液驅(qū)隔膜壓縮機(jī)氣閥PEEK閥片應(yīng)力狀態(tài)研究

摘 要：吸排氣閥是液驅(qū)隔膜壓縮機(jī)中的關(guān)鍵部件，閥片是吸排氣閥的易損件，閥片壽命是衡量吸排氣閥性能的重要因素。聚醚醚酮（PEEK）因其優(yōu)良的機(jī)械性能、耐磨性、耐高溫性而經(jīng)常被用作壓縮機(jī)的氣閥閥片材料。該文首先結(jié)合溫度的變化對(duì)液驅(qū)隔膜壓縮機(jī)氣閥PEEK閥片所受應(yīng)力進(jìn)行有限元分析，然后結(jié)合高溫的靜載和疲勞試驗(yàn)對(duì)PEEK閥片進(jìn)一步地驗(yàn)證，得出PEEK閥片在壓縮機(jī)工作中的應(yīng)力狀態(tài)。通過(guò)對(duì)PEEK閥片應(yīng)力狀態(tài)的研究，為液驅(qū)隔膜壓縮機(jī)氣閥閥片的設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：PEEK;閥片;氣閥;有限元分析;疲勞試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TH45 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2024）30-0055-05

Abstract： Suction and exhaust valves are key components in liquid-driven diaphragm compressors. Valve discs are vulnerable parts of suction and exhaust valves. The life of valve discs is a crucial factor in measuring the performance of suction and exhaust valves. PEEK（Poly Ether Ether Ketone） is often used as a valve plate material for compressors due to its excellent mechanical properties， wear resistance， and high temperature resistance. In this paper， a finite element analysis is carried out on the stress on the PEEK valve plate of a liquid-driven diaphragm compressor based on the change of temperature. Then， the PEEK valve plate is further verified based on the static load and fatigue test at high temperature， and the PEEK valve plate is obtained. The stress state during compressor operation is obtained. Through the study on the stress state of PEEK valve plates， guidance is provided for the design and optimization of air valve plates of liquid-driven diaphragm compressors.

Keywords： PEEK; valve plate; air valve; finite element analysis; fatigue test

液驅(qū)隔膜式壓縮機(jī)是一種容積式壓縮機(jī)，液驅(qū)隔膜式壓縮機(jī)具有壓比大、密封性好和壓縮機(jī)氣體不易受油液和外界雜質(zhì)污染的特點(diǎn)[1]。液驅(qū)隔膜式壓縮機(jī)中安裝的氣閥用來(lái)實(shí)現(xiàn)吸氣和排氣。液驅(qū)隔膜式壓縮機(jī)的工作周期可以分為2個(gè)：進(jìn)氣周期和排氣周期，2個(gè)周期所用時(shí)間均等。在進(jìn)氣周期時(shí)，吸氣閥打開(kāi)，排氣閥關(guān)閉;在排氣周期時(shí)，排氣閥打開(kāi)，吸氣閥關(guān)閉。液驅(qū)隔膜式壓縮機(jī)的一個(gè)完整的工作周期一般為150 ms，也就是說(shuō)在75 ms的時(shí)間內(nèi)氣閥要完成開(kāi)、關(guān)各一次的動(dòng)作。此外，液驅(qū)隔膜式壓縮機(jī)的壓縮比較大，因此，液驅(qū)隔膜式壓縮機(jī)的工作腔室內(nèi)溫度較高，常達(dá)到100 ℃以上。從以上描述可以看出，液驅(qū)隔膜式壓縮機(jī)的氣閥工作特點(diǎn)為動(dòng)作頻率快、密封性要求高，同時(shí)需要能夠耐受高溫。氣閥中的運(yùn)動(dòng)部件主要包括閥片和彈簧，其中閥片是氣閥能夠?qū)崿F(xiàn)功能的關(guān)鍵因素。氣閥工作時(shí)，靠氣體力和彈簧的共同作用，閥片實(shí)現(xiàn)高頻往復(fù)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)閥片和閥座配合實(shí)現(xiàn)密封的功能。在工作時(shí)，閥片和閥座撞擊和摩擦，同時(shí)需要耐受壓縮機(jī)膜腔中的高溫[2]。氣閥閥片的壽命主要受其應(yīng)力狀態(tài)的影響，本文針對(duì)某排氣壓力為45 MPa的液驅(qū)隔膜式壓縮機(jī)中正在使用的一款氣閥PEEK閥片的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行研究，研究溫度對(duì)其應(yīng)力狀態(tài)的影響和驗(yàn)證PEEK閥片的可靠性。

