往復(fù)泵錐閥密封面硬度與其失效關(guān)系的實(shí)驗(yàn)研究

陳 禮，賈秋紅，李文強(qiáng)，郭 偉

（1.重慶水泵廠有限責(zé)任公司國(guó)家級(jí)企業(yè)技術(shù)中心，重慶 400033；2.重慶理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400054）

1 引言

往復(fù)泵是一種典型的容積泵。相對(duì)其它的往復(fù)泵，出現(xiàn)較早，隨著其它的泵的出現(xiàn)，其使用領(lǐng)域逐漸減少，但因其效率高，自吸能力好，能實(shí)現(xiàn)小流量，高揚(yáng)程，輸出流量基本不隨排出壓力變化而變化的特性，仍被廣泛應(yīng)用。在一些工藝流程中，仍被作為關(guān)鍵設(shè)備使用。往復(fù)泵的工作原理是將外部輸入的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)曲柄連桿等機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化為往復(fù)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)液壓元件往復(fù)抽吸，再配合吸、排閥組的交替開(kāi)閉運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了液體被加壓后連續(xù)輸出[1]。

錐閥是往復(fù)泵的液力部分的最重要零部件之一，是實(shí)現(xiàn)流體被連續(xù)輸送的關(guān)鍵部件。錐閥若輕度失效將對(duì)往復(fù)泵關(guān)鍵流量參數(shù)造成影響。如：流量減小、不穩(wěn)定等現(xiàn)象；若重度失效，泵將會(huì)失去輸送流體的功能，即往復(fù)泵的流量參數(shù)嚴(yán)重下降，甚至為0。

學(xué)者們對(duì)于錐閥的沖擊規(guī)律和沖蝕磨損進(jìn)行了相關(guān)的研究。通過(guò)分析錐閥在沖擊時(shí)的規(guī)律，解析出應(yīng)力分布機(jī)理，找出產(chǎn)生應(yīng)力最大點(diǎn)，根據(jù)分析結(jié)果，設(shè)計(jì)時(shí)采取相應(yīng)的避免措施，從而設(shè)計(jì)出更優(yōu)化的錐閥。在沖擊規(guī)律分析方面，北京化工大學(xué)楊國(guó)安[2?4]學(xué)者的團(tuán)隊(duì)，利用ANSYS軟件進(jìn)行了仿真計(jì)算，分析表明，在沖擊接觸錐面上，錐面下部出現(xiàn)總變形和等效應(yīng)力較大值，這一結(jié)果與實(shí)際工程相一致，并依據(jù)錐閥的S?N疲勞曲線的變化趨勢(shì)，預(yù)測(cè)了錐閥的壽命；文獻(xiàn)[5?7]都在求平均應(yīng)力和沖擊應(yīng)力方面進(jìn)行了研究。在錐閥的沖蝕磨損研究方面，學(xué)者的研究基本上都集中在對(duì)錐閥隙流場(chǎng)方面的分析，國(guó)內(nèi)外在錐閥隙流場(chǎng)方面的分析有：文獻(xiàn)[8]利用粒子成像測(cè)速技術(shù)（Particle Image Velocime?try,簡(jiǎn)稱PIV），對(duì)的鉆井泵錐閥閥隙流場(chǎng)的特性進(jìn)行了模型試驗(yàn)研究，試驗(yàn)了3種固定的閥密封面夾角的錐閥，通過(guò)數(shù)據(jù)分析處理，綜合分析了閥隙內(nèi)流動(dòng)對(duì)錐閥磨粒磨損的影響以及閥隙流速特性對(duì)錐閥沖蝕磨損的影響；文獻(xiàn)[9]運(yùn)用有限元軟件ANSYS∕LS?DYNA建立橡膠的單顆粒和雙顆粒沖蝕力學(xué)模型,研究了閥密封膠皮的沖蝕失效原理，并研究了顆粒沖蝕速度、顆粒沖擊次數(shù)、顆粒尺寸對(duì)沖蝕性能的影響。結(jié)果表明，沖蝕磨損程度隨顆粒沖蝕速度的增加而增大;同一速度下,隨顆粒直徑的增大沖蝕磨損速度增大;顆粒沖擊次數(shù)是造成閥膠皮沖蝕磨損的重要因素,經(jīng)顆粒多次沖擊后,閥膠皮恢復(fù)彈性的能力降低直至發(fā)生塑性變形后疲勞失效。文獻(xiàn)[10]利用CFD 相關(guān)軟件對(duì)鉆井泵泵閥的流場(chǎng)分布情況進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真分析。結(jié)果表明，隨著吸入沖程的進(jìn)行，流場(chǎng)內(nèi)最大速度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)；閥隙入口處的流場(chǎng)速度最大，這是閥體錐面底部易產(chǎn)生塊狀脫落的根本原因；在閥體附近產(chǎn)生較強(qiáng)的漩渦，將帶動(dòng)周圍鉆井液中的粒子對(duì)泵閥及液缸產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖蝕作用；隨閥體錐角增加和沖次的上升，泵閥內(nèi)的流場(chǎng)速度分布水平呈上升趨勢(shì)。文獻(xiàn)[11]運(yùn)用諧波小波包能量特征提取和最小二乘支持向量機(jī)（LSSVM）相結(jié)合的方法識(shí)別泵閥故障。試驗(yàn)結(jié)果表明將諧波小波包分解和LS?SVM 相結(jié)合可以準(zhǔn)確有效地識(shí)別泵閥故障類型。

