APV75-118型高壓泵單向閥失效分析及改進(jìn)

王星星

摘 要：APV75-118型高壓泵為蘭州石化催化劑廠微球車間噴霧干燥環(huán)節(jié)最主要的設(shè)備之一，其作用就是在產(chǎn)品成型環(huán)節(jié)為介質(zhì)提供較高的壓力，從而使微球具有良好的形狀和大小。在使用過程中出現(xiàn)因單向閥損壞引起頻繁的刺缸和壓力波動，嚴(yán)重影響到催化劑產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量。通過對催化劑二套微球APV75-118型高壓泵單向閥組件失效的分析，為其改造提供理論基礎(chǔ)，并提出合理改進(jìn)措施。

關(guān)鍵詞：失效;分析;改進(jìn)措施

1 單向閥使用過程中存在的問題

為提高閥座硬度，將原一體式的閥座密封部分鑲嵌硬質(zhì)合金，不僅提高了閥座的硬度，減小了閥座的故障率，損壞后還可只更換鑲嵌的硬質(zhì)合金部分，降低了材料成本。鑒于鋼球損壞的情況，為減小撞擊力，并且使閥球能自由旋轉(zhuǎn)，使得運(yùn)動過程中能有不同的接觸面，減少疲勞損傷，因此選用與原鋼球同等直徑的尼龍球，去掉輔助彈簧，鋼球行程也由原來的15mm降低到5mm。改造后，球的壽命和閥座的壽命大大提高，維修成本降低。但催化劑車間因改變工藝和提高產(chǎn)量，將高壓泵中介質(zhì)溫度提高到了80℃。此時尼龍球頻繁出現(xiàn)因壓痕導(dǎo)致的密封失效。在對尼龍球的失效形式進(jìn)行細(xì)致觀察，發(fā)現(xiàn)在尼龍球的一個環(huán)形壓痕內(nèi)深度不同，不難推斷，球產(chǎn)生了偏砸現(xiàn)象。因尼龍球已經(jīng)不適于生產(chǎn)工藝，因此將尼龍球又改為鋼球，又考慮到降低維修成本，因此鋼球選用國產(chǎn)鋼球。但鋼球仍然經(jīng)常發(fā)生疲勞點(diǎn)蝕，閥座砸壞的故障率也升高。

2 問題分析

2.1 運(yùn)動分析

2.1.1 柱塞的運(yùn)動分析

圖（2-1）是高壓泵曲軸與柱塞的運(yùn)動示意，可以根據(jù)柱塞與曲軸的運(yùn)動關(guān)系來確定柱塞與流量的變化規(guī)律。

A為活塞截面積 ω為曲軸角速度 r為曲拐偏心距

2.1.2 球的運(yùn)動分析

當(dāng)柱塞開始從左向右運(yùn)動時，閥球兩側(cè)的壓力差ΔP在球上的作用力大于球的重力時，閥開啟，液體進(jìn)入液缸，球在液流的推力作用下，繼續(xù)上升，直至撞到閥罩內(nèi)的限位架上;球撞擊限位架時，會產(chǎn)生反彈力，如果反彈力大于液流推力，則球會發(fā)生反彈現(xiàn)象;在正常情況下，反彈現(xiàn)象是比較輕微的，球在液流推力的作用下，會再次貼到限位架上，此時液流推力大于球重力，球就停留在限位架上，直到活塞接近止點(diǎn)位置時，活塞速度降低，瞬時流量降低，液流推力減小，當(dāng)液流推力不足以克服球重力時，球開始離開限位架，向閥座方向運(yùn)動。最理想的情況是當(dāng)活塞達(dá)到止點(diǎn)位置時，球也剛好落在閥座上，此時球完成一次工作。若最大液流推力不足以克服球的重力，球不能一直貼在限位架上，球在壓差的作用下剛打開便又關(guān)閉，復(fù)又在壓差作用下打開，但又馬上關(guān)閉，故而只能在閥座和限位架間不斷跳動，造成振顫。當(dāng)由于各種原因閥球在活塞到達(dá)止點(diǎn)位置時不能及時落到閥座上，造成滯后關(guān)閉，而此時隨著柱塞運(yùn)動超過止點(diǎn)后速度增大，瞬時流量增大，液流推力增大。當(dāng)液流推力疊加在重力上時就有可能會使球?qū)ο尬患芎烷y座產(chǎn)生猛烈撞擊，使球和限位架、閥座提前破壞。

2.2 球與閥座的損壞分析

2.2.1 正常撞擊的分析

球是在活塞運(yùn)動接近止點(diǎn)時開始下落的，這一時刻與閥球質(zhì)量、流體流速等都有關(guān)，很難通過簡單計算得到。在整個下落過程中，閥球受到重力，液流推力共同作用，液流推力從與重力反向相等逐漸減小到零，再變成與重力同向逐漸增大。合力表現(xiàn)為從零逐漸增大到與重力相等，再繼續(xù)增大直到落在閥座上。整個過程是一個初速度為零的變加速運(yùn)動，結(jié)合瞬時流量與曲軸轉(zhuǎn)角的關(guān)系，下落時間越長，柱塞超過止點(diǎn)后越多，瞬時流量就越大，流速就越大，液流推力也就越大。因此整個下落過程占整個周期的比例越小，閥和閥座的沖擊力越小。

2.2.2 偏砸的分析

往往閥罩更換的頻率比較低，閥罩因球的磨損最大直徑可以增大1-2mm，球因閥罩限位不夠，落到閥座上時發(fā)生偏斜。球在偏砸時，球砸在了閥座上的V形臺邊緣上，造成了完全的線接觸，接觸面積劇減，產(chǎn)生了應(yīng)力集中。根據(jù)P=f/S，接觸面積是原來的10%，則球和閥座所受的壓強(qiáng)就是原來的10倍，是原來的1%，球和閥座所受的壓強(qiáng)就是原來的100倍。因此，球的偏砸是造成球和閥座失效的一個可能原因。

3 改造措施

3.1 減小沖擊力

高壓泵單向閥失效的可能原因是偏砸、閥球的延遲關(guān)閉，最終都是因閥球?qū)﹂y座的撞擊力過大而造成的。沖擊力公式：

中，球的行程h越大，下落速度越大。用定性分析的方式來盡可能減小撞擊力，從而減小球與閥座的失效頻率。要減小沖擊力F，可以減小球的質(zhì)量m，球的行程h，球的彈性模量E1、閥座的彈性模量E2（單向閥的大小已定，因此建議鋼球與閥座的尺寸不再改變）。

3.2 降低偏砸的影響

為降低偏砸的影響，在接觸面上用一個圓弧段進(jìn)行過渡。這種設(shè)計最大的優(yōu)點(diǎn)可以防止密封面的直接被砸壞，減小應(yīng)力集中，保護(hù)球與閥座的密封面。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫桓，陳作模，葛文杰.機(jī)械原理[M].北京：高等教育出版社，2013.