1 PEEK材質(zhì)的性能特點(diǎn)及其作為閥片材質(zhì)的優(yōu)勢(shì)

PEEK（聚醚醚酮）是一種芳香族結(jié)晶型熱塑性高分子材料，它是由英國(guó)帝國(guó)化學(xué)工業(yè)公司（ICI）在1978年研發(fā)出來(lái)并開(kāi)始商業(yè)化的[3]。相比于其他工程塑料，PEEK材料具有機(jī)械強(qiáng)度高、耐高溫性、耐沖擊、耐磨、耐疲勞、自潤(rùn)滑性和耐腐蝕等諸多優(yōu)良的特質(zhì)。正因?yàn)槿绱?，PEEK材質(zhì)在機(jī)械、化工、航空航天、醫(yī)療器械等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用[4]。

相比于金屬材料，PEEK材料密度低，彈性模量低，因此，用PEEK材料制成的閥片和金屬閥片相比以同樣的速度撞擊升程限制器或者閥座產(chǎn)生的撞擊應(yīng)力也低，由此產(chǎn)生的疲勞損傷也隨之降低。且PEEK閥片具有良好的耐磨性和柔韌性，材料對(duì)裂紋不敏感，在同樣的應(yīng)力水平下，PEEK閥片的使用壽命更長(zhǎng)。

關(guān)于一般的PEEK材料的性能參數(shù)許多文獻(xiàn)里已有詳細(xì)描述，在此不再贅述。為詳細(xì)了解目前市場(chǎng)上液驅(qū)隔膜壓縮機(jī)所用氣閥PEEK閥片材料的性能參數(shù)，調(diào)研了幾家供應(yīng)商，并將具體參數(shù)列舉在表1中。

2 研究對(duì)象

本文研究對(duì)象為最高排氣壓力45 MPa的液驅(qū)隔膜式壓縮機(jī)用菌形閥片。

3 應(yīng)力狀態(tài)研究

3.1 閥片所受載荷

壓縮機(jī)氣閥最常見(jiàn)的故障為閥片斷裂，原因主要為交變應(yīng)力導(dǎo)致的疲勞損壞，閥片所受交變應(yīng)力主要包括閥片與升程限制器和閥座撞擊產(chǎn)生的撞擊應(yīng)力及由于閥片兩側(cè)壓差造成的彎曲應(yīng)力[5]。由此可以看出，當(dāng)上文所述壓縮機(jī)排氣壓力最大且壓縮比最大時(shí)，此時(shí)閥片兩側(cè)壓差最大，閥片所受力最大。上文所述壓縮機(jī)最大排氣壓力為45 MPa，最大壓縮比為7.5，當(dāng)壓縮機(jī)運(yùn)行在此工況下氣閥閥片所承受的背向壓力載荷為7 800 N。

壓縮機(jī)工作在排氣壓力高、壓縮比大的工況條件下時(shí)，排氣溫度會(huì)升高。溫度升高到一定程度對(duì)PEEK材料的機(jī)械性能尤其是屈服強(qiáng)度、彈性模量產(chǎn)生較大的影響。根據(jù)壓縮機(jī)測(cè)試結(jié)果，排氣壓力為45 MPa且壓比為7.5時(shí)（吸氣壓力6 MPa），氣體最高溫度為140 ℃，由于被壓縮氣體在氣閥中高速流動(dòng)且氣閥處于壓縮機(jī)的膜頭內(nèi)部，可以近似認(rèn)為閥片和氣體的溫度一致。

3.2 PEEK材料的彈性模量

要計(jì)算閥片的應(yīng)力情況必須知道PEEK材料的彈性模量，PEEK材料的彈性模量會(huì)隨著溫度的變化而變化。

通過(guò)應(yīng)力試驗(yàn)裝置可以對(duì)不同溫度下的PEEK材料的彈性模量進(jìn)行測(cè)試。圖1所示的試驗(yàn)結(jié)果表明，溫度對(duì)彈性模量的影響比較明顯，從常溫下的6.18 GPa，下降到140 ℃時(shí)的3.76 GPa，下降幅度達(dá)到39%。需要根據(jù)工況載荷對(duì)PEEK材料閥片進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，確保在彈性模量為3.76 GPa時(shí)，閥片不會(huì)出現(xiàn)高應(yīng)力集中點(diǎn)及大的塑性變形。

