往復(fù)式液壓隔膜泵活塞桿斷裂原因分析

麻貴歡

（平果鋁業(yè)有限公司，廣西 百色 531400）

0 引言

在往復(fù)式液壓隔膜泵的運(yùn)行過程中，活塞桿需要帶動(dòng)活塞在活塞缸內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，以此為設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)與功能的實(shí)現(xiàn)提供動(dòng)力，因此活塞桿的工作負(fù)荷也相對(duì)較高，容易出現(xiàn)斷裂問題，對(duì)機(jī)組造成二次破壞，甚至引發(fā)泄露、爆炸等安全事故，威脅生產(chǎn)人員的生命安全。因此相關(guān)設(shè)備檢修維護(hù)人員不僅要掌握相應(yīng)的故障處理方法，而且要對(duì)活塞桿斷裂的原因進(jìn)行分析，采用更加針對(duì)性的處理辦法，以此為往復(fù)式液壓隔膜泵的運(yùn)行安全與穩(wěn)定性提供保障。

1 往復(fù)式液壓隔膜泵概述

往復(fù)式液壓隔膜泵（圖1）是在傳統(tǒng)液壓隔膜泵的基礎(chǔ)上改進(jìn)得出的新式隔膜泵，一方面繼承了傳統(tǒng)隔膜泵的優(yōu)勢(shì)，效率高，流量穩(wěn)定，適應(yīng)性強(qiáng)，能夠運(yùn)送有毒、貴重或具有較強(qiáng)磨損性的液體，還能用作計(jì)量泵[1]。另一方面，往復(fù)式液壓隔膜泵的活塞缸與泵體連接，活塞可以在活塞缸內(nèi)部進(jìn)行軸向往復(fù)滑動(dòng)。在往復(fù)式液壓隔膜泵的泵體內(nèi)部還安設(shè)了前導(dǎo)向座與后導(dǎo)向座，內(nèi)部設(shè)有可軸向移動(dòng)的導(dǎo)向套，并在導(dǎo)向套與導(dǎo)向座之間設(shè)有復(fù)位彈簧。前后導(dǎo)向套內(nèi)部由導(dǎo)桿連接，導(dǎo)桿左端為導(dǎo)桿套，右端為限位環(huán)，限位環(huán)與限制板固定在一起，限制板兩端連接有隔膜，不與限位環(huán)固定的一端與泵體連接，并且在泵體下端設(shè)有補(bǔ)償閥，與后導(dǎo)向座溝槽連通。通過上述結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)的改進(jìn)，能夠有效提升隔膜泵的運(yùn)行穩(wěn)定性，控制隔膜的最大變形撓度，以此延長(zhǎng)隔膜的使用壽命，降低往復(fù)式液壓隔膜泵的運(yùn)行成本。

圖1 往復(fù)式液壓隔膜泵

2 往復(fù)式液壓隔膜泵活塞桿斷裂的原因

2.1 活塞桿的加工與安裝

往復(fù)式液壓隔膜泵內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2 所示，運(yùn)行的過程中，活塞桿需要長(zhǎng)時(shí)間承受較大的交變應(yīng)力，這對(duì)活塞桿自身的抗疲勞性能提出了較高的要求。而在活塞桿加工的過程中，如未采用滾壓操作加工螺紋，活塞桿在面對(duì)較大的應(yīng)力時(shí)就有可能出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)荷載的現(xiàn)象，導(dǎo)致往復(fù)式液壓隔膜泵活塞桿出現(xiàn)裂紋，縮減活塞桿的有效截面，形成惡性循環(huán)，最終引發(fā)活塞桿的斷裂。

圖2 往復(fù)式液壓隔膜泵內(nèi)部結(jié)構(gòu)

在往復(fù)式液壓隔膜泵安裝過程中的問題也有可能會(huì)導(dǎo)致活塞桿的斷裂。如果安裝過程中導(dǎo)桿與溝槽的結(jié)合不夠緊密，就有可能導(dǎo)致其在運(yùn)行過程中出現(xiàn)脫軌的問題，導(dǎo)致慣性力增加，帶動(dòng)活塞桿與氣缸套的軸線超出標(biāo)準(zhǔn)范圍，加大活塞桿應(yīng)力，提升活塞桿斷裂的概率。

