淺析一種延長電站膜片式執(zhí)行機(jī)構(gòu)使用壽命的方法

王大偉 謝鐘平

摘要：電站各型膜片式執(zhí)行機(jī)構(gòu)在機(jī)械設(shè)備中使用廣泛。大多數(shù)膜片式執(zhí)行機(jī)構(gòu)的推力盤為碳鋼整體鑄造件，膜片為橡膠件，當(dāng)存在邊緣有毛口、銳邊或缺損，光滑度不足或圓周壓迫現(xiàn)象明顯時，極易造成膜片使用壽命短，需頻繁維護(hù)更換膜片，造成檢修和備件成本上升，本文淺析一種延長膜片式執(zhí)行機(jī)構(gòu)使用壽命的方法。

關(guān)鍵詞：膜片式執(zhí)行機(jī)構(gòu);膜片;推力盤;延壽

0? 引言

大量膜片式執(zhí)行機(jī)構(gòu)用于閥門的控制，該執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過膜片上下部壓差引起部件上下運動實現(xiàn)操作，具有動作可靠，部件簡單，維護(hù)方便等優(yōu)點。使用過程中，最常見的故障為膜片破損，膜片和它的側(cè)壁相碰觸的位置，最容易產(chǎn)生磨損破裂，故障引起閥門動作不靈敏不及時，甚至不動作進(jìn)而引發(fā)更嚴(yán)重的系統(tǒng)問題。

1? 膜片式執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作原理

膜片式執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要部件包括外殼、薄膜（膜片）、推力盤、彈簧、推桿、調(diào)節(jié)螺母和閥位標(biāo)尺（見圖1）。通過外部壓力氣源介入外殼的膜片下部空間，推力盤和膜片在壓力和彈簧彈力相互作用下，上下運動并帶動推桿連接其下方的閥門動作，當(dāng)下部壓力氣源消失時，彈簧作用使得壓力盤和膜片向下運動關(guān)閉閥門。如圖示，上部腔室一般設(shè)有呼吸孔，用以腔室體積變化時與大氣連同，迅速吸氣或排氣;下部腔室一般設(shè)有氣源進(jìn)、排氣孔，用以進(jìn)氣增壓或排氣泄壓。

2? 膜片式執(zhí)行機(jī)構(gòu)常見故障分析

如圖示，膜片式執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要運動部件是膜片和推力盤。在膜片上下運動時，不可避免的，會與推力盤邊緣接觸，所以在硬件設(shè)計時，膜片與推力盤發(fā)生接觸的部分會設(shè)計成與推力盤外形相吻合的形狀，以便推力盤運動時，膜片能貼合其上隨動，避免膜片發(fā)生過度拉伸或者壓縮，而發(fā)生磨損或者卷折造成過早破裂實效。膜片式執(zhí)行機(jī)構(gòu)最常見故障便是膜片破損，導(dǎo)致上下部腔室壓力無法平衡進(jìn)而使得執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作失靈。

綜上述，膜片式執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計的重點在于嚴(yán)格遵守設(shè)計守則，精密確認(rèn)和制造膜片的材質(zhì)、尺寸，了解膜片內(nèi)在缺陷進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計，便能大大提高膜片制作的成功率。另外，推力盤的設(shè)計與制造也是重點。引起膜片的提早損壞的主要原因包括：毛口和銳邊、磨損、排氣回壓和圓周壓迫這四大因素。

2.1 毛口和銳邊

推力盤和膜片制造中首先要考慮的就是要消除有可能碰到膜片的毛口、銳邊和材料缺損。即使是極微小的瑕疵、裂紋都可能引起膜片橡膠的斷裂，造成過早損壞。推力盤如果有毛口、銳邊和材料缺損，會造成運動過程中對膜片產(chǎn)生摩擦、割裂和刺破，而推力盤一般使用碳鋼材質(zhì)進(jìn)行鑄造，再進(jìn)行精加工所得，在加工過程中便要避免上述問題的發(fā)生;膜片的毛口和銳邊一般發(fā)生于模具的瑕疵或者其他異常，在設(shè)計和制造模具時要注意避免。

2.2 磨損

磨損主要發(fā)生在膜片隨著推力盤運動過程中，容易發(fā)生故障的位置一般為推力盤邊緣與膜片接觸的位置。磨損是運動時兩個部件運動的特性，無法徹底避免，只有通過對接觸部分的光滑度控制，使得表面越光滑越好，當(dāng)膜片所受壓力持續(xù)的施加并減緩時，膜片將摩擦其支撐硬件。若硬件的表面較為粗糙，它將磨損夾布，并造成過早損壞。所以，對推力盤邊緣的光滑度處理，便是推力盤加工的重點。某些廠家[1]，建議硬件的表面應(yīng)≤0.8微米厚，而在高頻運作中，應(yīng)將厚度盡量限制在表面粗糙度Ra0.4內(nèi)，對加工精度要求較高。

