往復泵錐閥密封面硬度與其失效關系的實驗研究

陳 禮，賈秋紅，李文強，郭 偉

（1.重慶水泵廠有限責任公司國家級企業技術中心，重慶 400033；2.重慶理工大學機械工程學院，重慶 400054）

1 引言

往復泵是一種典型的容積泵。相對其它的往復泵，出現較早，隨著其它的泵的出現，其使用領域逐漸減少，但因其效率高，自吸能力好，能實現小流量，高揚程，輸出流量基本不隨排出壓力變化而變化的特性，仍被廣泛應用。在一些工藝流程中，仍被作為關鍵設備使用。往復泵的工作原理是將外部輸入的旋轉運動，通過曲柄連桿等機構轉化為往復運動，帶動液壓元件往復抽吸，再配合吸、排閥組的交替開閉運動，實現了液體被加壓后連續輸出[1]。

錐閥是往復泵的液力部分的最重要零部件之一，是實現流體被連續輸送的關鍵部件。錐閥若輕度失效將對往復泵關鍵流量參數造成影響。如：流量減小、不穩定等現象；若重度失效，泵將會失去輸送流體的功能，即往復泵的流量參數嚴重下降，甚至為0。

學者們對于錐閥的沖擊規律和沖蝕磨損進行了相關的研究。通過分析錐閥在沖擊時的規律，解析出應力分布機理，找出產生應力最大點，根據分析結果，設計時采取相應的避免措施，從而設計出更優化的錐閥。在沖擊規律分析方面，北京化工大學楊國安[2?4]學者的團隊，利用ANSYS軟件進行了仿真計算，分析表明，在沖擊接觸錐面上，錐面下部出現總變形和等效應力較大值，這一結果與實際工程相一致，并依據錐閥的S?N疲勞曲線的變化趨勢，預測了錐閥的壽命；文獻[5?7]都在求平均應力和沖擊應力方面進行了研究。在錐閥的沖蝕磨損研究方面，學者的研究基本上都集中在對錐閥隙流場方面的分析，國內外在錐閥隙流場方面的分析有：文獻[8]利用粒子成像測速技術（Particle Image Velocime?try,簡稱PIV），對的鉆井泵錐閥閥隙流場的特性進行了模型試驗研究，試驗了3種固定的閥密封面夾角的錐閥，通過數據分析處理，綜合分析了閥隙內流動對錐閥磨粒磨損的影響以及閥隙流速特性對錐閥沖蝕磨損的影響；文獻[9]運用有限元軟件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、顆粒尺寸對沖蝕性能的影響。結果表明，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;顆粒沖擊次數是造成閥膠皮沖蝕磨損的重要因素,經顆粒多次沖擊后,閥膠皮恢復彈性的能力降低直至發生塑性變形后疲勞失效。文獻[10]利用CFD 相關軟件對鉆井泵泵閥的流場分布情況進行了動態仿真分析。結果表明，隨著吸入沖程的進行，流場內最大速度呈現出先增大后減小的趨勢；閥隙入口處的流場速度最大，這是閥體錐面底部易產生塊狀脫落的根本原因；在閥體附近產生較強的漩渦，將帶動周圍鉆井液中的粒子對泵閥及液缸產生強烈的沖蝕作用；隨閥體錐角增加和沖次的上升，泵閥內的流場速度分布水平呈上升趨勢。文獻[11]運用諧波小波包能量特征提取和最小二乘支持向量機（LSSVM）相結合的方法識別泵閥故障。試驗結果表明將諧波小波包分解和LS?SVM 相結合可以準確有效地識別泵閥故障類型。