2.2 疲勞斷裂

往復(fù)式液壓隔膜泵運(yùn)行過程中，活塞桿需要持續(xù)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，承受著較大的交變應(yīng)力與運(yùn)行壓力，在二者共同作用下，螺紋將成為容易出現(xiàn)裂紋的薄弱點(diǎn)，應(yīng)力會(huì)因有效截面的面積減小而進(jìn)一步集中，在到達(dá)活塞桿的極限后從根部瞬間斷裂，這一現(xiàn)象被稱為疲勞斷裂?；钊麠U斷裂如圖3 所示。

圖3 活塞桿斷裂

當(dāng)活塞桿出現(xiàn)疲勞斷裂時(shí)，突出的特點(diǎn)是斷口平整，沒有明顯的變形與縮頸，成金屬本身的正常顏色，且斷口一般與活塞桿的中軸線呈近似垂直，而斷口形態(tài)也是判斷斷裂種類與原因的重要指標(biāo)[2]。這是由于活塞桿一般會(huì)選擇強(qiáng)度與韌性都較為良好的材料，如果斷裂原因?yàn)槔瓟嗷蚺まD(zhuǎn)，則斷口必然出現(xiàn)明顯的變形，只有疲勞斷裂屬“自然斷裂”，斷口處不會(huì)出現(xiàn)明顯變形。疲勞斷裂的第二個(gè)特點(diǎn)是不可預(yù)測(cè)的突發(fā)性，斷裂時(shí)不存在明顯的前期預(yù)兆，大多數(shù)情況下都是突然斷裂。這受到活塞桿自身形狀與加工方式的影響，兩端螺紋的應(yīng)力承受性能最差，對(duì)裂紋最為敏感，由此可見只要往復(fù)式液壓隔膜泵依然處于運(yùn)行狀態(tài)，活塞桿的抗疲勞性就難免下降，活塞桿斷裂也因此不可避免。

2.3 液擊現(xiàn)象

在判斷往復(fù)式液壓隔膜泵斷裂原因時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)氣缸內(nèi)部存在大量液體沖刷的痕跡，則證明往復(fù)式液壓隔膜泵運(yùn)行過程中分離器內(nèi)部的油水沒有及時(shí)排出，導(dǎo)致氣缸內(nèi)部進(jìn)水，活塞運(yùn)動(dòng)受阻，引發(fā)活塞桿的斷裂，此時(shí)可以判斷活塞桿斷裂的原因?yàn)橐簱衄F(xiàn)象。

在往復(fù)式液壓隔膜泵運(yùn)行過程中，如果出現(xiàn)液體進(jìn)入氣缸的現(xiàn)象，則會(huì)導(dǎo)致活塞桿承受的應(yīng)力突然提升，引發(fā)嚴(yán)重的液擊現(xiàn)象，一旦達(dá)到活塞桿承受應(yīng)力的極限，則會(huì)在其薄弱處引發(fā)活塞桿斷裂[3]。不僅如此，液擊現(xiàn)象還會(huì)引發(fā)一系列的后續(xù)問題，比如活塞的螺母有可能掉入氣缸，在活塞的帶動(dòng)下保持高速運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，猛烈撞擊氣缸蓋，導(dǎo)致氣缸蓋破裂，甚至飛出氣缸，危害工作人員的生產(chǎn)安全與生命安全。

2.4 螺母扭力過大

螺母的調(diào)校是往復(fù)式液壓隔膜泵運(yùn)行維護(hù)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在旋緊螺母，為活塞螺母施加阻力時(shí)，穿過活塞內(nèi)孔的部分活塞桿，特別是帶有螺紋的部分就會(huì)受力而產(chǎn)生伸長(zhǎng)變形。當(dāng)旋緊螺母所施加的扭力在規(guī)定范圍之內(nèi)時(shí)，活塞桿所受的拉力也在其剛性范圍之內(nèi)，不會(huì)對(duì)活塞桿的正常運(yùn)行造成負(fù)面影響。活塞桿本身具備一定彈性，當(dāng)螺母放松時(shí)，活塞桿就會(huì)恢復(fù)到原有的軸向尺寸。但當(dāng)螺母扭力過大時(shí)，活塞桿所受的拉力就會(huì)超過其剛性范圍，此時(shí)活塞內(nèi)孔中的部分活塞桿，尤其是帶有螺紋的部分就會(huì)發(fā)生塑性變形，在反復(fù)交變力的作用下導(dǎo)致活塞桿斷裂。不僅如此，往復(fù)式液壓隔膜泵的維修人員的工作習(xí)慣也有可能加重螺母扭力過大引發(fā)的活塞桿斷裂，比如當(dāng)被緊螺母的扭矩過大，且采用敲擊的方式擰緊螺母時(shí)，活塞桿定位臺(tái)肩外表面就會(huì)附帶灰塵與金屬粉末，提升其脆性，提高活塞桿斷裂的發(fā)生概率。