以前對(duì)往復(fù)泵錐閥的研究一般是某單項(xiàng)作用的研究，而且要么是用相關(guān)軟件進(jìn)行理論分析研究，要么是試驗(yàn)室利用設(shè)計(jì)的裝置進(jìn)行研究，不能完全體現(xiàn)工程實(shí)際中的全因數(shù)性，而且未在硬度方面的進(jìn)行實(shí)際工程研究。在研究錐閥沖擊規(guī)律方面，未考慮錐閥運(yùn)動(dòng)關(guān)閉時(shí)，造成的局部應(yīng)力集中，還有實(shí)際工程中流體流動(dòng)和流體可能含有隨機(jī)出現(xiàn)的固體顆粒等綜合因數(shù)帶來(lái)的載荷變化，忽略了硬度，硬度與這些因數(shù)關(guān)系十分密切。錐閥的沖蝕磨損研究時(shí)，由于主要研究的是錐閥閥隙流場(chǎng)特性，沒(méi)有考慮錐閥運(yùn)動(dòng)過(guò)程以及硬度因數(shù)，硬度對(duì)沖蝕影響尤其大。一些學(xué)者是利用軟件，從一些固定參數(shù)進(jìn)行分析研究，而實(shí)際錐閥工作中，流體流速以及閥隙是隨時(shí)間成周期變化的，流體中的顆粒是隨機(jī)的，不是某一固定值，也未從硬度方面進(jìn)行研究。錐閥在實(shí)際工作時(shí)，受到多項(xiàng)因素的綜合影響使其失效，雖然一些學(xué)者從錐閥的很多影響因數(shù)方面進(jìn)行了相關(guān)研究，但未考慮在工程實(shí)際情況下，硬度方面影響因數(shù)，而該因數(shù)是錐閥失效因數(shù)中非常重要的因數(shù)。采用實(shí)際工程中用的五缸往復(fù)泵為實(shí)驗(yàn)裝置，完全模擬往復(fù)泵閥組工作狀態(tài)，一次性裝入五種不同硬度的閥組，保證實(shí)驗(yàn)中五組閥組的實(shí)驗(yàn)條件相同，通過(guò)400h運(yùn)行后，檢查錐閥密封面的損壞情況及密封面的位置尺寸變化，從而得出錐閥密封面硬度與其失效關(guān)系。保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果更具有工程使用價(jià)值。

2 閥運(yùn)動(dòng)概述

錐閥在工作過(guò)程中受到的力有：彈簧力、液體壓差力、重力、慣性力、摩擦阻力和各種機(jī)械阻力等，在這些力的綜合作用下，錐閥做短行程的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)泵處于吸入狀態(tài)時(shí)，吸入錐閥受到向上的力大于向下的力，錐閥打開(kāi)，錐閥與閥座之間出現(xiàn)間隙，該間隙由小很開(kāi)變大，液體從縫隙流過(guò)，進(jìn)入泵腔內(nèi)；當(dāng)泵處于排出狀態(tài)時(shí)，吸入錐閥受到向上的力小于向下的力，錐閥關(guān)閉，阻止液體回流，排出錐閥受到向上的力大于向下的力，錐閥打開(kāi)，錐閥與閥座之間出現(xiàn)間隙，該間隙由小很開(kāi)變大，液體從縫隙流過(guò)，進(jìn)入泵排出管路。吸入閥與排出閥交替啟閉，實(shí)現(xiàn)液體連續(xù)被輸送。液體高速流過(guò)錐閥與閥座的間隙時(shí)，對(duì)錐閥密封面造成沖蝕，在錐閥關(guān)閉瞬間，密封面上可能存在顆粒等異物，也會(huì)造成錐閥密封面壓潰損壞，錐閥與閥座密封貼合瞬間，有一個(gè)沖擊，該沖擊也會(huì)造成錐閥密封面疲勞損傷。

