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)最主要的設備之一，其作用就是在產品成型環(huán)節(jié)為介質提供較高的壓力，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，嚴重影響到催化劑產品的產量和質量。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，并提出合理改進措施。

關鍵詞：失效;分析;改進措施

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，使得運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量，將高壓泵中介質溫度提高到了80℃。此時尼龍球頻繁出現(xiàn)因壓痕導致的密封失效。在對尼龍球的失效形式進行細致觀察，發(fā)現(xiàn)在尼龍球的一個環(huán)形壓痕內深度不同，不難推斷，球產生了偏砸現(xiàn)象。因尼龍球已經不適于生產工藝，因此將尼龍球又改為鋼球，又考慮到降低維修成本，因此鋼球選用國產鋼球。但鋼球仍然經常發(fā)生疲勞點蝕，閥座砸壞的故障率也升高。

2 問題分析

2.1 運動分析

2.1.1 柱塞的運動分析

圖（2-1）是高壓泵曲軸與柱塞的運動示意，可以根據柱塞與曲軸的運動關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 球的運動分析

當柱塞開始從左向右運動時，閥球兩側的壓力差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，直至撞到閥罩內的限位架上;球撞擊限位架時，會產生反彈力，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，直到活塞接近止點位置時，活塞速度降低，瞬時流量降低，液流推力減小，當液流推力不足以克服球重力時，球開始離開限位架，向閥座方向運動。最理想的情況是當活塞達到止點位置時，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閉，復又在壓差作用下打開，但又馬上關閉，故而只能在閥座和限位架間不斷跳動，造成振顫。當由于各種原因閥球在活塞到達止點位置時不能及時落到閥座上，造成滯后關閉，而此時隨著柱塞運動超過止點后速度增大，瞬時流量增大，液流推力增大。當液流推力疊加在重力上時就有可能會使球對限位架和閥座產生猛烈撞擊，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

球是在活塞運動接近止點時開始下落的，這一時刻與閥球質量、流體流速等都有關，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動，結合瞬時流量與曲軸轉角的關系，下落時間越長，柱塞超過止點后越多，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，產生了應力集中。根據P=f/S，接觸面積是原來的10%，則球和閥座所受的壓強就是原來的10倍，是原來的1%，球和閥座所受的壓強就是原來的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、閥球的延遲關閉，最終都是因閥球對閥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行過渡。這種設計最大的優(yōu)點可以防止密封面的直接被砸壞，減小應力集中，保護球與閥座的密封面。

參考文獻：

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