球閥密封副表面磨損與泄漏關(guān)系的試驗(yàn)分析

龐志銘

艾默生過(guò)程管理(天津)閥門(mén)有限公司

球閥密封副表面磨損與泄漏關(guān)系的試驗(yàn)分析

龐志銘

艾默生過(guò)程管理(天津)閥門(mén)有限公司

磨損是存在于自然界的一種普遍現(xiàn)象。其特征可以簡(jiǎn)單地認(rèn)為是“物質(zhì)的移除”。在工程科學(xué)領(lǐng)域，磨損則作為一種常見(jiàn)的、重要的失效方式被廣泛研究，目的在于通過(guò)對(duì)磨損機(jī)理的認(rèn)知，發(fā)展相關(guān)的理論和方法，以此為依據(jù)合理地開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)產(chǎn)品，最大程度地降低磨損現(xiàn)象帶來(lái)的不利影響，提高產(chǎn)品質(zhì)量延長(zhǎng)產(chǎn)品壽命。在流體控制工程領(lǐng)域，閥門(mén)是整個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行元件，作為一種用于密閉或者控制流體介質(zhì)的機(jī)械產(chǎn)品，磨損現(xiàn)象不可避免，尤其對(duì)密封結(jié)構(gòu)處的金屬或非金屬材料磨損的分析、評(píng)估和設(shè)計(jì)凸顯重要，本文使用一種特定的密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)觀察和分析材料磨損對(duì)密封性能的影響程度。

表面磨損；泄漏關(guān)系；試驗(yàn)分析

在摩擦學(xué)研究中，磨損同摩擦和潤(rùn)滑并列成為三大組成部分，以Archard，J.F為代表的經(jīng)典理論初步形成于二十世紀(jì)中葉，定義了磨損體積量與載荷、相對(duì)運(yùn)動(dòng)距離以及材料硬度的關(guān)系。在工程應(yīng)用領(lǐng)域，人們?cè)噲D通過(guò)試驗(yàn)的方式確定磨損機(jī)理并將磨損抗力作為材料的屬性之一在設(shè)計(jì)中加以應(yīng)用，但大量試驗(yàn)表明，眾多與材料本身和外在條件相關(guān)的因素對(duì)磨損程度的不確定具有非常大的影響。當(dāng)接觸條件產(chǎn)生的微小變化被引入到摩擦系統(tǒng)中時(shí)，磨損程度將產(chǎn)生巨大的變化[1]，因此磨損抗力的概念并未如同抗拉強(qiáng)度、延伸率和硬度等指標(biāo)一樣作為材料的屬性加以標(biāo)準(zhǔn)化。應(yīng)用試驗(yàn)對(duì)比的方法對(duì)于某些一般性的復(fù)雜的工程狀況也并不可靠，但如果采用針對(duì)性的試驗(yàn)方法對(duì)于特定的工程狀況進(jìn)行分析是具有意義的。

在流體控制工業(yè)中，閥門(mén)的應(yīng)用不勝枚舉，其中對(duì)于密封性能和使用壽命普遍具有較高的要求，而磨損現(xiàn)象對(duì)于兩者的影響起到重要的作用。因?yàn)殚y門(mén)在工作過(guò)程中密封副(形成密封結(jié)構(gòu)的一個(gè)或者多個(gè)零件，比如溢流閥的閥芯和閥座)周?chē)妮d荷、接觸面積、相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度、溫度及熱傳導(dǎo)等因素的不斷變化，使得利用經(jīng)典理論的方法難以對(duì)實(shí)際的工程應(yīng)用進(jìn)行準(zhǔn)確的分析，所以采用試驗(yàn)?zāi)M的方法在一定程度上可以提供直觀的工程依據(jù)，數(shù)據(jù)采集后再結(jié)合經(jīng)典理論進(jìn)行分析、歸納、總結(jié)出相應(yīng)的方法(包括數(shù)學(xué)公式和圖表)，作為此類(lèi)閥門(mén)設(shè)計(jì)中對(duì)磨損失效預(yù)測(cè)的工具。在本篇論述中，僅包括試驗(yàn)?zāi)M部分，即對(duì)閥門(mén)密封副的磨損現(xiàn)象進(jìn)行定性分析，相關(guān)定量分析將在其他論述中進(jìn)行說(shuō)明。