以前對往復泵錐閥的研究一般是某單項作用的研究，而且要么是用相關軟件進行理論分析研究，要么是試驗室利用設計的裝置進行研究，不能完全體現工程實際中的全因數性，而且未在硬度方面的進行實際工程研究。在研究錐閥沖擊規律方面，未考慮錐閥運動關閉時，造成的局部應力集中，還有實際工程中流體流動和流體可能含有隨機出現的固體顆粒等綜合因數帶來的載荷變化，忽略了硬度，硬度與這些因數關系十分密切。錐閥的沖蝕磨損研究時，由于主要研究的是錐閥閥隙流場特性，沒有考慮錐閥運動過程以及硬度因數，硬度對沖蝕影響尤其大。一些學者是利用軟件，從一些固定參數進行分析研究，而實際錐閥工作中，流體流速以及閥隙是隨時間成周期變化的，流體中的顆粒是隨機的，不是某一固定值，也未從硬度方面進行研究。錐閥在實際工作時，受到多項因素的綜合影響使其失效，雖然一些學者從錐閥的很多影響因數方面進行了相關研究，但未考慮在工程實際情況下，硬度方面影響因數，而該因數是錐閥失效因數中非常重要的因數。采用實際工程中用的五缸往復泵為實驗裝置，完全模擬往復泵閥組工作狀態，一次性裝入五種不同硬度的閥組，保證實驗中五組閥組的實驗條件相同，通過400h運行后，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系。保證實驗結果更具有工程使用價值。

2 閥運動概述

錐閥在工作過程中受到的力有：彈簧力、液體壓差力、重力、慣性力、摩擦阻力和各種機械阻力等，在這些力的綜合作用下，錐閥做短行程的往復運動。當泵處于吸入狀態時，吸入錐閥受到向上的力大于向下的力，錐閥打開，錐閥與閥座之間出現間隙，該間隙由小很開變大，液體從縫隙流過，進入泵腔內；當泵處于排出狀態時，吸入錐閥受到向上的力小于向下的力，錐閥關閉，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，錐閥與閥座之間出現間隙，該間隙由小很開變大，液體從縫隙流過，進入泵排出管路。吸入閥與排出閥交替啟閉，實現液體連續被輸送。液體高速流過錐閥與閥座的間隙時，對錐閥密封面造成沖蝕，在錐閥關閉瞬間，密封面上可能存在顆粒等異物，也會造成錐閥密封面壓潰損壞，錐閥與閥座密封貼合瞬間，有一個沖擊，該沖擊也會造成錐閥密封面疲勞損傷。

3 實驗方案

3.1 實驗裝置

實驗裝置采用一臺皮帶傳動減速的五缸往復泵，該泵可同時裝5組閥組（每組閥組包含一個吸入閥組和一個排出閥組），比傳統三缸往復泵多兩組閥組，可一次性對五組閥組實驗，從而增加實驗樣本數，并實現樣本實驗條件一致性，其裝置，如圖1所示。

圖1 五缸往復泵實驗裝置圖Fig.1 Experimental Equipment Diagram of Five Plunger Reciprocating Pump

其泵頭采用立式結構，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構，結構緊湊，壓力波動較小，一次可裝入五組吸、排錐閥，如圖2所示。

圖2 泵頭閥組結構圖Fig.2 Pump Head Valve Group Structure

3.2 基本參數

實驗裝置為一臺五缸往復泵，其參數，如表1所示。

表1 實驗參數Tab.1 Experiment Parameter

3.3 密封面硬度選擇

錐閥的材料選用常規的30Cr13，其硬化處理的最高硬度達50多HRC，為實驗不同硬度對閥密封面的損壞情況，從而推算閥組壽命趨勢，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值測定

H值表示密封面的位置尺寸，通過測量實驗前、后H值的變化，如圖3所示?？梢灾烂芊饷嬖趯嶒炃?、后的變形量，在與密封面的硬度進行對比，得出密封面硬度與變形的關系。實驗前測量的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測量值Tab.3 H Measured Value

4 實驗過程說明

該次實驗在工廠內試驗場地進行實驗，輸送介質采用常溫一般水，水中含有少量油污、雜質等異物，泵運行參數為：往復次數為280r∕min，排出壓力穩定在（16±0.3）MPa，流量為（25.2～26）m3∕h之間，運行時間總計為400h，實驗中未更換任何零件，實驗中各項參數穩定，實驗過程順利，未發現較大問題。

