第四节 柱塞泵
一、柱塞泵的类型
在高压机中采用的计量泵多为往复式柱塞泵，该类计量泵具有以下特点:
（1）在柱塞和缸体之间仅依靠高精度加工的金属部件的紧密配合，在往复运动中吸入、排出物料，运行平稳、可靠，使用寿命长；
（2）由于采用多个缸体连续吸入物料并连续排出，输出的物料平稳，基本无脉冲；
（3）计量精度高，能产生较高的输出压力，通常物料的输出压力可达10～20MPa，旋转动力传动速度基本可以恒定在1000～1500r/min；
（4）高速柱塞泵的流体物料自充满能力较差，为此有必要采取原料储罐加压或加设专用供料泵等方式予以解决。
柱塞计量泵的形式有多种，如立式柱塞泵（图2-10），其基本结构是在泵壳中将多个缸体直立排列成一排，多个缸体的柱塞依靠弹簧的力量被挤压在轮轴的凸轮上，当凸轮在做旋转运动时，各个柱塞依次进行往复运动，缸套中的柱塞借助于控制杆的游标移动，使其啮合在扇形齿的齿条上，齿条移动使柱塞能在缸套中移动。其有效行程的改变是通过柱塞上的螺旋线的改变实现的，以达到控制流量的目的。当柱塞向上移动时，螺旋线的边缘关闭进料口，柱塞运动方向改变。当进料口关闭时，有效行程正好开始，从而完成物料的计量和输送。该计量泵允许在柱塞和缸体之间存在极轻微的渗漏，渗出的物料积聚在轮轴的轴腔内，轴腔内有一种对输送物料呈惰性的液体作为传动部件的润滑剂。传动轴的密封件多采用聚四氟乙烯或掺混有石墨的改性材料制成。对于流量大于150L/min的柱塞式计量泵还可以选用辐射式柱塞泵（图2-11）或轴向柱塞泵（图2-12）。图2-13为装配在主轴上的轴承和柱塞体。
图2-10 立式柱塞泵
1—驱动轴；2—带游标的控制杆；3—压力侧； 4—物料捕集区；5—活塞和缸体；6—滚柱连杆
图2-11 辐射式柱塞泵
1—微调游标；2—吸入侧；3—导环；4—泵壳；5—压力侧；6—带滑块的活塞；7—流量阀轴
图2-12 轴向柱塞计量泵装置示意图
1—传动轴；2—联轴器；3—转动盘；4—转子；5—控制盘；6—吸入通道；7—输出通道；8—转子角度调节连接件；9—柱塞
图2-13 轴向柱塞泵主轴、轴承和柱塞体
柱塞计量泵计量精度高，运行噪声低，重现性好，输出量调节范围大，使用寿命长。输送、计量物料的黏度范围通常应小于2000mPa?s。如果输送、计量黏度大于2000mPa?s的高黏度物料应在计量泵前增设一台供料泵，以确保计量的准确性。
轴向柱塞计量泵是在基于液压技术的多级活塞泵的基础上逐渐发展起来的计量泵，是目前聚氨酯高压机使用最普遍的高压计量泵。其基本结构是利用传动轴带动一个圆盘旋转，通过圆盘上的球节与转子上活塞组的多个活塞杆相连，转子则与调节角度的丝杠连接，利用手柄的转动带动丝杠运动，使转子与传动轴之间形成一定的倾斜角度，可改变转子上各个计量活塞的行程，当电动机带动传动轴及圆盘转动时，使转子上的各个活塞在各个活塞缸体内进行往复运动，将液体物料从控制盘的槽口吸入，经转动由控制盘的另一侧槽口排出，达到调节并连续计量和连续输出的目的。
此外，在计量泵中还有旋转运动的柱塞泵、液压或气动的双动作柱塞泵及各种形式的单行程活塞计量泵等。虽然它们在高、低压机中应用较少，但在聚氨酯弹性体、涂料、增强反应注射模制（RRIM）等聚氨酯制品生产所用的设备上也有一定的应用。
旋转运动的柱塞泵是利用曲轴拉动活塞运动，当活塞向后运动时，泵室减压使输入阀开启，吸入液体物料，当旋转运动的曲轴向前运动，活塞向前运动时，压缩泵室中的液体使进料阀关闭，输出阀开启，排出物料液体。计量泵的计量和输出量与柱塞在缸体中的运动行程呈正比，但输出液有较强的脉冲现象。旋转运动柱塞泵示意图见图2-14。
图2-14 旋转运动柱塞泵示意图
1，3—单向阀；2—泵室；4—密封件；5—柱塞；6—曲杆
轮式传动双动作活塞计量泵是采用止逆阀控制的计量泵（图2-15），其缸体由活塞分隔成上、下两个泵室，泵室和活塞上装配有止逆阀。当活塞向上运动时，活塞上的止逆阀关闭，上泵室的液体被排出，而新的液体物料则通过下泵室的止逆阀被吸入。当活塞向下运动时，下泵室的止逆阀关闭，而活塞上的止逆阀打开，使液体物料进入上泵室。调节活塞行程即可获得不同的输出量，依靠活塞的运动行程和它的往复运动完成对液体物料的计量和输送。该类计量泵主要用于喷涂设备中。
