磁流變拋光用蠕動(dòng)泵軟管失效模式及損傷演變

劉思達(dá)，何建國(guó)，張建飛，張?jiān)骑w

（中國(guó)工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所，四川 綿陽(yáng) 621900）

1 引言

磁流變拋光是一種高確定性可控柔性拋光技術(shù)［1］，與傳統(tǒng)拋光技術(shù)相比，磁流變拋光具有極高加工精度、極高收斂效率與極低表面缺陷等顯著工藝特點(diǎn)，能夠高效、低成本地解決平面及非球面的超精密加工難題，被譽(yù)為光學(xué)制造界的革命性技術(shù)，具有良好的應(yīng)用前景［2］。

磁流變循環(huán)系統(tǒng)是磁流變拋光機(jī)床的重要組成部分，其主要由傳送泵、回收器、回收泵、儲(chǔ)液罐等組成。磁流變液從噴嘴進(jìn)入拋光區(qū)，由轉(zhuǎn)動(dòng)的拋光輪帶動(dòng)其流動(dòng)，在回收器內(nèi)被蠕動(dòng)泵產(chǎn)生的負(fù)壓傳送到儲(chǔ)液罐內(nèi)，由離心泵將儲(chǔ)液罐內(nèi)的磁流變液傳送到噴嘴，以此循環(huán)往復(fù)，如圖1所示。其中，循環(huán)系統(tǒng)大多使用蠕動(dòng)泵來(lái)回收拋光液，甚至有部分是用蠕動(dòng)泵作為傳送泵［3-4］。蠕動(dòng)泵的穩(wěn)定性和可靠性，某種程度上決定了循環(huán)系統(tǒng)的性能。

圖1 磁流變循環(huán)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Magnetorheological Cycle System

磁流變拋光用蠕動(dòng)泵，如圖2所示。軟管是蠕動(dòng)泵內(nèi)的易損件，當(dāng)其失效時(shí)，輕則影響加工的穩(wěn)定性導(dǎo)致工件需要重新進(jìn)行加工，重則導(dǎo)致工件報(bào)廢或蠕動(dòng)泵報(bào)廢。對(duì)蠕動(dòng)泵的研究主要集中在優(yōu)化蠕動(dòng)泵的結(jié)構(gòu)和泵管的結(jié)構(gòu)上［5-6］，還沒(méi)有人對(duì)工作于磁流變機(jī)床的蠕動(dòng)泵軟管壽命表征方法進(jìn)行研究。通過(guò)研究蠕動(dòng)泵軟管的失效模式及其損傷深度演變規(guī)律，可以進(jìn)一步預(yù)測(cè)其壽命，以提前更換即將失效的軟管，減少失效帶來(lái)的問(wèn)題。

蠕動(dòng)泵具有清潔無(wú)污染、低剪切力、可空轉(zhuǎn)、密封性好、可雙向傳輸、不會(huì)虹吸、維護(hù)簡(jiǎn)單、耐腐蝕、可承受較高溫度等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于藥物、農(nóng)業(yè)、測(cè)試與研究、食品生產(chǎn)與銷(xiāo)售、工程與制造、化學(xué)處理等場(chǎng)合。通過(guò)研究蠕動(dòng)泵軟管的失效模式及其損傷演變規(guī)律，對(duì)于其他行業(yè)中蠕動(dòng)泵的可靠性分析具有一定的參考價(jià)值。

2 軟管失效模式

蠕動(dòng)泵輥?zhàn)訑D壓軟管形成密封，當(dāng)其轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生負(fù)壓將介質(zhì)吸入到軟管內(nèi)，并由相鄰的輥?zhàn)訉⑵湫纬傻摹扒皇摇眱?nèi)的介質(zhì)帶動(dòng)往前移動(dòng)，其工作原理示意圖，如圖3所示。

圖4 蠕動(dòng)泵軟管仿真模型Fig.4 Peristaltic Pump Hose Simulation Model

值得注意的是，靠近出口處，當(dāng)輥?zhàn)舆h(yuǎn)離軟管時(shí)，軟管回彈出現(xiàn)空腔，產(chǎn)生一定的負(fù)壓，出口端的流體會(huì)回流從而加劇磨損［7］；靠近入口處的流體在輥?zhàn)訑D壓的時(shí)候，會(huì)往輥?zhàn)觾蛇厰D，而泵內(nèi)的部分已有輥?zhàn)酉拗屏恕扒皇摇钡拇笮。瑫?huì)產(chǎn)生一定的擠壓力并往入口流出，加劇磨損。通過(guò)建模仿真分析，在沒(méi)有考慮流體與軟管壁之間摩擦的情況下，不同角度下的最大受力與壓深的關(guān)系，如圖5所示。可以看到出口和入口處受到的應(yīng)力最大，同時(shí)中間部位受到的應(yīng)力較高，與實(shí)際觀測(cè)到的損傷深度分布較為吻合，即為：兩端損傷深度值最大（出口端比入口端略大），中間損傷深度略大。