3 往復(fù)式液壓隔膜泵活塞桿斷裂的解決方法

3.1 優(yōu)化活塞桿結(jié)構(gòu)

往復(fù)式液壓隔膜泵活塞桿結(jié)構(gòu)如圖4 所示，由于疲勞斷裂是活塞桿最為常見的斷裂原因，而其出現(xiàn)與截面所受應(yīng)力存在密切的聯(lián)系，所以應(yīng)當(dāng)先對(duì)危險(xiǎn)截面處的結(jié)構(gòu)作出優(yōu)化處理，在危險(xiǎn)截面位置增加應(yīng)力削減凹槽，避免應(yīng)力過度集中，同時(shí)起到降低過渡處承受應(yīng)力的作用。

圖4 往復(fù)式液壓隔膜泵活塞桿結(jié)構(gòu)

另外，要對(duì)往復(fù)式液壓隔膜泵活塞桿的臺(tái)肩結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。原本的活塞桿臺(tái)肩結(jié)構(gòu)與活塞之間沒有承壓塊，導(dǎo)致活塞桿與活塞之間的接觸面積有限，活塞桿的局部應(yīng)力增加，提升其斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。而優(yōu)化后的新結(jié)構(gòu)則在活塞桿臺(tái)肩結(jié)構(gòu)與活塞之間設(shè)計(jì)了承壓塊，起到了降低接觸面比壓的作用，同時(shí)使活塞桿在接觸面上的荷載分布更加均勻[4]。不僅如此，活塞桿臺(tái)肩部分與承壓塊結(jié)合也降低了活塞桿承受橫向載荷導(dǎo)致應(yīng)力彎曲而損壞的概率。

同時(shí)，要對(duì)活塞螺母進(jìn)行優(yōu)化，螺母扭力過大同樣是導(dǎo)致往復(fù)式液壓隔膜泵活塞桿斷裂的原因之一。一般情況下，往復(fù)式液壓隔膜泵的活塞螺母需要使用F型扳手進(jìn)行緊固，扭矩較大，很難達(dá)成恰當(dāng)?shù)木o固效果，且無法實(shí)現(xiàn)對(duì)螺栓緊固力的精確控制。超級(jí)螺母結(jié)構(gòu)主要是通過擰緊多個(gè)小螺釘產(chǎn)生較為強(qiáng)大的軸向頂推力，并將頂推力直接作用到硬化墊圈上。由于頂推螺釘?shù)哪Σ林睆叫。岳闷鋵?duì)往復(fù)式液壓隔膜泵的活塞螺母進(jìn)行優(yōu)化，就可以在較小的扭矩下實(shí)現(xiàn)高的頂推力，且能夠通過扭矩扳手對(duì)每個(gè)小螺釘?shù)木o固力矩作出精確控制，有效解決原有螺母結(jié)構(gòu)因緊固力矩不精確導(dǎo)致活塞螺母松動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)概率提升。

3.2 改進(jìn)活塞桿的制作工藝

往復(fù)式液壓隔膜泵活塞桿的制作工藝對(duì)其質(zhì)量有著直接的影響，對(duì)其制作工藝作出改良能夠有效提升活塞桿的性能與穩(wěn)定性。在活塞桿螺紋的加工過程中，可以根據(jù)實(shí)際的性能需求選擇滾壓、軋制與削磨等加工工藝，優(yōu)化最終的加工效果。同時(shí)，為了避免往復(fù)式液壓隔膜泵活塞桿在粗加工后出現(xiàn)裂紋，則需要在加工前后對(duì)材料進(jìn)行超聲波探傷，一方面是為了確保加工材料的完好性，保證其在進(jìn)行制作之前不存在裂紋；另一方面也是為了再次檢查加工效果，避免存在暗傷的活塞桿投入使用。而對(duì)活塞桿的調(diào)制處理能夠有效提升其抗疲勞性能與抵抗交變載荷的能力，降低其出現(xiàn)斷裂問題的概率[5]。除此之外，在加工往復(fù)式液壓隔膜泵活塞桿螺紋時(shí)還可以采用擠壓加工的方式降低殘余應(yīng)力，延長(zhǎng)活塞桿使用壽命與疲勞強(qiáng)度。

