APV75-118型高压泵单向阀失效分析及改进

王星星

摘 要：APV75-118型高壓泵为兰州石化催化剂厂微球车间喷雾干燥环节最主要的设备之一，其作用就是在产品成型环节为介质提供较高的压力，从而使微球具有良好的形状和大小。在使用过程中出现因单向阀损坏引起频繁的刺缸和压力波动，严重影响到催化剂产品的产量和质量。通过对催化剂二套微球APV75-118型高压泵单向阀组件失效的分析，为其改造提供理论基础，并提出合理改进措施。

关键词：失效;分析;改进措施

1 单向阀使用过程中存在的问题

为提高阀座硬度，将原一体式的阀座密封部分镶嵌硬质合金，不仅提高了阀座的硬度，减小了阀座的故障率，损坏后还可只更换镶嵌的硬质合金部分，降低了材料成本。鉴于钢球损坏的情况，为减小撞击力，并且使阀球能自由旋转，使得运动过程中能有不同的接触面，减少疲劳损伤，因此选用与原钢球同等直径的尼龙球，去掉辅助弹簧，钢球行程也由原来的15mm降低到5mm。改造后，球的寿命和阀座的寿命大大提高，维修成本降低。但催化剂车间因改变工艺和提高产量，将高压泵中介质温度提高到了80℃。此时尼龙球频繁出现因压痕导致的密封失效。在对尼龙球的失效形式进行细致观察，发现在尼龙球的一个环形压痕内深度不同，不难推断，球产生了偏砸现象。因尼龙球已经不适于生产工艺，因此将尼龙球又改为钢球，又考虑到降低维修成本，因此钢球选用国产钢球。但钢球仍然经常发生疲劳点蚀，阀座砸坏的故障率也升高。

2 问题分析

2.1 运动分析

2.1.1 柱塞的运动分析

图（2-1）是高压泵曲轴与柱塞的运动示意，可以根据柱塞与曲轴的运动关系来确定柱塞与流量的变化规律。

A为活塞截面积 ω为曲轴角速度 r为曲拐偏心距

2.1.2 球的运动分析

当柱塞开始从左向右运动时，阀球两侧的压力差ΔP在球上的作用力大于球的重力时，阀开启，液体进入液缸，球在液流的推力作用下，继续上升，直至撞到阀罩内的限位架上;球撞击限位架时，会产生反弹力，如果反弹力大于液流推力，则球会发生反弹现象;在正常情况下，反弹现象是比较轻微的，球在液流推力的作用下，会再次贴到限位架上，此时液流推力大于球重力，球就停留在限位架上，直到活塞接近止点位置时，活塞速度降低，瞬时流量降低，液流推力减小，当液流推力不足以克服球重力时，球开始离开限位架，向阀座方向运动。最理想的情况是当活塞达到止点位置时，球也刚好落在阀座上，此时球完成一次工作。若最大液流推力不足以克服球的重力，球不能一直贴在限位架上，球在压差的作用下刚打开便又关闭，复又在压差作用下打开，但又马上关闭，故而只能在阀座和限位架间不断跳动，造成振颤。当由于各种原因阀球在活塞到达止点位置时不能及时落到阀座上，造成滞后关闭，而此时随着柱塞运动超过止点后速度增大，瞬时流量增大，液流推力增大。当液流推力叠加在重力上时就有可能会使球对限位架和阀座产生猛烈撞击，使球和限位架、阀座提前破坏。

2.2 球与阀座的损坏分析

2.2.1 正常撞击的分析

球是在活塞运动接近止点时开始下落的，这一时刻与阀球质量、流体流速等都有关，很难通过简单计算得到。在整个下落过程中，阀球受到重力，液流推力共同作用，液流推力从与重力反向相等逐渐减小到零，再变成与重力同向逐渐增大。合力表现为从零逐渐增大到与重力相等，再继续增大直到落在阀座上。整个过程是一个初速度为零的变加速运动，结合瞬时流量与曲轴转角的关系，下落时间越长，柱塞超过止点后越多，瞬时流量就越大，流速就越大，液流推力也就越大。因此整个下落过程占整个周期的比例越小，阀和阀座的冲击力越小。

2.2.2 偏砸的分析

往往阀罩更换的频率比较低，阀罩因球的磨损最大直径可以增大1-2mm，球因阀罩限位不够，落到阀座上时发生偏斜。球在偏砸时，球砸在了阀座上的V形台边缘上，造成了完全的线接触，接触面积剧减，产生了应力集中。根据P=f/S，接触面积是原来的10%，则球和阀座所受的压强就是原来的10倍，是原来的1%，球和阀座所受的压强就是原来的100倍。因此，球的偏砸是造成球和阀座失效的一个可能原因。

3 改造措施

3.1 减小冲击力

高压泵单向阀失效的可能原因是偏砸、阀球的延迟关闭，最终都是因阀球对阀座的撞击力过大而造成的。冲击力公式：

中，球的行程h越大，下落速度越大。用定性分析的方式来尽可能减小撞击力，从而减小球与阀座的失效频率。要减小冲击力F，可以减小球的质量m，球的行程h，球的弹性模量E1、阀座的弹性模量E2（单向阀的大小已定，因此建议钢球与阀座的尺寸不再改变）。

3.2 降低偏砸的影响

为降低偏砸的影响，在接触面上用一个圆弧段进行过渡。这种设计最大的优点可以防止密封面的直接被砸坏，减小应力集中，保护球与阀座的密封面。

参考文献：

[1]孙桓，陈作模，葛文杰.机械原理[M].北京：高等教育出版社，2013.