在本次試驗(yàn)?zāi)M中采用的閥門(mén)類(lèi)型為球閥，閥芯與閥座的材料均為金屬，閥門(mén)啟閉的過(guò)程中閥芯與閥座始終接觸，閥門(mén)的啟閉由氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，在模擬過(guò)程中，使得閥門(mén)不間斷的進(jìn)行動(dòng)作實(shí)現(xiàn)連續(xù)的開(kāi)啟和閉合，以觀察球面材料的磨損情況。在若干次連續(xù)開(kāi)啟閉合之后，對(duì)閥門(mén)進(jìn)行泄漏測(cè)試以確定其值是否符合標(biāo)準(zhǔn)值。通過(guò)對(duì)照密封副的磨損狀態(tài)和泄漏值可以定性地分析磨損失效形式對(duì)閥門(mén)泄漏的影響程度。

磨損類(lèi)型

磨損是一種在載荷作用下，當(dāng)一種固體相對(duì)另一種固體、液體或者氣體產(chǎn)生接觸并且相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，物質(zhì)從固體表面上逐步損失的現(xiàn)象[2]。

根據(jù)磨損機(jī)理的不同，磨損可以分為以下四種類(lèi)型(Burwell 1957/58)

1.黏著磨損

2.磨粒磨損

3.疲勞磨損

4.腐蝕磨損

從宏觀的角度也可將磨損類(lèi)型分為機(jī)械磨損、化學(xué)磨損和熱磨損，幾乎所有的磨損模型中均包括這三種磨損類(lèi)型。

一、黏著磨損

圖1

滲碳表面產(chǎn)生的黏著磨損，并伴有磨粒磨損。

黏著磨損發(fā)生在兩個(gè)緊密接觸并出現(xiàn)塑性變形的兩個(gè)表面上，當(dāng)載荷足夠大時(shí)，材料表面的氧化膜遭到破壞導(dǎo)致兩個(gè)面上的金屬直接接觸，隨后金屬產(chǎn)生塑性變形以抵抗相對(duì)運(yùn)動(dòng)，這種塑性變形的產(chǎn)生稱(chēng)之為“冷焊”現(xiàn)象[3]，隨著“冷焊”現(xiàn)象的加劇，塑性變形的程度在壓應(yīng)力和剪切應(yīng)力的作用下逐步擴(kuò)大，較軟的金屬內(nèi)部開(kāi)始出現(xiàn)裂紋并不斷增長(zhǎng)，此時(shí)受力狀態(tài)進(jìn)一步惡化為拉應(yīng)力和剪切應(yīng)力，當(dāng)裂紋增長(zhǎng)至金屬表面時(shí)，材料剝落并形成磨損粒子。黏著磨損與材料的強(qiáng)度、硬度、載荷、表面粗糙度、相對(duì)速度有關(guān)。

二、磨粒磨損

圖2

不同類(lèi)型的磨粒磨損模型，(a) “切削作用”，鋼棒作用于黃銅表面；(b) “帶有鍥形堆積的犁削作用”，鋼棒作用于不銹鋼表面；(c) “無(wú)鍥形堆積的犁削作用”，鋼棒作用于黃銅表面。(摘錄于Hokkirigawa， K.及Kato， K.(1988)， 在磨粒磨損中，對(duì)”犁削作用”、“切削作用”及”鍥形堆積“的試驗(yàn)和理論調(diào)查。)

兩個(gè)表面在一定載荷作用下相互接觸，硬度較高表面上的微小突起會(huì)嵌入硬度較軟的表面中，當(dāng)兩個(gè)表面相互運(yùn)動(dòng)時(shí)，這些高硬度的微小突起會(huì)在相對(duì)較軟的表面上留下刻蝕的痕跡，這種現(xiàn)象稱(chēng)之為“犁削作用”(類(lèi)似于用犁耕地)。通過(guò)這種微小的“犁削作用”，硬度較高的突起將較軟的材料從其表面剝離，在運(yùn)動(dòng)方向的最前端形成一個(gè)鍥形的堆積，而在運(yùn)動(dòng)方向的兩側(cè)材料則向外翻出。當(dāng)這些突起的形狀的角度在特定的范圍時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生類(lèi)似于機(jī)加工中的”切削作用”，對(duì)于延展性材料，連續(xù)的或者斷續(xù)的長(zhǎng)條狀的材料直接從表面剝離；對(duì)于脆性材料，在內(nèi)部則會(huì)產(chǎn)生逐漸長(zhǎng)大的裂紋(Evans and Marshall， 1981)[1]，在裂紋周?chē)牟牧蟿t易于從表面剝落形成碎片。