3.3 采用合理的預(yù)防措施

除了對(duì)往復(fù)式液壓隔膜泵活塞桿本身進(jìn)行優(yōu)化之外，相關(guān)維修人員還可以采用合理的預(yù)防措施來防止活塞桿斷裂，在保障人員的安全同時(shí)，降低往復(fù)式液壓隔膜泵的運(yùn)行成本。

首先，從往復(fù)式液壓隔膜泵安裝的角度出發(fā)，維修人員應(yīng)當(dāng)保障設(shè)備的安裝質(zhì)量。高質(zhì)量的安裝工作能夠盡可能避免失誤，為往復(fù)式液壓隔膜泵創(chuàng)造良好的運(yùn)行環(huán)境，保障穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，有效延長(zhǎng)往復(fù)式液壓隔膜泵活塞桿的使用壽命，因此在安裝往復(fù)式液壓隔膜泵時(shí)要嚴(yán)格按照安裝標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行施工，同時(shí)關(guān)注活塞螺母的扭矩與扭力。為保證安裝工作的質(zhì)量，應(yīng)當(dāng)選取經(jīng)驗(yàn)豐富，操作規(guī)范的技術(shù)人員完成活塞桿的安裝工作，避免人為因素對(duì)活塞桿的運(yùn)行狀態(tài)造成負(fù)面影響。與此同時(shí)，在安裝往復(fù)式液壓隔膜泵活塞桿的過程中要加強(qiáng)對(duì)活塞桿的保護(hù)，避免螺紋、螺帽等精細(xì)部位因?yàn)榕鲎捕冃巍Ｔ诎惭b活塞桿背帽之前還需要對(duì)活塞桿進(jìn)行徹底清理，去除螺紋內(nèi)淤積的雜物。

其次，相關(guān)維修人員還要對(duì)往復(fù)式液壓隔膜泵以及活塞桿的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行定期檢查。應(yīng)當(dāng)建立完善的設(shè)備ABC 檢查維護(hù)制度（圖5），明確不同級(jí)別的檢修工作的內(nèi)容與頻率，為日常檢查維護(hù)工作的展開提供依據(jù)。比如在對(duì)活塞桿進(jìn)行日常檢查時(shí)需要打開活塞，利用超聲波檢測(cè)活塞桿內(nèi)部是否出現(xiàn)了裂紋，并通過著色探傷來檢查其內(nèi)部的完好性，螺紋部位需要進(jìn)行重點(diǎn)檢查，如發(fā)現(xiàn)存在安全隱患的活塞桿，需要及時(shí)進(jìn)行更換。日常維修檢查完成后，相關(guān)維修人員需要根據(jù)本次檢查的實(shí)際情況與相關(guān)數(shù)據(jù)建立檢修報(bào)告，以便于判斷往復(fù)式液壓隔膜泵的工作狀態(tài)以及活塞桿的情況，對(duì)活塞桿的斷裂原因作出深入分析，保障解決方法的有效性與針對(duì)性。

圖5 設(shè)備ABC 檢查維護(hù)制度

4 結(jié)語

往復(fù)式液壓隔膜泵是在傳統(tǒng)液壓隔膜泵的基礎(chǔ)上改進(jìn)得出的新式隔膜泵，能夠有效提升隔膜泵的運(yùn)行穩(wěn)定性，控制隔膜的最大變形撓度，以此延長(zhǎng)隔膜的使用壽命，降低往復(fù)式液壓隔膜泵的運(yùn)行成本。對(duì)往復(fù)式液壓隔膜泵活塞桿斷裂進(jìn)行分析，可以總結(jié)出活塞桿的加工與安裝、疲勞斷裂、液擊現(xiàn)象、螺母扭力過大等原因。因此需要優(yōu)化活塞桿結(jié)構(gòu)，改進(jìn)活塞桿的制作工藝，采用合理的預(yù)防措施。