图2-15 轮式传动双动作活塞计量泵示意图
1—上腔室；2—计量活塞；3—下腔室；4，5—止逆阀
单行程柱塞计量泵以往主要用于生产规模较小制品的低压机中，调节活塞运动行程即可获得不同的输出量，输出量即为模塑制品所需要的物料量，无需考虑多余物料的回流问题。该类计量泵在液体物料中添加大量固体填料的RRIM技术出现后，因其结构简单、计量准确、操作方便，而获得其他计量泵无法取代的地位，并已广泛应用于RRIM型高压机的高黏度、高固体含量物料的计量和输送。单行程柱塞计量泵结构简单，它基本由柱塞缸和计量柱塞构成（图2-16）。
图2-16 单行程柱塞计量泵示意图
1—计量柱塞；2—泄漏杯；3—密封件；4—柱塞缸；5—进料阀；6—出料阀
高耐磨柱塞沿缸体作向上运动时，完成液体吸入、计量；而当柱塞向下运动时，则将物料排出。其计量功能是由柱塞的直径和行程决定的，设定柱塞行程即可计量泵的输出量，每次所计量和输出的液体量应基本与制品所需重量相等。
用于RRIM工艺的单行程柱塞计量泵使用电液线性放大器控制，由液压装置驱动，每个柱塞通过液压缸的液压油由伺服阀及步进电动机予以控制。例如亨内基（Hennecke）公司生产的RIMDOMAT高压机就是使用了这种单行程柱塞计量泵，其外形及基本结构示意见图217。它由电子控制及压力扩散的独立线性放大启动单元构成，不会产生泄漏，可适用于添加玻璃纤维、硫酸钡等固体填料的液体物料的记录和输送，适用黏度甚至可高达50000mPa·s，混合头的输出能力可高达20L/s。该类设备有十几个机型，可移动的RIMDOMAT能与其他相关装备构成“RIM-加工中心”，扩大了聚氨酯生产装备的应用范围。
图2-17 慢冲程的单料筒活塞式计量装置RIMDOMAT（a）及其结构示意图（b）
1—带温控装置的原料缸；2—带温控的活塞；3—混合头；4—液压驱动装置；5—带蓄能器的液压站；6—活塞行程控制调节装置
为适应在原料组分中添加填料的需要，随着RRIM等工艺的应用，相应推出了单一的活塞式计量装置，以用于高黏度、高固体含量、高磨损性物料的计量。德国BASF集团下的易理强聚氨酯设备制造厂（Elastogran Maschinenbau GmbH-EMB）也推出了Puromat SV系列（图2-18）和HT系列活塞式计量装置。HT型的特点是具有记忆程序的微处理机控制，利用一台计算机可以从预定值中得出生产参数，并自动调整计量装置，使之适应这些参数。计量缸容积一般为2～15L。
图2-18 用于RRIM工艺的高压计量装置Puromat SV系列活塞式计量装置
另外，利用机械杠杆联动的单行程柱塞泵组也可用于高、低压机中，如图2-19和图2-20所示，它们利用改变杠杆支点的距离即可实现不同比例液体物料的计量和输送。通常它们若采用压缩空气作为柱塞泵往复运动的动力，其元件多用于低压机；若使用液压传动方式，元件则多用于高压机。
图2-19 用直流电机传动的串联旋转连杆传动的普通柱塞泵计量装置示意图
1—计量柱塞；2—柱塞缸；3—切换阀；4—旋转轭； 5—螺杆；6—滑块；7—直流电机
图2-20 旋转连杆带动的普通计量装置
1—柱塞；2—柱塞缸；3—进口阀；4—出口阀； 5—旋转轭；6—气动元件
二、柱塞泵典型产品
1．浙江天龙聚氨酯设备厂、河北省达胜聚氨酯发泡设备厂产品
在聚氨酯低压机中，有时也采用环形活塞计量泵。这类计量泵的生产国内大多集中在浙江温州、河北廊坊等地的聚氨酯设备生产企业。例如浙江天龙聚氨酯设备厂、河北省达胜聚氨酯发泡设备厂的产品外形分别见图2-21（a）和图2-21（b）。
图2-21 环形活塞计量泵
以上两个企业生产的环形活塞计量泵的技术参数分别列于表2-7和表2-8中。图2-22显示的是浙江天龙聚氨酯设备厂生产的环形活塞泵结构示意图。
