多年来，泵行业一直存在离心泵的问题 - 环和衬套的持续磨损一直是一个问题。尽管为改善这些产品的寿命和质量做出了许多努力，但没有一个达到预期。现在，新的耐磨环和衬套可以用北卡罗来纳州Salisbury的一家模塑生产商生产的专有团状模塑料进行模塑和加工，从而改进这些零件。

离心泵的旋转轴驱使叶轮旋转。叶轮迫使液体从供应源通过泵到达用户。泵的壳体必须保持静止。衬套在高速/高扭矩轴与静止壳体之间的配合处引导和支撑高速/高转矩轴。

直到最近，该配合处的摩擦还导致轴或衬套磨损，泵变得不平衡并迅速失效。由于这种磨损而更换轴或衬套是保持这些泵正常运行的主要问题和成本。

多年来，克服磨损一直困扰着离心泵制造商。在早期，泵轴和衬套都是由铸铁制成的。为了延长泵的使用寿命，它们随后被更换为黄铜或青铜。然而，海水、锅炉化学物质、不友好的环境工况以及其它污染物攻击了这些金属并导致泵故障。

将轴和泵壳体转换为不锈钢解决了这些部件的腐蚀问题，但这种材料不能很好地用作衬套。由于泵轴和壳体的成本相对于衬套的成本高得多，制造商和行业选择用更硬的不锈钢制造轴和壳体，并牺牲衬套来磨损。因此，离心泵的使用寿命取决于与泵的运动部件和静止部件配合的衬套的寿命，并且受到衬套寿命的限制。

铜基金属衬套与不锈钢材料配套使用时，由于铜基材料的相对热膨胀系数（CTE）较高，因此是一个问题。随着较软金属的膨胀，轴和衬套之间的间隙会扩大，从而引起振动。冷却后，间隙收缩到轴上，磨损增加。

非金属衬套通常由热塑性塑料制成，具有必要的韧性，但没有泵衬套所需的尺寸稳定性。根据定义，所有基于热塑性塑料的衬套都可以重新熔化。结果，随着泵内温度的升高，热塑性塑料开始熔化并失去尺寸稳定性。为了达到所需的尺寸稳定性，添加玻璃纤维和其它硬质填料会导致轴过度磨损，因为这些材料比构成轴的不锈钢更硬。

其它尝试的非金属解决方案包括：

1）浸渍石墨碳 - 这种材料具有良好的耐磨性、CTE和耐化学性，但极其脆弱，在组装过程中容易损坏。此外，在运行时，液体中的任何异物都会损坏衬套。

2）玻璃填充特氟龙（TFE）碳氟化合物 - 这种材料具有优异的耐化学性和耐磨性，但其CTE是不锈钢的10倍。经过几次加热和冷却循环后，衬套就会“脱落”。衬套的应力释放，液体的力将其推出泵。

3）酚醛浸渍亚麻布 - 是一种热固性塑料，这种材料具有天然硬度和低CTE。该材料满足泵衬套的所有要求，除了它不是天然润滑的并且磨损很快。亚麻填充物和树脂都不具有足够的耐磨性。

4）耐磨、玻璃填充的团状模塑料（BMC）- 为衬套提供硬度和耐磨性的玻璃和其它填料会磨损轴。

2008年开始寻找材料，以满足具有广泛而雄心勃勃的目标的泵磨损部件的愿望清单，目标是开发出在所有应用中都能承受离心泵环境的材料，而不会磨损衬套或轴。

该零件应：

1）加工成光滑的表面，以便在较宽且不断变化的温度范围内，在泵轴周围获得紧密的公差，以消除振动。

2）坚硬耐用，以免液体中无意中携带的异物损坏衬套。

3）提供出色的耐化学性，使其不会受到泵送液体的攻击。

4）足够柔软，不会磨损轴，但具有足够的韧性，可以承受压配合装配。

5）在树脂和纤维之间提供良好的粘合性，使保持力更强，从而留下光滑且尺寸精确的机械加工表面。

6）吸水率低，不会吸收可能导致膨胀或收缩的液体。

咨询生产商团队在热固性模制塑料方面拥有丰富的经验。热固性塑料的天然硬度和耐化学性在泵衬套中似乎是理想的。然而，这些化合物需要纤维（通常是玻璃）以赋予它们强度和韧性。玻璃比轴的金属更硬，因此会导致轴磨损。

为了克服这个问题，他们使用Kevlar为成型零件赋予必要的强度，而没有玻璃的磨蚀性。Kevlar以前没有被使用过，因为用项目工程师的话来说，“没有什么能粘在Kevlar身上”。然而，模塑生产商最近开发了一种粘附在特氟龙上的树脂，因此顾问决定用Kevlar进行试验。

如果没有粘附力，纤维增强不会对零件的强度增加太多。在没有粘附力的情况下，在加工零件时，加工表面会不够光滑，因此消除了保持公差的可能性。

当使用任何纤维填充塑料来模塑零件时，两个不同的力决定了成型零件的强度。首先是纤维的强度，其次是塑料对纤维的粘附力。

理想的条件是塑料和纤维之间的粘合力大于纤维的强度，或者尽可能大。当达到良好的粘合力时，可以将零件加工成光滑的表面，而不会突出（模糊）纤维。

使用Kevlar填充BMC作为衬套材料的第二个主要缺点是Kevlar在环境温度下吸收7 % 的水分。这会导致Kevlar “防弹”背心出现问题。

当Kevlar纤维吸收水分时，背心的效果就会降低。在吸收液体的高压泵内部使用的模塑和机械零件很快就会失效。

这种新型树脂用于制造填充Kevlar的BMC化合物时，解决了这两个问题。成型一个接近净形状的零件并按尺寸加工，可以生产出符合上一节中列出的所有要求的衬套。

此外，它的吸水率与玻璃填充环氧树脂的吸水率大致相同，环氧树脂是纤维填充成型部件吸水率的基准。换句话说，吸水率不是问题。

使用新型BMC的零件被模制、机械加工并组装到泵中进行测试。模制部件具有5英寸的外径和0.1英寸的壁厚。当质量控制专业人员检查零件时，他们发现外径超出0.010英寸，或比要压入的钢制零件上的孔大0.010英尺。

塑料部件不是重新加工，而是放置在不锈钢泵壳孔的上方，并将两个部件放入20吨的压力机中。三块钢板被放置在要组装的两个部件的顶部。当压力机施加压力时，听到了像枪声一样的爆裂声。

 “好吧，你的塑料部件坏了。”一位工程师评论道。拆卸后，叠层显示其中一块钢板破裂，使成型部件完全就位。这是一个0.010英寸的压缩压配合。

尽管存在怀疑，但使用Kevlar热固性材料生产的泵衬套满足泵易损件的所有要求：近乎完美的衬套材料柔软、坚硬、韧性、刚性、热稳定、易于加工、不吸水且具有成本效益。

作者简介：位于南卡罗来纳州怀利湖P.R.Lewis咨询有限责任公司的Randy Lewis是一名工业工程师，在塑料成型和复合行业的各个领域都工作了近40年。他与Zeon Technologies合作，为“无法做到”的应用发明了新的热固性模塑塑料，其中耐磨性、耐化学性和耐高温是重点。