往復式液壓隔膜泵活塞桿斷裂原因分析

麻貴歡

（平果鋁業有限公司，廣西 百色 531400）

0 引言

在往復式液壓隔膜泵的運行過程中，活塞桿需要帶動活塞在活塞缸內往復運動，以此為設備的運轉與功能的實現提供動力，因此活塞桿的工作負荷也相對較高，容易出現斷裂問題，對機組造成二次破壞，甚至引發泄露、爆炸等安全事故，威脅生產人員的生命安全。因此相關設備檢修維護人員不僅要掌握相應的故障處理方法，而且要對活塞桿斷裂的原因進行分析，采用更加針對性的處理辦法，以此為往復式液壓隔膜泵的運行安全與穩定性提供保障。

1 往復式液壓隔膜泵概述

往復式液壓隔膜泵（圖1）是在傳統液壓隔膜泵的基礎上改進得出的新式隔膜泵，一方面繼承了傳統隔膜泵的優勢，效率高，流量穩定，適應性強，能夠運送有毒、貴重或具有較強磨損性的液體，還能用作計量泵[1]。另一方面，往復式液壓隔膜泵的活塞缸與泵體連接，活塞可以在活塞缸內部進行軸向往復滑動。在往復式液壓隔膜泵的泵體內部還安設了前導向座與后導向座，內部設有可軸向移動的導向套，并在導向套與導向座之間設有復位彈簧。前后導向套內部由導桿連接，導桿左端為導桿套，右端為限位環，限位環與限制板固定在一起，限制板兩端連接有隔膜，不與限位環固定的一端與泵體連接，并且在泵體下端設有補償閥，與后導向座溝槽連通。通過上述結構與設計的改進，能夠有效提升隔膜泵的運行穩定性，控制隔膜的最大變形撓度，以此延長隔膜的使用壽命，降低往復式液壓隔膜泵的運行成本。

圖1 往復式液壓隔膜泵

2 往復式液壓隔膜泵活塞桿斷裂的原因

2.1 活塞桿的加工與安裝

往復式液壓隔膜泵內部結構如圖2 所示，運行的過程中，活塞桿需要長時間承受較大的交變應力，這對活塞桿自身的抗疲勞性能提出了較高的要求。而在活塞桿加工的過程中，如未采用滾壓操作加工螺紋，活塞桿在面對較大的應力時就有可能出現扭轉荷載的現象，導致往復式液壓隔膜泵活塞桿出現裂紋，縮減活塞桿的有效截面，形成惡性循環，最終引發活塞桿的斷裂。

圖2 往復式液壓隔膜泵內部結構

在往復式液壓隔膜泵安裝過程中的問題也有可能會導致活塞桿的斷裂。如果安裝過程中導桿與溝槽的結合不夠緊密，就有可能導致其在運行過程中出現脫軌的問題，導致慣性力增加，帶動活塞桿與氣缸套的軸線超出標準范圍，加大活塞桿應力，提升活塞桿斷裂的概率。

2.2 疲勞斷裂

往復式液壓隔膜泵運行過程中，活塞桿需要持續往復運動，承受著較大的交變應力與運行壓力，在二者共同作用下，螺紋將成為容易出現裂紋的薄弱點，應力會因有效截面的面積減小而進一步集中，在到達活塞桿的極限后從根部瞬間斷裂，這一現象被稱為疲勞斷裂。活塞桿斷裂如圖3 所示。

圖3 活塞桿斷裂

當活塞桿出現疲勞斷裂時，突出的特點是斷口平整，沒有明顯的變形與縮頸，成金屬本身的正常顏色，且斷口一般與活塞桿的中軸線呈近似垂直，而斷口形態也是判斷斷裂種類與原因的重要指標[2]。這是由于活塞桿一般會選擇強度與韌性都較為良好的材料，如果斷裂原因為拉斷或扭轉，則斷口必然出現明顯的變形，只有疲勞斷裂屬“自然斷裂”，斷口處不會出現明顯變形。疲勞斷裂的第二個特點是不可預測的突發性，斷裂時不存在明顯的前期預兆，大多數情況下都是突然斷裂。這受到活塞桿自身形狀與加工方式的影響，兩端螺紋的應力承受性能最差，對裂紋最為敏感，由此可見只要往復式液壓隔膜泵依然處于運行狀態，活塞桿的抗疲勞性就難免下降，活塞桿斷裂也因此不可避免。