表2-7 浙江天龙聚氨酯设备厂生产的环形活塞计量泵技术参数
① 1in=0.0254m。
② 电机转速均为1410r/min。
图2-22 环形活塞计量泵结构图
表2-8 河北省胜达聚氨酯发泡设备厂环形活塞计量泵技术参数
① 1in=0.0254m。
2．美国埃百雷公司产品
目前，在生产聚氨酯的低压机中，选用齿轮泵和环形活塞泵的较多；对于高压机则多采用轴向柱塞泵。它们也是我国目前聚氨酯行业中普遍采用的计量设备。但其结构形式、配置方式也有许多变化。在20世纪80年代，原化工部西北橡胶工业制品研究所从美国埃百雷（AMPLAN）公司引进了一台FLYING WEDGE Ⅳ型聚氨酯低压浇注机。它在低压机的计量系统中，采用的柱塞计量泵中用楔形板作为柱塞行程的调控装置。其计量系统可参见图2-23。
图2-23 楔形体调控柱塞泵结构示意图
1—压力控制器；2—单冲程体积控制器；3—限位切换阀；4—树脂固定计量的一侧楔形体；5—增塑剂；6—树脂组分；7,8—气动单向阀；9—楔形体；10—楔形体的另一半；11—固化剂组分；12—调节螺丝；13—驱动气缸
AMPLAN公司在两个原料罐下方配置两个可调节柱塞冲程长度的柱塞泵。在两个冲程杆之间设有一个楔形体，它由两部分组成，一边固定，另一半可使用螺丝调节其斜度，整个楔体由上部的驱动气缸操控，并有输出量限位切换开关和可调节输出量的标尺等装置，每当楔形体上下一次，便使两个组分柱塞泵完成一次吸入、吐出动作。该类结构也常出现在聚氨酯喷涂设备中。
3．青岛科技大学产品
青岛科技大学在对RIM设备的研究中，在消化吸收国外技术特点的基础上开发了更为先进的楔形计量装置。它由双作用驱动气缸、计量缸、气动切换阀等组成。气缸外形为方形，其活塞杆固定，气缸可以运动，轴承导轨由螺栓与气缸缸盖连接，一端固定，另一端可调。导轨上的直线轴承与柱塞计量泵的活塞杆相连。轴承导轨随气缸缸体作往复运动，推动轴承和计量活塞作水平运动，进行物料的吸入和排出动作。其结构示意图列于图2-24中，基本技术参数见表2-9。
图2-24 楔形计量装置结构示意图
1—驱动气缸；2—轴承导轨；3，4，8，9—A、B组分计量缸和活塞；5—气动切换阀；6—气动活塞杆；7—调节螺母；10—直线轴承；11—调节螺母
表2-9 楔形计量装置基本技术参数
4．德国博世力士乐（Bosch Rexroth）公司产品
德国博世力士乐（Bosch Rexroth）生产的轴向柱塞变量泵是大多数聚氨酯高压发泡机首选的计量泵。它具有以下特点：
（1）泵体和密封选材精良，能有效地抽吸多羟基化合物和异氰酸酯介质；
（2）计量精度高，重复性好；
（3）可变排量轴向柱塞泵，能通过精密测量刻度的手轮进行手动调节流量，调节精确，运行平稳；
（4）泵送介质流动平稳，脉动小，容积效率极佳；
（5）工作压力最高可达25MPa；
（6）进口压力低，可泵送高黏度液体，工作黏度范围1～2000mm2/s，最佳运行温度10～50℃，最高运行温度80℃。
在聚氨酯高压发泡机上，主要有A2VK、A7VK两个系列。
该公司生产的A2VK和A7VK系列轴向柱塞变量泵的基本结构剖面分别显示在图2-25（a）和（b）中。其相关的技术参数列于表2-10中。这两个系列的安装尺寸外形图分别显示在图2-26和图2-27中。
表2-10 部分轴向柱塞变量泵技术参数
① 包括3%的排量损耗。
② 在Δp=25MPa，并且转速为n时。
图2-25 A2VK和A7VK系列轴向柱塞变量泵剖面示意图
图2-26 轴向柱塞可变排量泵A2VK-12安装图
（摘自德国Bosch Rexroth AG资料RC9400/06.10）
图2-27 轴向柱塞可变排量泵A2VK-28安装图
（来源同图2-26，A2VK-55、A2VK-107等规格安装图省略）
5．德国旋转动力（Rotary Power）公司
德国旋转动力（Rotary Power）是BEL集团（British Engines Ltd.）的子公司。该公司专业生产轴向柱塞泵和液压马达，在聚氨酯领域中已有近三十年的应用经验。目前，在高压聚氨酯设备的计量中也经常选用该公司C系列高压轴向柱塞计量泵（图2-28）。