防止過度磨損的發(fā)生還可以用潤滑的方式，膜片不需要用到潤滑劑，但建議在安裝之前先給膜片涂一層二硫化鉬以減少磨損。

2.3 排氣回壓

運動時，膜片和它的側(cè)壁相碰觸的位置，最容易產(chǎn)生故障。此時，兩層橡膠膜扣在一起，而推力盤卻繼續(xù)運作。這將導(dǎo)致膜片側(cè)壁堵塞在活塞和汽缸壁中間，從而導(dǎo)致膜片橡膠的撕裂。減弱此類現(xiàn)象的方法有兩種：一是，保障推力盤、膜片和腔室間的中心準(zhǔn)線。在高壓運作下，若施加在膜片上的氣壓與之相等，使得活塞居中。二是控制排氣回壓：通常，回壓問題都出現(xiàn)在低壓一側(cè)，因為此側(cè)的壓力介質(zhì)在膜片的每次沖程中都必須會被排出并更替。通過設(shè)計合理的呼吸孔，孔的尺寸必須大小適中，使得有足夠的氣體在準(zhǔn)確時間內(nèi)能進(jìn)入并摩擦膜片。另外，當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)腔室承受著較高壓力、推力盤和膜片快速運動時，也應(yīng)當(dāng)仔細(xì)考慮通風(fēng)孔的尺寸大小問題。

2.4 圓周壓迫

圓周壓迫是指膜片側(cè)壁中較大部分貼合壓迫著推力盤。這將導(dǎo)致側(cè)壁軸向卷折，以使膜片和活塞相契合，運動時會出現(xiàn)垂直于卷積的褶皺，反復(fù)發(fā)生后導(dǎo)致膜片破裂。圓周壓迫無法完全消除，只能減弱。

減弱圓周壓迫有幾種方法，如限制沖程和壓力、將膜片側(cè)壁設(shè)計成“雙尖端”減少壓迫、“預(yù)卷積”緩沖卷折現(xiàn)象，即對膜片模壓成反向伸展等。其中，限制沖程和壓力，視運行環(huán)境需求，執(zhí)行機(jī)構(gòu)與閥門的匹配選型中，可以加以考慮，使得沖程即運動幅值和氣動介質(zhì)的壓力的設(shè)定不超過執(zhí)行機(jī)構(gòu)要求的范圍。“雙尖端”和“預(yù)卷積”則是在膜片執(zhí)行機(jī)構(gòu)制造商設(shè)計和制造時便已設(shè)定好，一般無法也無需使用廠家再進(jìn)行調(diào)整。

3? 一種對膜片式執(zhí)行機(jī)構(gòu)延壽的方法

3.1 該方法的可操作性和必要性

如上述，膜片的設(shè)計和制造一般是制造商的設(shè)計之重，一般情況下，使用廠家無法也不會通過膜片的再設(shè)計與制造，去對膜片進(jìn)行改造。一個因素是膜片的設(shè)計一般經(jīng)過制造商的反復(fù)試驗和經(jīng)驗積累，使用廠家沒有相應(yīng)的試驗平臺，且受到各種成本制約。另一個因素是使用廠家一般使用膜片式執(zhí)行機(jī)構(gòu)用于各個系統(tǒng)的管道閥門，一旦該設(shè)備故障首要考慮的是修復(fù)。

當(dāng)膜片式執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障時，普遍的修復(fù)做法便是拆檢執(zhí)行機(jī)構(gòu)，檢查推力盤是否有異常、各處是否有磨損導(dǎo)致各部件中心準(zhǔn)線變化，購買替換膜片進(jìn)行消缺。往往出現(xiàn)的情況是，備品準(zhǔn)備不足或膜片采購周期長，無法及時可靠消除膜片破損隱患。

3.2 延壽方法

如上述，膜片的購置替換是常規(guī)做法，但如果推力盤發(fā)生異常的情況下，即使更換膜片依舊無法保障設(shè)計的使用壽命。結(jié)合圓周壓迫的無法消除只能減輕這一特性，可以思考對推力盤進(jìn)行改造，對推力盤邊緣聚氨酯包裹：在推力盤邊緣包聚氨酯（硬度：邵氏90°），這樣和膜片工作接觸面變成相應(yīng)的軟接觸，運動時，卷折發(fā)生時，推力盤的聚氨酯邊緣受力緩沖變形，從而減緩膜片的圓周壓迫現(xiàn)象，該方法不影響現(xiàn)有的工作狀態(tài)，大大提高薄膜片的壽命（如圖2）。

該方法對原推力盤進(jìn)行加工，成為1-推力盤聚氨酯邊緣，具體為在原推力盤邊緣車削出一定深度7-10mm，以便在模具中對邊緣進(jìn)行聚氨酯包裹邊緣處理，包裹后的推力盤外緣尺寸及形狀與原推力盤相同，保障其幾何尺寸。為了增大聚氨酯附著面積以提升附著力，可在推力盤邊緣立面中部車削出一個寬度6mm左右臺階，保證聚氨酯材料附著牢固。加工后，可使用各型金相砂紙對聚氨酯邊緣進(jìn)行打磨，提高其表面光滑度。此方法可達(dá)到消除推力盤邊緣毛口、銳邊或缺損現(xiàn)象;在膜片活動時，由于聚氨酯材料本身的柔性，有效減少膜片卷折現(xiàn)象，降低圓周壓迫，從而提高膜片使用時間達(dá)到設(shè)備延壽目的。

4? 結(jié)論

為使裝置適用于電站各型膜片式執(zhí)行機(jī)構(gòu)，圖中以外圓Φ330推力盤為示例，其邊緣包裹厚度15mm聚氨酯材質(zhì)。可根據(jù)各電站所用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和推力盤尺寸，根據(jù)上述方法使用匹配厚度的聚氨酯包裹邊緣，增加該方法通用性。

參考文獻(xiàn)：

[1]美國DiaCom橡膠膜片公司產(chǎn)品使用手冊.

[2]韓娟.轎車膜片彈簧離合器的設(shè)計[J].汽車實用技術(shù)，2019（22）：135-137.

[3]李正華.隔膜式壓力表常見故障及改進(jìn)措施[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2018（09）：175-176.