圖5 蠕動(dòng)泵軟管受壓角度對(duì)其最大受力的影響Fig.5 Influence of the Pressure Angle of the Peristaltic Pump Hose on its Maximum Force

蠕動(dòng)泵主要是通過(guò)軟管與介質(zhì)的接觸來(lái)保護(hù)泵體，其主要失效形式是軟管的疲勞失效和破損失效。其中疲勞失效是指：軟管在輥?zhàn)硬粩嗟臄D壓下，受到交變應(yīng)力的作用，溫度升高，橡膠軟管發(fā)生加速老化，性能下降［8］，使得泵送能力下降和彈性模量下降，當(dāng)9641-73 泵送能力下降15%和彈性模量下降6%即可認(rèn)為其疲勞失效。破損失效是指：軟管在使用過(guò)程中，彎折部位受到較大的應(yīng)力，如圖6所示。

圖6 軟管被擠壓示意圖Fig.6 Schematic Diagram of Hose Being Squeezed

同時(shí)在輥?zhàn)拥臄D壓作用下，拋光粉易使軟管內(nèi)表面產(chǎn)生微裂紋，引起應(yīng)力集中，裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展成為溝壑，如圖7（a）所示。溝壑深度會(huì)隨著蠕動(dòng)泵的運(yùn)行而不斷擴(kuò)大，當(dāng)軟管不能承受由于輥?zhàn)訑D壓而產(chǎn)生較大的瞬時(shí)壓力時(shí)，軟管外表面就會(huì)出現(xiàn)破裂產(chǎn)生泄露從而失效，如圖7（b）所示。

圖7 蠕動(dòng)泵軟管Fig.7 Peristaltic Pump Hose

當(dāng)出現(xiàn)疲勞失效時(shí)可以通過(guò)提高轉(zhuǎn)速繼續(xù)使用，影響較小；而出現(xiàn)破損失效時(shí)，需要花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間才能恢復(fù)加工工作，影響較大。這里通過(guò)對(duì)軟管最大損傷深度的變化規(guī)律進(jìn)行研究，并初步獲得壽命的預(yù)測(cè)方法。

3 軟管損傷表征方法

由仿真分析知在不考慮流體與軟管壁之間的摩擦情況下軟管受力較為對(duì)稱，考慮到出口處會(huì)有液體回流加劇磨損，且其損傷深度肉眼可見(jiàn)也更深，另外實(shí)際出現(xiàn)泄露處也都為出口處，因此主要對(duì)出口的損傷較深處進(jìn)行測(cè)量。首先，將軟管從橫截面切割分成5mm左右長(zhǎng)度的小段，再將一截軟管放置到內(nèi)徑為16mm（和軟管公稱外徑一樣）的固定件內(nèi)，如圖8所示。通過(guò)超景深顯微鏡觀測(cè)，先找到軟管內(nèi)徑對(duì)應(yīng)的圓，再畫(huà)一條距離最深點(diǎn)較近的切線，測(cè)量最深點(diǎn)到切線的距離，如圖9所示。

圖8 被固定的軟管段Fig.8 Fixed Hose Segment

圖9 損傷深度的測(cè)量方法Fig.9 Damage Depth Measurement Method

4 泵管最大損傷深度演化規(guī)律實(shí)驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)條件

蠕動(dòng)泵在實(shí)際使用中主要是用于磁流變液的回收，過(guò)程較為復(fù)雜：拋光液在外循環(huán)過(guò)程中會(huì)有水分等的散失以及補(bǔ)水等操作；另外加工設(shè)備有限，同時(shí)為了減小其他影響因素的影響，搭建小型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖10所示。