3 實(shí)驗(yàn)方案

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置采用一臺(tái)皮帶傳動(dòng)減速的五缸往復(fù)泵，該泵可同時(shí)裝5組閥組（每組閥組包含一個(gè)吸入閥組和一個(gè)排出閥組），比傳統(tǒng)三缸往復(fù)泵多兩組閥組，可一次性對(duì)五組閥組實(shí)驗(yàn)，從而增加實(shí)驗(yàn)樣本數(shù)，并實(shí)現(xiàn)樣本實(shí)驗(yàn)條件一致性，其裝置，如圖1所示。

圖1 五缸往復(fù)泵實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.1 Experimental Equipment Diagram of Five Plunger Reciprocating Pump

其泵頭采用立式結(jié)構(gòu)，吸、排錐閥在同一豎直軸線上。上端為排出錐閥，升程為（4±0.5）；下端為吸入錐閥，升程為（5±0.5）。該泵頭采用五柱塞結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊，壓力波動(dòng)較小，一次可裝入五組吸、排錐閥，如圖2所示。

圖2 泵頭閥組結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Pump Head Valve Group Structure

3.2 基本參數(shù)

實(shí)驗(yàn)裝置為一臺(tái)五缸往復(fù)泵，其參數(shù)，如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)Tab.1 Experiment Parameter

3.3 密封面硬度選擇

錐閥的材料選用常規(guī)的30Cr13，其硬化處理的最高硬度達(dá)50多HRC，為實(shí)驗(yàn)不同硬度對(duì)閥密封面的損壞情況，從而推算閥組壽命趨勢(shì)，選擇了5種不同硬度，如表2所示。

表2 密封面硬度值Tab.2 Hardness of Sealing Surface

3.4 各錐閥H值測(cè)定

H值表示密封面的位置尺寸，通過(guò)測(cè)量實(shí)驗(yàn)前、后H值的變化，如圖3所示?？梢灾烂芊饷嬖趯?shí)驗(yàn)前、后的變形量，在與密封面的硬度進(jìn)行對(duì)比，得出密封面硬度與變形的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)前測(cè)量的H值記錄填表，如表3所示。

圖3 H值示意圖Fig.3 H Value Sketch

表3 H測(cè)量值Tab.3 H Measured Value

4 實(shí)驗(yàn)過(guò)程說(shuō)明

該次實(shí)驗(yàn)在工廠內(nèi)試驗(yàn)場(chǎng)地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，輸送介質(zhì)采用常溫一般水，水中含有少量油污、雜質(zhì)等異物，泵運(yùn)行參數(shù)為：往復(fù)次數(shù)為280r∕min，排出壓力穩(wěn)定在（16±0.3）MPa，流量為（25.2～26）m3∕h之間，運(yùn)行時(shí)間總計(jì)為400h，實(shí)驗(yàn)中未更換任何零件，實(shí)驗(yàn)中各項(xiàng)參數(shù)穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)過(guò)程順利，未發(fā)現(xiàn)較大問(wèn)題。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5.1 實(shí)驗(yàn)后密封面

實(shí)驗(yàn)后，將錐閥從泵頭內(nèi)拆出，觀察其密封面損壞情況，如圖4所示。1號(hào)吸、排錐閥（密封面硬度50HRC）密封面情況較好，未發(fā)現(xiàn)明顯點(diǎn)蝕、凹坑及其他缺陷。2號(hào)吸、排錐閥有明顯點(diǎn)蝕情況，大小在（0.2～0.3）mm，數(shù)量不多，也不密集，密封面光潔度較好。有較明顯環(huán)痕出現(xiàn)，但無(wú)深溝槽。3號(hào)吸、排錐閥有明顯點(diǎn)蝕、凹坑情況，大小在（0.25～0.35）mm，數(shù)量不多，也不密集，密封面光潔度一般。其中吸入錐閥有部分缺陷較大，有（0.3×0.1）mm，初步估計(jì)是由于過(guò)流介質(zhì)中存在顆粒引起該部分出現(xiàn)大的缺陷。有較多環(huán)痕出現(xiàn)，用指甲感受，有輕微梯度或溝槽出現(xiàn)。4號(hào)吸、排錐閥有明顯點(diǎn)蝕、凹坑情況，大小在Φ（0.3～0.4）mm，數(shù)量較多，較密集，密封面光潔度較差。其中吸、排錐閥皆有多處較大缺陷，最大的有（0.3×0.3）mm。

圖4 錐閥密封面損壞情況圖Fig.4 Damage Diagram of Sealing Surface of Cone Valve

因?yàn)橛胁糠州^大缺陷，且數(shù)量較多，初步分析應(yīng)該與密封面硬度有關(guān)。有明顯環(huán)痕出現(xiàn)，用指甲感受，有輕微梯度或溝槽出現(xiàn)。5 號(hào)吸、排錐閥有很多點(diǎn)蝕、大凹坑情況，較多點(diǎn)蝕大小在Φ（0.3～0.4）mm，數(shù)量較多，較密集，密封面光潔度很差。其中吸、排錐閥皆有多處較大缺陷，最大的有0.4×0.3mm。因?yàn)橛胁糠州^大缺陷，且呈常態(tài)出現(xiàn)，有明顯環(huán)痕出現(xiàn)，用指甲感受，有輕微梯度或溝槽出現(xiàn)。具體的數(shù)據(jù)，如表4所示。