三、疲勞磨損 (圖3)

圖3

由4150鋼制造的銷(xiāo)釘疲勞斷裂后的磨損情況。(a) 疲勞斷裂表面，顯示了貝殼狀紋路；(b) 接近斷裂處的銷(xiāo)釘表面上的磨損痕跡；(c) 電子顯微鏡下斷裂面邊緣痕跡

對(duì)于載荷多次作用于表面而產(chǎn)生材料缺失的現(xiàn)象，定義為疲勞磨損，包括高循環(huán)疲勞磨損和低循環(huán)疲勞磨損。高循環(huán)疲勞磨損通常出現(xiàn)在材料的彈性變形狀態(tài)，雖然外加載荷沒(méi)有超過(guò)材料的屈服極限，但由于材料本身的晶體邊界、微觀粒子夾雜和空穴的存在，使得局部應(yīng)力超過(guò)材料的屈服應(yīng)力極限。低循環(huán)疲勞磨損通常出現(xiàn)在材料的彈塑性或者塑性變形狀態(tài)。兩種疲勞磨損均使材料表層以下某些區(qū)域產(chǎn)生硬化現(xiàn)象，且隨著載荷的重復(fù)加載，材料內(nèi)部的某些應(yīng)力集中點(diǎn)周?chē)l(fā)生的塑性應(yīng)變不斷加劇，裂紋產(chǎn)生并不斷長(zhǎng)大至表面時(shí)，在拉應(yīng)力和壓應(yīng)力的作用下發(fā)生磨損。

四、腐蝕磨損

如果在腐蝕性液體或者氣體中表面之間具有相互運(yùn)動(dòng)時(shí)，腐蝕磨損即會(huì)發(fā)生。由化學(xué)反應(yīng)或者電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的物質(zhì)會(huì)附著在材料表面之上，作為磨損介質(zhì)。這些介質(zhì)的成分通常不同于基體材料而使得磨損狀態(tài)更加復(fù)雜。這些反應(yīng)會(huì)在基體材料表面發(fā)生并且在表面上形成反應(yīng)物質(zhì)層，物質(zhì)層會(huì)被表面之間的摩擦作用消耗，所以在腐蝕磨損的分析中這種堆積和消耗現(xiàn)象是研究磨損量的重點(diǎn)內(nèi)容。

試驗(yàn)?zāi)康?、方法及制?/h2>

一、試驗(yàn)?zāi)康?/p>

在本次試驗(yàn)中，通過(guò)觀察閥芯與閥座金屬材料之間的磨損現(xiàn)象定性地分析磨損狀態(tài)對(duì)密封副密封性能的影響；閥芯表面采用兩種金屬制成，可以對(duì)比不同種金屬的磨損程度；使用球閥作為試驗(yàn)對(duì)象，可以觀察金屬材料在球面上相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)發(fā)生磨損的特征。

二、試驗(yàn)方法

采用一個(gè)完整的球閥配合氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)作為研究對(duì)象，閥芯采用球面的一部分作為工作面，故稱(chēng)之為球芯，閥座設(shè)計(jì)為薄壁圓柱形，球芯與閥座的材質(zhì)均為金屬(零件材料及特性見(jiàn)表1)，為了觀察不同種金屬材料間的磨損狀況，球芯表面采用兩種金屬制造，其中球芯表面與閥座接觸的部分形成帶狀密封圈，此區(qū)域的材料與閥座材料相同，為鈷基硬質(zhì)合金；球芯的其他表面材料選用比帶狀密封圈硬度較小的材料，為奧氏體不銹鋼。在試驗(yàn)的整個(gè)過(guò)程中保持球芯與閥座緊密接觸，其壓緊力由支撐閥座的彈簧提供，氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)連續(xù)驅(qū)動(dòng)球芯轉(zhuǎn)動(dòng)90度實(shí)現(xiàn)開(kāi)啟和閉合的動(dòng)作。為了實(shí)現(xiàn)金屬的直接接觸以模擬最為惡劣的情況，球芯表面沒(méi)有任何鍍層和潤(rùn)滑；因?yàn)榻橘|(zhì)特性作為磨損失效的一個(gè)復(fù)雜因素會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生不可預(yù)測(cè)的影響，所以在本次試驗(yàn)中沒(méi)有人為地引入任何流體介質(zhì)；試驗(yàn)溫度為室溫。