圖10 實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.10 Experimental Setup

設(shè)備實(shí)際使用時(shí)，蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速設(shè)定為300RPM（溫度與實(shí)際使用溫度較為接近）。所使用的泵管為96410-73，顏色透明，方便觀測(cè)；所使用的拋光液為實(shí)驗(yàn)室自制，其中氧化鈰含量占比3.7%，而磁性鐵粉含量占比為81.5%。實(shí)驗(yàn)過(guò)程為：先將軟管裝入蠕動(dòng)泵內(nèi)，連接上PU管。并通過(guò)蠕動(dòng)泵慢速運(yùn)轉(zhuǎn)和一次性移液管將磁流變液裝入軟管內(nèi)，使用管接頭將其閉合后運(yùn)行一定的時(shí)間。之后對(duì)其進(jìn)行內(nèi)表面觀察獲得其損傷深度。

4.2 泵管最大損傷深度演化規(guī)律

因?yàn)檐浌鼙粩D壓后，其上下兩個(gè)部分都會(huì)因?yàn)檐浌軓澢褪艿捷佔(zhàn)訑D壓而產(chǎn)生較大的應(yīng)力。軟管在應(yīng)力的作用下加速疲勞，從而容易產(chǎn)生損傷，因此應(yīng)力較大部位在開(kāi)始容易出現(xiàn)微裂紋。由于存在應(yīng)力集中，當(dāng)微裂紋出現(xiàn)后容易進(jìn)一步擴(kuò)展為較深的溝壑。所以軟管損傷深度較大值一般集中在出口和入口這兩個(gè)受力較大的部分。當(dāng)其損傷深度達(dá)到一定的值后，在較大的壓力下會(huì)出現(xiàn)破損失效，因此對(duì)其最大值的規(guī)律進(jìn)行研究。

通過(guò)測(cè)量獲得不同使用時(shí)長(zhǎng)下的泵管的最大損傷深度，可以看到其變化規(guī)律，如圖11所示。

圖11 最大損傷深度與使用時(shí)長(zhǎng)的關(guān)系Fig.11 Relationship Between Maximum Damage Depth and Using Time

在蠕動(dòng)泵的運(yùn)行過(guò)程中，軟管的厚度不斷降低，當(dāng)軟管厚度達(dá)到一個(gè)閾值時(shí)，軟管將出現(xiàn)破裂，產(chǎn)生泄露失壓影響回收性能，從而對(duì)加工產(chǎn)生影響。為了不發(fā)生或者少發(fā)生意外，應(yīng)該取較為安全的值。

通過(guò)圖11可以看到，其變化規(guī)律和典型的磨損規(guī)律較為類(lèi)似。典型的磨損過(guò)程有三個(gè)階段：磨合磨損階段、穩(wěn)定磨損階段、劇烈磨損階段［9］。在磨合模式階段，磨損率隨時(shí)間的增加而逐漸降低，最大損傷深度范圍約為（0～1750）μm；在穩(wěn)定磨損階段，軟管摩擦表面經(jīng)磨合后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，磨損率基本不變，可以看到最大損傷深度和時(shí)間基本呈線性關(guān)系，最大損傷深度范圍約為（1750～2300）μm；在劇烈磨損階段，軟管損傷深度增加導(dǎo)致應(yīng)力集中加劇，受力條件迅速惡化，導(dǎo)致磨損率隨時(shí)間迅速增加，最大損傷深度范圍約為大于2300μm后。其中最大損傷深度h在穩(wěn)定磨損階段與使用時(shí)間的關(guān)系為：

式中：t—使用時(shí)長(zhǎng)（h）。

該泵管在實(shí)驗(yàn)室自研氧化鈰拋光液，蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速為300RPM的條件下，在（0～20）h范圍內(nèi)：（0～6）h為磨合磨損階段；（6～16）h為穩(wěn)定磨損階段；（16～20）h為劇烈磨損階段。因此可以選取穩(wěn)定磨損階段的最大時(shí)長(zhǎng)為該泵管的穩(wěn)定運(yùn)行壽命，即為：16h。

5 結(jié)論

通過(guò)分析磁流變拋光用蠕動(dòng)泵軟管的失效模式，并對(duì)定工況下的泵管的損傷進(jìn)行研究，由最大損傷深度的變化規(guī)律可以得到以下規(guī)律：（1）其磨損存在三個(gè)階段：磨合磨損階段、穩(wěn)定磨損階段、劇烈磨損階段；（2）在穩(wěn)定磨損階段最大損傷深度（h）和使用時(shí)長(zhǎng)（t）的關(guān)系為：h=54.871t+1447.4；（3）給定條件下軟管的穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)為16h。該方法對(duì)于通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)獲得不同工況條件下的蠕動(dòng)泵軟管穩(wěn)定運(yùn)行壽命具有指導(dǎo)意義。