軸向交變載荷對(duì)壓濾機(jī)入料泵吸入球閥磨損性能的影響

何 清

（中煤華晉集團(tuán)有限公司）

壓濾機(jī)入料泵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jī)入料泵吸入球閥作為壓濾機(jī)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(shí)際工作中，球閥與閥座長(zhǎng)時(shí)間往復(fù)運(yùn)動(dòng)，閥座會(huì)對(duì)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(jī)入料泵中的主要部件，其應(yīng)用性能對(duì)壓濾機(jī)入料泵具有直接影響，因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其物理性質(zhì)進(jìn)行了廣泛研究。 SARDAR S等認(rèn)為，壓濾機(jī)入料泵吸入球閥磨損大多受到載荷量和載荷頻率兩個(gè)因素的影響，但其所得結(jié)果均為數(shù)值模擬結(jié)果，對(duì)實(shí)際工程中的作業(yè)指導(dǎo)參考價(jià)值較小［3，4］。 為此，筆者將當(dāng)前的研究成果作為指導(dǎo)方案，通過多次試驗(yàn)測(cè)定軸向交變載荷對(duì)球閥的影響，并根據(jù)試驗(yàn)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(zhǎng)壓濾機(jī)入料泵吸入球閥的使用壽命。

1 試驗(yàn)材料與儀器

1.1 試驗(yàn)材料及試劑

將工業(yè)304奧氏體不銹鋼壓濾機(jī)入料泵吸入球閥作為試驗(yàn)對(duì)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(diǎn) 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(yàn)對(duì)象的基礎(chǔ)材料為304不銹鋼板，實(shí)際工況中為了滿足球閥的表面硬度和耐磨性要求，同時(shí)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(qiáng)相。 球閥熔覆面材料的物理性質(zhì)如下：

密度 16.5 g/cm3

熔點(diǎn) 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(biāo)準(zhǔn)的低碳鋼材金相組織。 在試驗(yàn)測(cè)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(yàn)外部干擾因素。

1.2 試驗(yàn)儀器

本研究中，磨損數(shù)據(jù)的測(cè)量是確定球閥磨損性能最為重要的環(huán)節(jié)，因此將試驗(yàn)儀器大致分為軸向交變載荷試驗(yàn)設(shè)備、 球閥磨損量測(cè)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(yàn)儀器

考慮到傳感器的經(jīng)濟(jì)性同時(shí)兼顧測(cè)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(yàn)測(cè)試設(shè)備，該設(shè)備重復(fù)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(shí)驗(yàn)室中備用。

2 試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)參數(shù)

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

軸向交變荷載 10、15、20、25、30 kN

試驗(yàn)頻率 25 Hz

加載路徑 自上而下

循環(huán)次數(shù) 1×106

試驗(yàn)環(huán)境條件如下：

試驗(yàn)溫度 25 ℃±2.5 ℃

相對(duì)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(jìn)行計(jì)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(yàn)結(jié)果的可靠性與真實(shí)性。

2.2 試驗(yàn)內(nèi)容及設(shè)計(jì)

2.2.1 球閥顯微硬度測(cè)量試驗(yàn)

使用MVC-1000JMT1顯微硬度計(jì)測(cè)量試件的顯微硬度，測(cè)量荷載為30 N，加載時(shí)間為30 s。 在測(cè)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(gè)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(cè)定試驗(yàn)

試驗(yàn)開始前，清潔試件并烘干稱重，然后對(duì)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(yàn)結(jié)束后再次清潔試件并進(jìn)行烘干處理，然后使用電子天平測(cè)量并記錄每個(gè)試件的重量，得到球閥磨損量。

下次試驗(yàn)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(yàn)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(cè)量并記錄每個(gè)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(duì)象，對(duì)其循環(huán)施加30 kN的軸向交變荷載， 經(jīng)過20 000次測(cè)試后，獲取不同類型球閥的磨損情況。 為保證試驗(yàn)環(huán)節(jié)取得的結(jié)果具有分析價(jià)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(yàn)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(jì)算模型測(cè)算壓濾機(jī)入料泵吸入球閥磨損情況。 根據(jù)E/CRC磨損計(jì)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(yàn)數(shù)據(jù)，并通過以下3種方法統(tǒng)計(jì)、整理與分析試驗(yàn)結(jié)果：

a.圖像法。將獲取到的數(shù)據(jù)用對(duì)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(yàn)結(jié)果。

b.列表法。將采集到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)到相應(yīng)的表格中，通過對(duì)比數(shù)據(jù)的方式，分析試驗(yàn)參數(shù)與試驗(yàn)結(jié)果之間的關(guān)系。

c.平均值法［10］。 試驗(yàn)過程中涉及大量大周期試驗(yàn)，由于時(shí)間與技術(shù)上的限制，無(wú)法對(duì)每個(gè)周期的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)分析，為降低試驗(yàn)計(jì)算難度，采用求平均值的方式，分析大周期試驗(yàn)數(shù)據(jù)。3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 顯微硬度測(cè)量結(jié)果分析

顯微硬度測(cè)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(huì)對(duì)球閥表面起到強(qiáng)化作用，但存在細(xì)微的差異。 由于異形金相組織之間空隙較大，支撐力相對(duì)較低，顯微硬度相對(duì)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(duì)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(cè)量結(jié)果

3.2 球閥磨損量測(cè)定試驗(yàn)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(yàn)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(duì)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(yàn)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(yàn)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(duì)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(yàn)結(jié)果

3.3 球閥磨損痕跡試驗(yàn)結(jié)果分析

使用高清工業(yè)相機(jī)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(yàn)結(jié)果

由圖7可知，荷載施加量一定時(shí)，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(zhǎng)，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(yàn)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(qiáng)，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(jì)表 mm

4 結(jié)論

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

4.2 對(duì)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(qiáng)，因此可對(duì)壓濾機(jī)入料泵吸入球閥的生產(chǎn)工藝進(jìn)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(zhǎng)球閥使用壽命。