表1 零件材料及特性

(球閥實(shí)物圖片及密封結(jié)構(gòu)的說(shuō)明見(jiàn)圖4)

圖4

三、試驗(yàn)制備

在本次試驗(yàn)中，球芯采用兩種不同的金屬進(jìn)行制造，球芯基材為奧氏體不銹鋼鑄件，半成品加工中需要在帶狀密封區(qū)域加工凹槽，而后在凹槽處堆焊鈷基硬質(zhì)合金，再進(jìn)行球面的精加工。

加工順序如下：

鑄件 → 基準(zhǔn)面加工 → 球面粗加工及帶狀密封凹槽加工 → 凹槽處堆焊鈷基硬質(zhì)合金 → 基準(zhǔn)面精整 → 球面精加工 → 球面精磨

泄漏測(cè)試采用標(biāo)準(zhǔn)泄漏測(cè)試工作臺(tái)，測(cè)試流程及判定標(biāo)準(zhǔn)符合ANSI/FCI 70-2及IEC 60534-4中對(duì)密封等級(jí)為四級(jí)的規(guī)定。

(球芯機(jī)加工見(jiàn)圖5)

圖5

四、試驗(yàn)結(jié)果、分析和結(jié)論

1.結(jié)果：

在閥門(mén)連續(xù)啟閉250次之后，球面出現(xiàn)輕微擦痕，其方向與球芯轉(zhuǎn)動(dòng)方向一致，在密封區(qū)域中可以發(fā)現(xiàn)有少量的黑色粉末和微小金屬碎片，泄漏測(cè)試顯示密封數(shù)值遠(yuǎn)小于四級(jí)標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定值。在閥門(mén)啟閉500次后，其磨損情況與前250次相近，仍舊出現(xiàn)金屬劃痕的印記、黑色粉末和金屬碎片，雖然啟閉次數(shù)增加一倍，磨損狀況并沒(méi)有顯著惡化，泄漏測(cè)試值仍然遠(yuǎn)低于四級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

閥門(mén)經(jīng)過(guò)1500次連續(xù)啟閉后，球芯表面出現(xiàn)了比之前較為嚴(yán)重的磨損，磨損的痕跡變得明顯，仍然伴隨黑色粉末和金屬碎片，泄漏測(cè)試值仍然遠(yuǎn)低于四級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

閥門(mén)經(jīng)過(guò)3000次連續(xù)啟閉后，球芯表面的磨損進(jìn)一步惡化，磨損痕跡更加明顯，黑色粉末和金屬碎片持續(xù)出現(xiàn)，另外，在球芯旋轉(zhuǎn)經(jīng)45度至90度時(shí)，可以明顯的聽(tīng)到類(lèi)似金屬間摩擦的噪音(球芯旋轉(zhuǎn)經(jīng)90度至45度時(shí)出現(xiàn)相同的噪音)，泄漏測(cè)試值仍然遠(yuǎn)低于四級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

閥門(mén)經(jīng)過(guò)4500次連續(xù)啟閉后，磨損狀況比較之前沒(méi)有明顯變化，噪音持續(xù)發(fā)生，在這一階段沒(méi)有進(jìn)行泄漏測(cè)試。

閥門(mén)經(jīng)過(guò)6000次持續(xù)啟閉后，球芯表面可見(jiàn)非常嚴(yán)重的磨損，尤其在靠近尾軸一側(cè)的半球面上，存在刻蝕痕跡，可以明顯地觀察到金屬碎片隨著球芯的轉(zhuǎn)到不斷掉落，大量的金屬碎片聚集在閥座的底部區(qū)域，泄漏測(cè)試沒(méi)有達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。在50 PSI 壓力下閥門(mén)啟閉5次后泄漏值為140 SCFH，在50 PSI 壓力下閥門(mén)啟閉10次后泄漏值為200 SCFH，閥門(mén)繼續(xù)進(jìn)行啟閉動(dòng)作時(shí)，刻痕有從球芯尾軸一側(cè)向主軸一側(cè)延伸的趨勢(shì)。