表4 缺陷(不含環(huán)痕、溝槽)數(shù)量Tab.4 Number of Defects(Excluding Ring Marks and Grooves)

5.2 實(shí)驗(yàn)后H值

實(shí)驗(yàn)后，再次測(cè)量H值，數(shù)據(jù)，如表5所示。

表5 實(shí)驗(yàn)后H值Tab.5 H Value After Experiment

6 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

6.1 實(shí)驗(yàn)后密封面情況分析

實(shí)驗(yàn)后密封面情況，如圖5所示。

圖5 密封面缺陷數(shù)量圖Fig.5 Figure of Defect Number of Sealing Surface

通過(guò)以上兩表可以看出，密封面缺陷數(shù)量與密封面硬度呈非線性反比關(guān)系，即密封面缺陷數(shù)量隨密封面硬度降低而增多，從曲線的曲率上看，硬度越低，曲率越大，說(shuō)明硬度越低，缺陷數(shù)量相對(duì)要多些。通過(guò)對(duì)比吸、排錐閥密封面缺陷情況，可以看出，排出錐閥缺陷數(shù)量相較于吸入錐閥缺陷數(shù)量要多，但是吸入錐閥大的凹坑數(shù)量較多，且大的凹坑占有面積相對(duì)較大，故數(shù)量少一些，即吸入錐閥缺損情況要比排出錐閥嚴(yán)重。

分析原因：（1）因?yàn)楸眠M(jìn)口無(wú)壓力，加之錐閥硬度偏低，造成部分汽蝕；（2）吸入閥較排出錐閥升程要高，故閥在回坐時(shí)的沖擊力更大，造成的缺陷更多更嚴(yán)重。

6.2 實(shí)驗(yàn)后H值分析

具體的實(shí)驗(yàn)后每組錐閥的磨損量，如圖6所示。

圖6 H值磨損量圖Fig.6 H Value Wear Diagram實(shí)驗(yàn)完畢后磨損量與硬度的關(guān)系，如圖7所示。

圖7 磨損量與硬度的關(guān)系圖Fig.7 Diagram of Wear and Hardvess

根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，錐閥在50HRC的時(shí)候?qū)嶒?yàn)?zāi)p量為0，這個(gè)在理論上來(lái)說(shuō)應(yīng)該是不存在的，有可能是變形量太小，測(cè)量存在誤差，不能測(cè)量出來(lái)造成的。

通過(guò)以上兩表可以看出：錐閥的磨損量與硬度值存在一個(gè)反比非線性關(guān)系，即硬度值越高則磨損量越小，從曲線的曲率上看，硬度越低，曲率越大，說(shuō)明硬度越低，磨損量相對(duì)越大，后面逐漸減少；排出錐閥磨損比吸入錐閥磨損較輕，這是由于吸入錐閥升程比排出錐閥略高，吸入錐閥關(guān)閉時(shí)沖擊要比排出錐閥較大。

7 結(jié)論

錐閥在運(yùn)動(dòng)中，液體高速流過(guò)錐閥密封面，對(duì)密封面產(chǎn)生沖蝕；而且在錐閥關(guān)閉時(shí)，密封面與閥座碰撞，產(chǎn)生沖擊，液體中的顆?？赡茉阱F閥關(guān)閉瞬間，處于密封面處，壓潰密封面。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：（1）錐閥的密封面缺陷數(shù)量與密封面硬度成反比非線性關(guān)系，即密封面缺陷數(shù)量隨密封面硬度降低而增多，閥的硬度值越高，大的凹坑、溝槽數(shù)量會(huì)越少。錐閥的升程越大，沖擊力越大，密封面的缺陷越大。（2）錐閥的磨損量與硬度值存在一個(gè)反比非線性關(guān)系，即硬度值越高則磨損量越小，耐磨性越差。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，密封面硬度越高越好，在其硬度達(dá)到50HRC時(shí)已處于一個(gè)比較理想的狀態(tài)。密封面硬度越低越差，當(dāng)硬度低于30HRC時(shí)，缺陷較嚴(yán)重，不推薦使用。（3）錐閥的硬度在低段變化時(shí)，缺陷數(shù)量和磨損量的相對(duì)量越大，隨著硬度值變大，相對(duì)量減少，說(shuō)明硬度對(duì)缺陷和磨損在硬度高值區(qū)間影響變小，但后期硬度要提高，工藝非常復(fù)雜，成本很高，故不宜繼續(xù)提高。