2.3 液擊現象

在判斷往復式液壓隔膜泵斷裂原因時，如果發現氣缸內部存在大量液體沖刷的痕跡，則證明往復式液壓隔膜泵運行過程中分離器內部的油水沒有及時排出，導致氣缸內部進水，活塞運動受阻，引發活塞桿的斷裂，此時可以判斷活塞桿斷裂的原因為液擊現象。

在往復式液壓隔膜泵運行過程中，如果出現液體進入氣缸的現象，則會導致活塞桿承受的應力突然提升，引發嚴重的液擊現象，一旦達到活塞桿承受應力的極限，則會在其薄弱處引發活塞桿斷裂[3]。不僅如此，液擊現象還會引發一系列的后續問題，比如活塞的螺母有可能掉入氣缸，在活塞的帶動下保持高速運動的狀態，猛烈撞擊氣缸蓋，導致氣缸蓋破裂，甚至飛出氣缸，危害工作人員的生產安全與生命安全。

2.4 螺母扭力過大

螺母的調校是往復式液壓隔膜泵運行維護中的關鍵環節，在旋緊螺母，為活塞螺母施加阻力時，穿過活塞內孔的部分活塞桿，特別是帶有螺紋的部分就會受力而產生伸長變形。當旋緊螺母所施加的扭力在規定范圍之內時，活塞桿所受的拉力也在其剛性范圍之內，不會對活塞桿的正常運行造成負面影響。活塞桿本身具備一定彈性，當螺母放松時，活塞桿就會恢復到原有的軸向尺寸。但當螺母扭力過大時，活塞桿所受的拉力就會超過其剛性范圍，此時活塞內孔中的部分活塞桿，尤其是帶有螺紋的部分就會發生塑性變形，在反復交變力的作用下導致活塞桿斷裂。不僅如此，往復式液壓隔膜泵的維修人員的工作習慣也有可能加重螺母扭力過大引發的活塞桿斷裂，比如當被緊螺母的扭矩過大，且采用敲擊的方式擰緊螺母時，活塞桿定位臺肩外表面就會附帶灰塵與金屬粉末，提升其脆性，提高活塞桿斷裂的發生概率。

3 往復式液壓隔膜泵活塞桿斷裂的解決方法

3.1 優化活塞桿結構

往復式液壓隔膜泵活塞桿結構如圖4 所示，由于疲勞斷裂是活塞桿最為常見的斷裂原因，而其出現與截面所受應力存在密切的聯系，所以應當先對危險截面處的結構作出優化處理，在危險截面位置增加應力削減凹槽，避免應力過度集中，同時起到降低過渡處承受應力的作用。

圖4 往復式液壓隔膜泵活塞桿結構

另外，要對往復式液壓隔膜泵活塞桿的臺肩結構進行優化。原本的活塞桿臺肩結構與活塞之間沒有承壓塊，導致活塞桿與活塞之間的接觸面積有限，活塞桿的局部應力增加，提升其斷裂的風險。而優化后的新結構則在活塞桿臺肩結構與活塞之間設計了承壓塊，起到了降低接觸面比壓的作用，同時使活塞桿在接觸面上的荷載分布更加均勻[4]。不僅如此，活塞桿臺肩部分與承壓塊結合也降低了活塞桿承受橫向載荷導致應力彎曲而損壞的概率。

同時，要對活塞螺母進行優化，螺母扭力過大同樣是導致往復式液壓隔膜泵活塞桿斷裂的原因之一。一般情況下，往復式液壓隔膜泵的活塞螺母需要使用F型扳手進行緊固，扭矩較大，很難達成恰當的緊固效果，且無法實現對螺栓緊固力的精確控制。超級螺母結構主要是通過擰緊多個小螺釘產生較為強大的軸向頂推力，并將頂推力直接作用到硬化墊圈上。由于頂推螺釘的摩擦直徑小，所以利用其對往復式液壓隔膜泵的活塞螺母進行優化，就可以在較小的扭矩下實現高的頂推力，且能夠通過扭矩扳手對每個小螺釘的緊固力矩作出精確控制，有效解決原有螺母結構因緊固力矩不精確導致活塞螺母松動的風險概率提升。