(球面磨損狀況見(jiàn)圖 6)

圖6

(測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2)

表2

2.分析：

在閥門(mén)泄漏不達(dá)標(biāo)準(zhǔn)后停止試驗(yàn)，將閥門(mén)拆解后進(jìn)行分析。

-球面上奧氏體不銹鋼(316L)材料部分出現(xiàn)了明顯的磨損，其上可見(jiàn)微小的磨損凹槽，磨損區(qū)域主要發(fā)生在尾軸一側(cè)并有向主軸一側(cè)延伸的趨勢(shì)。

-硬質(zhì)合金閥座與球面接觸的部分出現(xiàn)劃痕，帶狀密封圈的邊界不再清晰。某些局部磨損情況較為嚴(yán)重。

由球面的磨損狀況可以判斷在試驗(yàn)初期250次動(dòng)作后出現(xiàn)黏著磨損，由于表面的粗糙度及局部的硬化作用，球面上的突起部分、氧化層和局部材料與基材剝離，形成黑色粉末以及微小的金屬碎片，同時(shí)磨損也發(fā)生在閥座表面，隨著磨損的加劇，球面及閥座表面變得粗糙，一部分剝落的金屬碎片逐步聚集在這些粗糙表面的凹坑內(nèi)，大量金屬碎片在重力的作用下聚集在閥座底部，它們作為磨粒使磨損進(jìn)一步惡化，磨損形式也由黏著磨損逐步轉(zhuǎn)化為磨粒磨損。疲勞磨損或許也是原因之一。

-填料處同時(shí)發(fā)現(xiàn)有部分磨損的現(xiàn)象。

-位于主軸和尾軸處的兩個(gè)軸承發(fā)現(xiàn)有磨損的現(xiàn)象，且主軸側(cè)軸承的磨損狀態(tài)較尾軸處的軸承更加惡略。

-主、尾兩軸的表面也出現(xiàn)不同程度地磨損。

由軸承和軸的磨損情況可以判斷磨損出現(xiàn)后導(dǎo)致軸、軸承以及填料偏離了原有的位置，失去裝配精度，致使這些零件表面也存在不同程度的磨損，因?yàn)榍蛐镜亩ㄎ慌c這些零件關(guān)聯(lián)，所以球芯也不再對(duì)中，磨損與定位的不斷相互影響而且加速彼此惡化的速度。

3.結(jié)論：通過(guò)以上試驗(yàn)現(xiàn)象及分析，兩種金屬制成的球面在使用時(shí)，由于較軟金屬的提前磨損會(huì)使球面的狀態(tài)加速惡化，比較相同材質(zhì)的球芯，其使用壽命相對(duì)縮短；球面磨損程度與球芯對(duì)中精度相關(guān)，磨損狀態(tài)越惡化，球芯對(duì)中精度越低，閥門(mén)越容易泄漏；球面出現(xiàn)微量磨損時(shí)，仍然能保證泄漏等級(jí)四級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)此次試驗(yàn)的現(xiàn)象，在干摩擦及一定載荷的條件下，從球面出現(xiàn)磨損開(kāi)始，閥門(mén)動(dòng)作約3000次后存在泄漏風(fēng)險(xiǎn)；潤(rùn)滑及載荷對(duì)磨損有較大影響，在存在潤(rùn)滑及輕載條件下，閥門(mén)泄漏時(shí)的工作循環(huán)次數(shù)會(huì)大大增加；因?yàn)樵囼?yàn)過(guò)程中，聚集在閥座底部的金屬碎片沒(méi)有清除，其充當(dāng)磨粒會(huì)加大磨損程度，閥門(mén)在實(shí)際使用中因?yàn)榱黧w介質(zhì)的沖刷會(huì)帶走一部分金屬碎片以防止磨粒的堆積，由此判斷，閥門(mén)在實(shí)際使用時(shí)，其磨損情況會(huì)比試驗(yàn)現(xiàn)象稍好。

[1]KOJI KATO， KOSHI ADACHI， “MODERN TRIBOLOGY HANDBOOK”

[3]K.R.MECKLENBURG， R.J.BENZING， “TESTING FOR ADHESIVE WEAR”

[5]“Fatigue Failure Of A Pin” by IMR test labs

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