軸向交變載荷對壓濾機入料泵吸入球閥磨損性能的影響

何 清

（中煤華晉集團有限公司）

壓濾機入料泵結(jié)構(gòu)簡單、安裝成本低，因此廣泛應(yīng)用在各類工業(yè)加工車間中。 壓濾機入料泵吸入球閥作為壓濾機入料泵的關(guān)鍵元件，具有連接能源元件與執(zhí)行元件的作用［1］。在實際工作中，球閥與閥座長時間往復運動，閥座會對球閥施加大量的軸向交變載荷［2］從而造成磨損。 由于吸入球閥是壓濾機入料泵中的主要部件，其應(yīng)用性能對壓濾機入料泵具有直接影響，因此，國內(nèi)外學者對其物理性質(zhì)進行了廣泛研究。 SARDAR S等認為，壓濾機入料泵吸入球閥磨損大多受到載荷量和載荷頻率兩個因素的影響，但其所得結(jié)果均為數(shù)值模擬結(jié)果，對實際工程中的作業(yè)指導參考價值較小［3，4］。 為此，筆者將當前的研究成果作為指導方案，通過多次試驗測定軸向交變載荷對球閥的影響，并根據(jù)試驗結(jié)果優(yōu)化球閥的生產(chǎn)工藝與應(yīng)用環(huán)節(jié)，以降低球閥的磨損，延長壓濾機入料泵吸入球閥的使用壽命。

1 試驗材料與儀器

1.1 試驗材料及試劑

將工業(yè)304奧氏體不銹鋼壓濾機入料泵吸入球閥作為試驗對象，該球閥具有較好的耐蝕性與韌性，其基礎(chǔ)物理性能如下：

密度（25 ℃） 8.00 g/cm3

熔點 1 395～1 425 ℃

線脹系數(shù) 17.5×10-6K-1（0～100 ℃），18.7×10-6K-1（0～500 ℃）

硬度 25HRC

顯微硬度 HV0.05190

試驗對象的基礎(chǔ)材料為304不銹鋼板，實際工況中為了滿足球閥的表面硬度和耐磨性要求，同時考慮到成本問題，選擇Ni60粉末作為球閥的熔覆面材料， 并在此熔覆面中添加陶瓷顆粒作為增強相。 球閥熔覆面材料的物理性質(zhì)如下：

密度 16.5 g/cm3

熔點 2 984 ℃

線脹系數(shù) 7.0×10-6K-1

顯微硬度 HV0.052250

應(yīng)用電子顯微鏡分析吸入球閥中心金相組織，結(jié)果如圖1所示。 可以看出，吸入球閥核心部分為標準的低碳鋼材金相組織。 在試驗測定前，篩選試件并排除有明顯工藝缺陷的吸入球閥。 試件選取完成后，通過超聲清洗以清除試件表面污漬，減少試驗外部干擾因素。

1.2 試驗儀器

本研究中，磨損數(shù)據(jù)的測量是確定球閥磨損性能最為重要的環(huán)節(jié)，因此將試驗儀器大致分為軸向交變載荷試驗設(shè)備、 球閥磨損量測量設(shè)備、球閥顯微觀察設(shè)備3部分，具體如圖2所示。

圖2 試驗儀器

考慮到傳感器的經(jīng)濟性同時兼顧測量精度的需求，因此采用米銥智能激光三角位移傳感器optoNCDT 1420［5，6］作為試驗測試設(shè)備，該設(shè)備重復率最高為0.5 μm，線性度為9 μm。 完成設(shè)備選型后，將其有序安裝到實驗室中備用。

2 試驗方法

2.1 試驗參數(shù)

在工業(yè)304奧氏體不銹鋼壓濾機入料泵吸入球閥磨損性能試驗中，設(shè)定參數(shù)如下：

軸向交變荷載 10、15、20、25、30 kN

試驗頻率 25 Hz

加載路徑 自上而下

循環(huán)次數(shù) 1×106

試驗環(huán)境條件如下：

試驗溫度 25 ℃±2.5 ℃

相對濕度 60%±15%

為了更好地完成軸向循環(huán)荷載施加過程，將其轉(zhuǎn)化為最大拉伸應(yīng)力τmax進行計算，則有：

其中，D表示軸向循環(huán)荷載；Bi表示球閥的應(yīng)力截面積［7］；d2表示球閥直徑；d3表示閥座直徑。通過式（2）控制軸向交變載荷取值，以此提升試驗結(jié)果的可靠性與真實性。

2.2 試驗內(nèi)容及設(shè)計

2.2.1 球閥顯微硬度測量試驗

使用MVC-1000JMT1顯微硬度計測量試件的顯微硬度，測量荷載為30 N，加載時間為30 s。 在測定前，保證試件原始硬度保持在400HV以上，且為內(nèi)部鋼材基體硬度的兩倍以上。 通過顯微分析可知，球閥金屬表面結(jié)構(gòu)大致可分為圖3所示的3個部分。 分析不同金屬表面類型的吸入球閥表面結(jié)構(gòu)，獲取球形、絮狀、異形3種類型金屬表面球閥顯微硬度，從而探究試件的基礎(chǔ)物理性能。

圖3 球閥金屬表面結(jié)構(gòu)類型劃分結(jié)果

2.2.2 球閥磨損量測定試驗

試驗開始前，清潔試件并烘干稱重，然后對試件分別施加10、15、20、25、30 kN的軸向交變荷載， 在此條件下確定不同類型的球閥抗磨損能力。 試驗結(jié)束后再次清潔試件并進行烘干處理，然后使用電子天平測量并記錄每個試件的重量，得到球閥磨損量。