3.2 改進活塞桿的制作工藝

往復式液壓隔膜泵活塞桿的制作工藝對其質量有著直接的影響，對其制作工藝作出改良能夠有效提升活塞桿的性能與穩定性。在活塞桿螺紋的加工過程中，可以根據實際的性能需求選擇滾壓、軋制與削磨等加工工藝，優化最終的加工效果。同時，為了避免往復式液壓隔膜泵活塞桿在粗加工后出現裂紋，則需要在加工前后對材料進行超聲波探傷，一方面是為了確保加工材料的完好性，保證其在進行制作之前不存在裂紋；另一方面也是為了再次檢查加工效果，避免存在暗傷的活塞桿投入使用。而對活塞桿的調制處理能夠有效提升其抗疲勞性能與抵抗交變載荷的能力，降低其出現斷裂問題的概率[5]。除此之外，在加工往復式液壓隔膜泵活塞桿螺紋時還可以采用擠壓加工的方式降低殘余應力，延長活塞桿使用壽命與疲勞強度。

3.3 采用合理的預防措施

除了對往復式液壓隔膜泵活塞桿本身進行優化之外，相關維修人員還可以采用合理的預防措施來防止活塞桿斷裂，在保障人員的安全同時，降低往復式液壓隔膜泵的運行成本。

首先，從往復式液壓隔膜泵安裝的角度出發，維修人員應當保障設備的安裝質量。高質量的安裝工作能夠盡可能避免失誤，為往復式液壓隔膜泵創造良好的運行環境，保障穩定的運行狀態，有效延長往復式液壓隔膜泵活塞桿的使用壽命，因此在安裝往復式液壓隔膜泵時要嚴格按照安裝標準進行施工，同時關注活塞螺母的扭矩與扭力。為保證安裝工作的質量，應當選取經驗豐富，操作規范的技術人員完成活塞桿的安裝工作，避免人為因素對活塞桿的運行狀態造成負面影響。與此同時，在安裝往復式液壓隔膜泵活塞桿的過程中要加強對活塞桿的保護，避免螺紋、螺帽等精細部位因為碰撞而變形。在安裝活塞桿背帽之前還需要對活塞桿進行徹底清理，去除螺紋內淤積的雜物。

其次，相關維修人員還要對往復式液壓隔膜泵以及活塞桿的運行狀態進行定期檢查。應當建立完善的設備ABC 檢查維護制度（圖5），明確不同級別的檢修工作的內容與頻率，為日常檢查維護工作的展開提供依據。比如在對活塞桿進行日常檢查時需要打開活塞，利用超聲波檢測活塞桿內部是否出現了裂紋，并通過著色探傷來檢查其內部的完好性，螺紋部位需要進行重點檢查，如發現存在安全隱患的活塞桿，需要及時進行更換。日常維修檢查完成后，相關維修人員需要根據本次檢查的實際情況與相關數據建立檢修報告，以便于判斷往復式液壓隔膜泵的工作狀態以及活塞桿的情況，對活塞桿的斷裂原因作出深入分析，保障解決方法的有效性與針對性。

圖5 設備ABC 檢查維護制度

4 結語

往復式液壓隔膜泵是在傳統液壓隔膜泵的基礎上改進得出的新式隔膜泵，能夠有效提升隔膜泵的運行穩定性，控制隔膜的最大變形撓度，以此延長隔膜的使用壽命，降低往復式液壓隔膜泵的運行成本。對往復式液壓隔膜泵活塞桿斷裂進行分析，可以總結出活塞桿的加工與安裝、疲勞斷裂、液擊現象、螺母扭力過大等原因。因此需要優化活塞桿結構，改進活塞桿的制作工藝，采用合理的預防措施。