图2-28 旋转动力公司生产的C系列高压轴向柱塞泵（a）及其结构示意图（b）
1—入口；2—陶瓷轴套；3—压力平衡装置；4—双层聚四氟乙烯密封圈
C系列高压轴向柱塞泵具有以下特点：
① 入口配置合理，确保流体流经泵内部所有部件后排出，从而使泵体保持较低的温度；
② 使用20bar（2MPa）的轴密封，包含一个陶瓷轴套和双层PTFE密封圈，确保泵在高压下正常运行；
③ 压力平衡装置，确保计量不受内部压力变化的影响，并获得高的计量精度；
④ 具有双路内循环系列。
其基本技术参数列于表2-11中。
表2-11 C系列轴向柱塞泵技术参数
注：物料最大工作黏度2000 mm2/s；最佳工作温度10～50℃；最佳工作转速200～1800r/min。黏度＜2000 mm2/s，转速＜1500r/min；黏度2000～5000mm2/s，转速＜1000r/min；黏度在5000～7000mm2/s时，转速＜750r/min。TDI出口压力小于210bar（21MPa）；MDI、POL小于250bar（25MPa）。
6．意大利布雷维尼（BREVINI）集团公司产品
意大利布雷维尼（BREVINI）集团公司生产的高压柱塞计量泵的结构示意见图2-29。相关技术参数列于表2-12。
表2-12 SAM高压柱塞计量泵技术参数
图2-29 萨姆（SAM）聚氨酯高压柱塞计量泵结构示意图
1—高容量效率（250bar下达96%），流体型ISO VG46；2—部件材质为具有抗腐蚀的铸铁或钢；3—聚四氟乙烯特殊密封和涂覆陶瓷材料的衬套；4—高精度移动控制系统；5—双屏蔽轴承赋予更长的使用寿命
该泵具有高的容积效率（在2.5MPa下可达96%）；全部构件材质为铸铁或钢，并有防腐蚀处理；传动部位采用双轴承，PTFE特殊密封，衬套内部涂覆高耐磨的陶瓷材料，确保无泄漏，长寿命；配备有高精度排量控制系统。
7．韩国DUT公司产品
韩国DUT公司生产的轴向柱塞泵排量范围更大，因此适用范围更加宽广。基本技术参数列于表2-13中。
表2-13 韩国DUT公司轴向柱塞泵技术参数
8．北京格兰士机电技术有限责任公司产品
北京格兰力士机电技术有限责任公司生产的A2VK系列JLB计量泵如图2-30所示，技术参数见表2-14，安装外形尺寸见图2-31和图2-32。
该计量泵的特点：进口压力低，可泵送高黏度液体；工作压力可达25MPa；流量稳定，脉冲小，容积效率高，计量精度重复性好；配备流量调节手轮，调节准确，运行平稳。
图2-30 北京格兰力士机电技术有限责任公司生产的A2VK系列JLB计量泵
图2-31 北京格兰力士机电技术有限责任公司JLB12MA轴向柱塞计量泵泵安装外形尺寸
图2-32 北京格兰力士机电技术公司JLB28MA泵外形图
表2-14 北京格兰力士机电技术公司A2VK系列JLB计量泵技术参数
① 开式回路中，黏度为36mm2/s，转速分别为735r/min、970r/min、1450r/min。
② 在Δp=25MPa时，转速分别为735r/min、970r/min、1450r/min。
9．上海灵港液压泵制造有限公司
上海灵港液压泵制造有限公司生产的A2VK系列轴向柱塞计量泵适合高黏度液体，如聚氨酯原料的精密计量。当电机带动主轴旋转时，通过边杆柱塞带动缸体旋转，使多个柱塞在各自的缸体内作往返运动。当缸体轴线和主轴轴线成一夹角时，缸体内的柱塞孔即发生容积变化。当容积由小变大时，介质从泵的吸入口吸入，经过配流盘的低压口进入柱塞孔。当容积由大变小时，介质经配流盘的高压口，从泵的出口排出。主轴每旋转一周，每个柱塞孔就会完成一次吸入和排出过程。相关产品的技术参数列于表2-15中。
表2-15 上海灵港液压泵制造有限公司A2VK系列轴向柱塞计量泵技术参数
目前，我国已有许多企业都能够生产这类计量设备，如浙江天龙聚氨酯设备厂、温州市泽程机电设备有限公司等。