下次試驗開始前， 清潔試件并烘干稱重，將軸向交變荷載固定為30 kN， 將載荷施加頻率設(shè)定為4、6、8、10、12 Hz，試驗過程共循環(huán)20 000次，分析不同荷載施加頻率條件下的球閥磨損量。 操作結(jié)束后，清洗試件并烘干，使用電子天平測量并記錄每個試件的重量，得到球閥磨損量。

2.2.3 球閥磨損痕跡分析

選取球形金相組織球閥、異形金相組織球閥和絮狀金相組織球閥作為研究對象，對其循環(huán)施加30 kN的軸向交變荷載， 經(jīng)過20 000次測試后，獲取不同類型球閥的磨損情況。 為保證試驗環(huán)節(jié)取得的結(jié)果具有分析價值，除磨損痕跡的直接觀察結(jié)果外，應(yīng)用激光位移傳感器獲取球閥磨損痕跡的平均深度和最深深度。

2.3 試驗數(shù)據(jù)處理

2.3.1 磨損性能數(shù)據(jù)處理函數(shù)

使用磨損計算模型測算壓濾機入料泵吸入球閥磨損情況。 根據(jù)E/CRC磨損計算模型［8，9］得到此次研究中使用的磨損分析模型函數(shù)F為：

2.3.2 數(shù)據(jù)處理方法

根據(jù)磨損性能數(shù)據(jù)處理函數(shù)獲取的試驗數(shù)據(jù)，并通過以下3種方法統(tǒng)計、整理與分析試驗結(jié)果：

a.圖像法。將獲取到的數(shù)據(jù)用對應(yīng)的函數(shù)圖像表示，通過分析物理量變化關(guān)系的方式，獲取試驗結(jié)果。

b.列表法。將采集到的試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計到相應(yīng)的表格中，通過對比數(shù)據(jù)的方式，分析試驗參數(shù)與試驗結(jié)果之間的關(guān)系。

c.平均值法［10］。 試驗過程中涉及大量大周期試驗，由于時間與技術(shù)上的限制，無法對每個周期的試驗數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)分析，為降低試驗計算難度，采用求平均值的方式，分析大周期試驗數(shù)據(jù)。3 試驗結(jié)果分析

3.1 顯微硬度測量結(jié)果分析

顯微硬度測量結(jié)果如圖4所示。 由圖4可知，3種金相組織結(jié)構(gòu)均會對球閥表面起到強化作用，但存在細微的差異。 由于異形金相組織之間空隙較大，支撐力相對較低，顯微硬度相對較低。 球形金相組織較為穩(wěn)定，為球閥表面提供了較高的支撐力，因此其硬度相對較高。 與上述兩類金相組織相比，絮狀金相組織的支撐力位于中值，整體支撐力適中。 綜上，球形金相組織硬度>絮狀金相組織硬度>異形金相組織硬度。

圖4 顯微硬度測量結(jié)果

3.2 球閥磨損量測定試驗結(jié)果分析

3.2.1 不同荷載條件下球閥磨損量結(jié)果分析

不同荷載條件下球閥磨損量試驗結(jié)果如圖5所示。 由圖5可知，軸向交變載荷越大，球閥的磨損量越大。 球形金相組織球閥在每種荷載下的磨損量均為3種球閥中的最小值， 且整體走向較為穩(wěn)定，其他兩種球閥在不同載荷條件下的磨損量相對較大，抗磨損性能較差。

圖5 不同荷載條件下球閥磨損量試驗結(jié)果

3.2.2 不同荷載施加頻率下球閥磨損量結(jié)果分析

不同荷載施加頻率下球閥磨損量試驗結(jié)果如圖6所示。 由圖6可知，隨著荷載施加頻率的增加，球閥磨損量隨之增加，兩者成正比關(guān)系。 3種類型球閥中， 球形金相組織球閥磨損量相對較小，其他兩種金相組織球閥磨損量較大。

圖6 不同荷載施加頻率下球閥磨損量試驗結(jié)果

3.3 球閥磨損痕跡試驗結(jié)果分析

使用高清工業(yè)相機獲取球閥磨損圖像，如圖7所示，其中圓圈處為球閥磨損區(qū)域。

圖7 3種球閥磨損痕跡試驗結(jié)果

由圖7可知，荷載施加量一定時，異形金相組織球閥磨損痕跡數(shù)量>絮狀金相組織球閥磨損痕跡數(shù)量>球形金相組織球閥磨損痕跡數(shù)量。 異形金相組織球閥磨損痕跡較深較長，說明此金相組織結(jié)構(gòu)硬度較差且抗磨損能力較差。 將試驗結(jié)果量化，數(shù)據(jù)見表1。 由表1可知，球形金相組織球閥的平均磨損劃痕深度與最深磨損劃痕深度均較淺， 表明此金相組織球閥的抗磨損能力較強，且不易受到軸向交變載荷的影響。

表1 球閥磨損痕跡深度統(tǒng)計表 mm

4 結(jié)論

4.1 當荷載量為變量時， 軸向交變載荷越大，球閥的磨損量越大；當荷載頻率為變量時，軸向交變載荷頻率越大，球閥的磨損量越大。

4.2 對比不同金相組織球閥硬度可知：球形金相組織>絮狀金相組織>異形金相組織。

4.3 由于球形金相組織球閥抗磨損能力較強，因此可對壓濾機入料泵吸入球閥的生產(chǎn)工藝進行優(yōu)化，使球閥表面金相組織多為球形結(jié)構(gòu)，從而延長球閥使用壽命。