液驱隔膜压缩机气阀PEEK阀片应力状态研究

摘 要：吸排气阀是液驱隔膜压缩机中的关键部件，阀片是吸排气阀的易损件，阀片寿命是衡量吸排气阀性能的重要因素。聚醚醚酮（PEEK）因其优良的机械性能、耐磨性、耐高温性而经常被用作压缩机的气阀阀片材料。该文首先结合温度的变化对液驱隔膜压缩机气阀PEEK阀片所受应力进行有限元分析，然后结合高温的静载和疲劳试验对PEEK阀片进一步地验证，得出PEEK阀片在压缩机工作中的应力状态。通过对PEEK阀片应力状态的研究，为液驱隔膜压缩机气阀阀片的设计及优化提供指导。

关键词：PEEK;阀片;气阀;有限元分析;疲劳试验

中图分类号：TH45 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2024）30-0055-05

Abstract： Suction and exhaust valves are key components in liquid-driven diaphragm compressors. Valve discs are vulnerable parts of suction and exhaust valves. The life of valve discs is a crucial factor in measuring the performance of suction and exhaust valves. PEEK（Poly Ether Ether Ketone） is often used as a valve plate material for compressors due to its excellent mechanical properties， wear resistance， and high temperature resistance. In this paper， a finite element analysis is carried out on the stress on the PEEK valve plate of a liquid-driven diaphragm compressor based on the change of temperature. Then， the PEEK valve plate is further verified based on the static load and fatigue test at high temperature， and the PEEK valve plate is obtained. The stress state during compressor operation is obtained. Through the study on the stress state of PEEK valve plates， guidance is provided for the design and optimization of air valve plates of liquid-driven diaphragm compressors.

Keywords： PEEK; valve plate; air valve; finite element analysis; fatigue test

液驱隔膜式压缩机是一种容积式压缩机，液驱隔膜式压缩机具有压比大、密封性好和压缩机气体不易受油液和外界杂质污染的特点[1]。液驱隔膜式压缩机中安装的气阀用来实现吸气和排气。液驱隔膜式压缩机的工作周期可以分为2个：进气周期和排气周期，2个周期所用时间均等。在进气周期时，吸气阀打开，排气阀关闭;在排气周期时，排气阀打开，吸气阀关闭。液驱隔膜式压缩机的一个完整的工作周期一般为150 ms，也就是说在75 ms的时间内气阀要完成开、关各一次的动作。此外，液驱隔膜式压缩机的压缩比较大，因此，液驱隔膜式压缩机的工作腔室内温度较高，常达到100 ℃以上。从以上描述可以看出，液驱隔膜式压缩机的气阀工作特点为动作频率快、密封性要求高，同时需要能够耐受高温。气阀中的运动部件主要包括阀片和弹簧，其中阀片是气阀能够实现功能的关键因素。气阀工作时，靠气体力和弹簧的共同作用，阀片实现高频往复运动，同时阀片和阀座配合实现密封的功能。在工作时，阀片和阀座撞击和摩擦，同时需要耐受压缩机膜腔中的高温[2]。气阀阀片的寿命主要受其应力状态的影响，本文针对某排气压力为45 MPa的液驱隔膜式压缩机中正在使用的一款气阀PEEK阀片的应力状态进行研究，研究温度对其应力状态的影响和验证PEEK阀片的可靠性。

1 PEEK材质的性能特点及其作为阀片材质的优势

PEEK（聚醚醚酮）是一种芳香族结晶型热塑性高分子材料，它是由英国帝国化学工业公司（ICI）在1978年研发出来并开始商业化的[3]。相比于其他工程塑料，PEEK材料具有机械强度高、耐高温性、耐冲击、耐磨、耐疲劳、自润滑性和耐腐蚀等诸多优良的特质。正因为如此，PEEK材质在机械、化工、航空航天、医疗器械等行业得到广泛应用[4]。

相比于金属材料，PEEK材料密度低，弹性模量低，因此，用PEEK材料制成的阀片和金属阀片相比以同样的速度撞击升程限制器或者阀座产生的撞击应力也低，由此产生的疲劳损伤也随之降低。且PEEK阀片具有良好的耐磨性和柔韧性，材料对裂纹不敏感，在同样的应力水平下，PEEK阀片的使用寿命更长。

关于一般的PEEK材料的性能参数许多文献里已有详细描述，在此不再赘述。为详细了解目前市场上液驱隔膜压缩机所用气阀PEEK阀片材料的性能参数，调研了几家供应商，并将具体参数列举在表1中。

2 研究对象

本文研究对象为最高排气压力45 MPa的液驱隔膜式压缩机用菌形阀片。

3 应力状态研究

3.1 阀片所受载荷

压缩机气阀最常见的故障为阀片断裂，原因主要为交变应力导致的疲劳损坏，阀片所受交变应力主要包括阀片与升程限制器和阀座撞击产生的撞击应力及由于阀片两侧压差造成的弯曲应力[5]。由此可以看出，当上文所述压缩机排气压力最大且压缩比最大时，此时阀片两侧压差最大，阀片所受力最大。上文所述压缩机最大排气压力为45 MPa，最大压缩比为7.5，当压缩机运行在此工况下气阀阀片所承受的背向压力载荷为7 800 N。

压缩机工作在排气压力高、压缩比大的工况条件下时，排气温度会升高。温度升高到一定程度对PEEK材料的机械性能尤其是屈服强度、弹性模量产生较大的影响。根据压缩机测试结果，排气压力为45 MPa且压比为7.5时（吸气压力6 MPa），气体最高温度为140 ℃，由于被压缩气体在气阀中高速流动且气阀处于压缩机的膜头内部，可以近似认为阀片和气体的温度一致。

