大型隔膜泵液力端閥件設計理論研究

姬小東（中國有色（沈陽）泵業有限公司，遼寧 沈陽 110144）

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大型隔膜泵液力端閥件設計理論研究

姬小東
（中國有色（沈陽）泵業有限公司，遼寧 沈陽 110144）

摘 要：閥件是隔膜泵的重要組成部分，也是設備運行中的主要易損零件，其使用性能與使用壽命不僅直接影響著隔膜泵的工作特性，也影響著隔膜泵的維護保養成本。由于閥件運動條件與運動過程的復雜性，閥件設計過程中主要是通過“比照設計”來進行新通徑等特殊閥件的設計，這種新閥件在使用過程中存在著極大的不確定性。本文基于沖擊和沖刷對閥件的破壞，通過對閥件破壞形式與破壞理論的分析，結合閥件在用戶現場的使用情況，確定了閥件結構設計的基本準則。對錐閥閥件沖擊和沖刷因素造成的損壞進行研究，對輸送漿體的粘度和米勒數等因素造成的閥件損壞不作研究。關鍵詞：大型隔膜泵；液力端；閥件

1　前言

隔膜泵是往復泵的一種，廣泛應用到工業各個領域。往復泵的突出優點有：輸出壓力高，且流量與壓力無關，連續運轉率高，適應輸送介質廣泛。在當今世界能源和資源緊缺的形勢下，往復泵作為節能產品，在石油開發、管道輸媒、煤氣化工、有色冶金、礦山開采等方面都起著很重要的作用。隔膜泵閥件是液力端中的易損件，起到單向過流的作用，是往復泵的關鍵部件。由于其工作環境復雜與惡劣，運行中經常出現各種失效現象，大流量高壓力情況下更為明顯。易損部件的更換固然帶來了一定的經濟損失，對于一些重要客戶，故障停機所引起的直接、間接損失是無法估量的。由于閥件直接與漿體接觸，工作條件較為惡劣，使用壽命較短，我公司生產的閥件使用壽命一般僅為1個月左右，國外廠商生產的閥件一般為2個月左右，一方面，用戶的備件費用較高，另一方面，較高的更換頻率也會影響客戶的生產效率。

面對越來越嚴峻的市場競爭，提高閥件使用壽命一直是各大隔膜泵生產商包括我公司的目標。但由于閥件運動過程的復雜性及相關技術的瓶頸，閥件設計的理論依據仍然十分匱乏。本項目以提高閥使用壽命為目標，通過對現場的高壽命閥件的研究，結合理論計算與分析，提出了閥件的設計準則，研制了新型閥件。

2　閥件設計理論研究

隔膜泵閥件多使用錐閥，易損閥件主要包括閥座、閥橡膠、閥錐與閥螺母。如圖1所示，閥座通過外錐面固定于閥箱體上，閥橡膠通過閥螺母被壓在閥錐上，閥錐、閥螺母、閥橡膠組成閥錐部裝，閥錐部裝在隔膜泵運轉過程中不斷的升高、降落，實現漿體的輸送。

一臺隔膜泵需要6～8個進出料單向閥，由于運行環境差、傳送介質粒度大、工作壓力高、沖擊強等原因，泵閥的壽命較短，性能指標不夠理想，難以承受高壓大流量的工作負荷，成為大型隔膜泵設計的瓶頸。

在隔膜泵運轉過程中，泵閥不斷開啟、閉合，閥錐做上、下往復運動，向上運動時靠閥錐導管定位、向下運動時靠閥座定位，運動時的沖擊及漿體流動的沖刷等都會造成閥件的損壞。閥件的損壞原因主要是沖擊與沖刷：

（1）泵閥沖擊

一方面，在高沖擊載荷作用下，閥座錐面下沉，形成上、下錐面。上錐面為閥橡膠與閥座的接觸面，基本上保持原設計錐面，損傷輕微，下錐面則與閥錐直接接觸，承受高沖擊載荷，使閥座產生嚴重的塑性變形，造成閥座下沉；另一方面，閥沖擊引起閥錐、閥座產生較高的應力，在交變應力的作用下，閥件產生疲勞磨損，閥錐、閥座上出現裂紋或金屬剝落。閥件沖擊方面的主要研究成果包括庫科列夫斯基的無沖擊理論與阿道爾夫的接觸應力理論。

庫科列夫斯基理論指出，閥的撞擊是由于閥下落在閥座上時的速度達到某一臨界值產生的，而試驗結果表明，當閥落到閥座上的速度ω0≤60mm/s～ 70mm/s時就不會產生嚴重的撞擊現象，而當閥的下落速度超過這一范圍時就會產生撞擊，引起振動。其具體判據以公式形式表達為：

nhmax≤600mm/s～700mm/s

式中：

n為泵的沖次；hmax表示閥的升程。

對于往復次數較高的泵，nhmax允許提高到700mm/s～750mm/s，對于有橡膠密封面的閥，nhmax可提高到800mm/s～ 1000mm/s。

由庫科列夫斯基理論可知：單方面提高泵的沖次和閥的升程，都可能超過理論的判據要求。以隔膜泵產品沖次在40r/min～50r/min的實際情況分析，其使用的各通徑的閥升程在20mm～25mm。