5 實驗結果

5.1 實驗后密封面

實驗后，將錐閥從泵頭內拆出，觀察其密封面損壞情況，如圖4所示。1號吸、排錐閥（密封面硬度50HRC）密封面情況較好，未發現明顯點蝕、凹坑及其他缺陷。2號吸、排錐閥有明顯點蝕情況，大小在（0.2～0.3）mm，數量不多，也不密集，密封面光潔度較好。有較明顯環痕出現，但無深溝槽。3號吸、排錐閥有明顯點蝕、凹坑情況，大小在（0.25～0.35）mm，數量不多，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，初步估計是由于過流介質中存在顆粒引起該部分出現大的缺陷。有較多環痕出現，用指甲感受，有輕微梯度或溝槽出現。4號吸、排錐閥有明顯點蝕、凹坑情況，大小在Φ（0.3～0.4）mm，數量較多，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

因為有部分較大缺陷，且數量較多，初步分析應該與密封面硬度有關。有明顯環痕出現，用指甲感受，有輕微梯度或溝槽出現。5 號吸、排錐閥有很多點蝕、大凹坑情況，較多點蝕大小在Φ（0.3～0.4）mm，數量較多，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。因為有部分較大缺陷，且呈常態出現，有明顯環痕出現，用指甲感受，有輕微梯度或溝槽出現。具體的數據，如表4所示。

表4 缺陷(不含環痕、溝槽)數量Tab.4 Number of Defects(Excluding Ring Marks and Grooves)

5.2 實驗后H值

實驗后，再次測量H值，數據，如表5所示。

表5 實驗后H值Tab.5 H Value After Experiment

6 實驗數據分析

6.1 實驗后密封面情況分析

實驗后密封面情況，如圖5所示。

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

通過以上兩表可以看出，密封面缺陷數量與密封面硬度呈非線性反比關系，即密封面缺陷數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，說明硬度越低，缺陷數量相對要多些。通過對比吸、排錐閥密封面缺陷情況，可以看出，排出錐閥缺陷數量相較于吸入錐閥缺陷數量要多，但是吸入錐閥大的凹坑數量較多，且大的凹坑占有面積相對較大，故數量少一些，即吸入錐閥缺損情況要比排出錐閥嚴重。

分析原因：（1）因為泵進口無壓力，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，故閥在回坐時的沖擊力更大，造成的缺陷更多更嚴重。

6.2 實驗后H值分析

具體的實驗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實驗完畢后磨損量與硬度的關系，如圖7所示。

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

根據數據顯示，錐閥在50HRC的時候實驗磨損量為0，這個在理論上來說應該是不存在的，有可能是變形量太小，測量存在誤差，不能測量出來造成的。

通過以上兩表可以看出：錐閥的磨損量與硬度值存在一個反比非線性關系，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，說明硬度越低，磨損量相對越大，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，吸入錐閥關閉時沖擊要比排出錐閥較大。

7 結論

錐閥在運動中，液體高速流過錐閥密封面，對密封面產生沖蝕；而且在錐閥關閉時，密封面與閥座碰撞，產生沖擊，液體中的顆?？赡茉阱F閥關閉瞬間，處于密封面處，壓潰密封面。實驗結果表明：（1）錐閥的密封面缺陷數量與密封面硬度成反比非線性關系，即密封面缺陷數量隨密封面硬度降低而增多，閥的硬度值越高，大的凹坑、溝槽數量會越少。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反比非線性關系，即硬度值越高則磨損量越小，耐磨性越差。根據實驗結果可以看出，密封面硬度越高越好，在其硬度達到50HRC時已處于一個比較理想的狀態。密封面硬度越低越差，當硬度低于30HRC時，缺陷較嚴重，不推薦使用。（3）錐閥的硬度在低段變化時，缺陷數量和磨損量的相對量越大，隨著硬度值變大，相對量減少，說明硬度對缺陷和磨損在硬度高值區間影響變小，但后期硬度要提高，工藝非常復雜，成本很高，故不宜繼續提高。