3.2 PEEK材料的弹性模量

要计算阀片的应力情况必须知道PEEK材料的弹性模量，PEEK材料的弹性模量会随着温度的变化而变化。

通过应力试验装置可以对不同温度下的PEEK材料的弹性模量进行测试。图1所示的试验结果表明，温度对弹性模量的影响比较明显，从常温下的6.18 GPa，下降到140 ℃时的3.76 GPa，下降幅度达到39%。需要根据工况载荷对PEEK材料阀片进行结构优化，确保在弹性模量为3.76 GPa时，阀片不会出现高应力集中点及大的塑性变形。

3.3 PEEK阀片的CAE分析

由于阀片两侧压差造成的弯曲应力可以利用有限元软件比较方便的计算，因此本文首先对于此部分应力进行CAE分析。

首先，将阀片和阀座的三维模型导入到有限元软件中，通过有限元软件建立阀片阀座结构的轴对称CAE模型。CAE模型采用四边形二维网格。阀片和阀座之间的连接采用接触连接，接触算法使用增广拉格朗日算法[6]。计算采取4种工况，施加同等的工况载荷;区别在于不同温度下PEEK材质的弹性模量不同。计算工况的设置见表2。CAE的计算结果如图2所示，4种工况下计算得出的最大应力为25 ℃下的应力131.75 MPa，最小应力为140 ℃下的应力57.55 MPa。可以看出随着温度的上升，在同样载荷下，阀片应力是逐步下降的。同时从表1可以看出，随着温度的上升PEEK材料的屈服极限是逐步下降的。计算结果表明，温度对于PEEK材料的影响非常大。

3.4 PEEK阀片的高温疲劳试验

气阀阀片在实际工作中主要是受交变疲劳载荷，对此CAE较难模拟，因此，要全面评价阀片的可靠性，需要进行疲劳试验。

气阀阀片（吸气阀、排气阀）在实际工作中所受载荷：阀门开启时，由于正向压差的作用，阀片会以一定速度冲击升程限制器，阀片和弹簧均受冲击载荷。在气阀关闭时，阀片对阀座冲击相对较弱，但气阀关闭后，阀片和阀座密封面会承受阀两侧反向压差产生的接触、剪切、弯曲应力。

2种交变载荷较难在同一试验装置上完成，故将冲击疲劳试验和交变应力疲劳试验分开进行。在第一次试验结束之后，将2种试验的试验件交换再次进行相同次数的试验，根据试验结果对气阀的疲劳寿命进行初步评判。

具体的试验步骤如下：①称取阀片重量，检查阀片外观，测量阀片尺寸;②将试件放入冲击疲劳试验装置中加热到140 ℃，然后保温;③使用冲击疲劳试验装置进行激振，不低于1亿次;④将试件取出，放入到交变应力试验装置中，加热到140 ℃，然后保温;⑤施加等效的交变载荷进行交变应力疲劳试验;⑥试验结束后，观察阀片的表面状态，并称重。

疲劳试验共使用了3个试样，3个试验在试验前后的直径和厚度尺寸对比见表3。

试样1在直径尺寸上无变化，厚度尺寸减少0.03 mm（≤0.03 mm）;试样2直径尺寸增加0.13%（≤0.2%），厚度减少0.03 mm（≤0.03 mm）;试样3直径尺寸增0.13%（≤0.2%），厚度减少0.02 mm（≤0.03 mm）。3个试验的变形均满足预期，不影响使用。图3为阀片经过疲劳试验后的照片，从照片可以看出阀片表面状态良好，密封面完整，仅有轻微压痕。

一般来说，PEEK材料如果发生疲劳破坏会产生表面剥落或者磨损的情况，可以通过阀片的重量变化间接判断试验时材料是否发生过疲劳破坏。图4是疲劳试验阀片的称重结果。从图4可以看出，阀片重量的变化非常微小，可以认为经过疲劳试验后的阀片仍然是可以使用的。图5是高温试验的变形曲线，从图5中可以看出，阀片的变形基本呈线性，可以认为在高温疲劳试验中，阀片并未发生明显的热蠕变。

4 结论

液驱隔膜压缩机气阀PEEK阀片的应力状态受温度的影响很大，设计PEEK气阀阀片要充分考虑到温度的影响。液驱隔膜压缩机气阀阀片在工作时主要受疲劳载荷，要衡量气阀阀片的可靠性，要以材料在高温下的疲劳试验作为依据。PEEK阀片可以满足45 MPa压缩机的正常使用，PEEK是一种良好的阀片材料。

参考文献：

[1] 郁永章，孙嗣莹，陈洪俊.容积式压缩机技术手册[M].北京：机械工业出版社，2000.

[2] 袁晓东，念利利.往复式压缩机气阀故障分析及改善措施[J].山东化工，2023，52（1）：163-164，168.

[3] 贺运初，潘树林，邹鹤.浅谈阀片材料为PEEK的往复压缩机气阀[J].石油化工设备技术，2012，33（1）：33-36，70-71.

[4] 林永进.PEEK材料的研究与应用[J].大众标准化，2023（17）：124-126.

[5] 章晓剑，宋彬，王星联，等.往复式压缩机排气阀片断裂原因分析[J].中国设备工程，2014（4）：57-59.

[6] 孙越，冯象初，李小平，等.接触问题的增广拉格朗日块体粘接模型[J].西安电子科技大学学报（自然科学版），2017，44（4）：34-39.

第一作者简介：敖龙（1985-），男，硕士，工程师。研究方向为隔膜式压缩机。