阿道爾夫借助彈性沖擊理論做了一組實驗，按密封面接觸應力小于允許接觸應力的觀點給出了閥板允許速度[uf]的經驗公式。

Aj表示閥錐與閥座的錐面接觸面積；

mf表示閥重量。

由阿道爾夫理論可知：閥錐與閥座的錐面接觸面積的變化對閥板允許速度和nhmax的影響至關重要，閥錐與閥座的錐面接觸面積的增加可以有效的提高閥板允許速度和nhmax的允許值。

（2）泵閥沖刷

含大量顆粒的料漿和磨蝕性較強的料漿，通過閥錐與閥座之間的環形間隙流動時，對閥件產生沖刷，形成刺溝狀破壞。此外，在閥錐關閉過程中，漿體中的高硬度顆粒被擠入閥件金屬表面并沿著閥件錐面母線方向滾滑一段微小距離，最后破碎，該過程就會造成閥件表面形成溝槽狀損壞。

根據往復泵的設計經驗，泵閥允許的閥隙流速[Cv]一般取值為4m/s～6m/s，最大可取12m/s～16m/s。閥隙流速的計算公式為：

式中：

qmax為通過閥的最大流量；

Avmax為閥處于最大升程時的閥隙過流面積；

A為活塞截面積；

R為曲柄半徑；

n為沖次。

由上述公式可以看出，閥的升程增大，閥隙過流面積增加；閥隙過流面積增加可以有效降低閥隙流速，降低料漿對閥件的沖刷和磨蝕。但根據庫科列夫斯基理論和阿道爾夫沖擊理論，升程增大，沖次不變的情況下，nhmax是增大的。意味著閥的升程在閥隙流速和庫科列夫斯基理論、阿道爾夫沖擊理論中均是反比的。在輸送高磨蝕性的顆粒（鐵精礦）、具有腐蝕性（酸堿性）的漿體時，沖刷中尤其明顯。因此，輸送此類介質時，閥隙流速的控制是較為關鍵的。如果調整閥隙流速仍不能有效控制，就只能增加升程或增大閥通徑了。

3　閥件設計原則

根據隔膜泵應用的實際工況，隔膜泵沖次一般在40r/min～50r/min。庫科列夫斯基理論和阿道爾夫理論說明：有效控制閥的升程可以降低閥的沖擊破壞；增大閥錐與閥座的錐面接觸面積，也是降低閥的沖擊破壞的有效方法。泵閥沖刷的閥隙流速理論說明：閥隙流速與閥沖刷是成正比的，也就是說閥隙流速越大，閥沖刷的越嚴重；降低閥隙流速的有效方法是加大閥的升程和增大閥的規格。

為了使閥件工程設計更具有可實施性、可依據性，我們需把上述理論和閥面平均應力計算的方法相結合，形成閥件工程設計的依據。

（1）根據隔膜泵設計成本核算，放大閥的規格并不是理想的措施，只會使隔膜泵結構放大。因此，將升程和閥隙流速有機協調處理才是關鍵。

圖1　閥件裝配示意圖

（2）增大閥錐與閥座的錐面接觸面積，可以有效降低閥的沖擊破壞。但閥隙流速需[uf]≤12m/s。

（3）庫科列夫斯基理論和阿道爾夫理論對nhmax的判據不適用隔膜泵閥件，通過上述研究結合實際工程條件，nhmax≤2000應為適當。

（4）根據平均應力計算方法結合試驗跟蹤情況，確定如下應力設計依據：

閥錐側面應力垂直分量≤16MPa；

閥錐側面應力平行分量≤20MPa；

閥橡膠側面應力垂直分量≤35MPa；

閥橡膠側面應力平行分量≤45MPa；

通徑多次設計和實踐應用，總結出來閥件工程設計還需按下表結構參數進行規范設計。

結語

閥件作為隔膜泵設備的重要零件，也是用戶使用設備過程中必不可少的備件之一。它的質量、壽命及生產周期直接影響著隔膜泵臺套設備與備件的銷售狀況。本文以閥件破壞形式為切入點，通過理論計算與分析，得到了閥件設計的基本要求，不僅為改善隔膜泵閥件使用壽命提供了幫助，也為新規格、新領域的閥件設計奠定了理論基礎。

參考文獻

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[3]成大先.機械設計手冊[D].北京：化學工業出版社，2007.

中圖分類號：TH323

文獻標識碼：A