小時，介質經配流盤的高壓口，從泵的出口排出。主軸每旋轉一周，每個柱塞孔就會完成一次吸入和排出過程。相關產品的技術參數列于表2-15中。
表2-15 上海靈港液壓泵制造有限公司A2VK系列軸向柱塞計量泵技術參數
目前，我國已有許多企業都能夠生產這類計量設備，如浙江天龍聚氨酯設備廠、溫州市澤程機電設備有限公司等。