3.3 PEEK閥片的CAE分析

由于閥片兩側(cè)壓差造成的彎曲應(yīng)力可以利用有限元軟件比較方便的計(jì)算，因此本文首先對(duì)于此部分應(yīng)力進(jìn)行CAE分析。

首先，將閥片和閥座的三維模型導(dǎo)入到有限元軟件中，通過(guò)有限元軟件建立閥片閥座結(jié)構(gòu)的軸對(duì)稱CAE模型。CAE模型采用四邊形二維網(wǎng)格。閥片和閥座之間的連接采用接觸連接，接觸算法使用增廣拉格朗日算法[6]。計(jì)算采取4種工況，施加同等的工況載荷;區(qū)別在于不同溫度下PEEK材質(zhì)的彈性模量不同。計(jì)算工況的設(shè)置見(jiàn)表2。CAE的計(jì)算結(jié)果如圖2所示，4種工況下計(jì)算得出的最大應(yīng)力為25 ℃下的應(yīng)力131.75 MPa，最小應(yīng)力為140 ℃下的應(yīng)力57.55 MPa。可以看出隨著溫度的上升，在同樣載荷下，閥片應(yīng)力是逐步下降的。同時(shí)從表1可以看出，隨著溫度的上升PEEK材料的屈服極限是逐步下降的。計(jì)算結(jié)果表明，溫度對(duì)于PEEK材料的影響非常大。

3.4 PEEK閥片的高溫疲勞試驗(yàn)

氣閥閥片在實(shí)際工作中主要是受交變疲勞載荷，對(duì)此CAE較難模擬，因此，要全面評(píng)價(jià)閥片的可靠性，需要進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。

氣閥閥片（吸氣閥、排氣閥）在實(shí)際工作中所受載荷：閥門(mén)開(kāi)啟時(shí)，由于正向壓差的作用，閥片會(huì)以一定速度沖擊升程限制器，閥片和彈簧均受沖擊載荷。在氣閥關(guān)閉時(shí)，閥片對(duì)閥座沖擊相對(duì)較弱，但氣閥關(guān)閉后，閥片和閥座密封面會(huì)承受閥兩側(cè)反向壓差產(chǎn)生的接觸、剪切、彎曲應(yīng)力。

2種交變載荷較難在同一試驗(yàn)裝置上完成，故將沖擊疲勞試驗(yàn)和交變應(yīng)力疲勞試驗(yàn)分開(kāi)進(jìn)行。在第一次試驗(yàn)結(jié)束之后，將2種試驗(yàn)的試驗(yàn)件交換再次進(jìn)行相同次數(shù)的試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)氣閥的疲勞壽命進(jìn)行初步評(píng)判。

具體的試驗(yàn)步驟如下：①稱取閥片重量，檢查閥片外觀，測(cè)量閥片尺寸;②將試件放入沖擊疲勞試驗(yàn)裝置中加熱到140 ℃，然后保溫;③使用沖擊疲勞試驗(yàn)裝置進(jìn)行激振，不低于1億次;④將試件取出，放入到交變應(yīng)力試驗(yàn)裝置中，加熱到140 ℃，然后保溫;⑤施加等效的交變載荷進(jìn)行交變應(yīng)力疲勞試驗(yàn);⑥試驗(yàn)結(jié)束后，觀察閥片的表面狀態(tài)，并稱重。

疲勞試驗(yàn)共使用了3個(gè)試樣，3個(gè)試驗(yàn)在試驗(yàn)前后的直徑和厚度尺寸對(duì)比見(jiàn)表3。

試樣1在直徑尺寸上無(wú)變化，厚度尺寸減少0.03 mm（≤0.03 mm）;試樣2直徑尺寸增加0.13%（≤0.2%），厚度減少0.03 mm（≤0.03 mm）;試樣3直徑尺寸增0.13%（≤0.2%），厚度減少0.02 mm（≤0.03 mm）。3個(gè)試驗(yàn)的變形均滿足預(yù)期，不影響使用。圖3為閥片經(jīng)過(guò)疲勞試驗(yàn)后的照片，從照片可以看出閥片表面狀態(tài)良好，密封面完整，僅有輕微壓痕。

一般來(lái)說(shuō)，PEEK材料如果發(fā)生疲勞破壞會(huì)產(chǎn)生表面剝落或者磨損的情況，可以通過(guò)閥片的重量變化間接判斷試驗(yàn)時(shí)材料是否發(fā)生過(guò)疲勞破壞。圖4是疲勞試驗(yàn)閥片的稱重結(jié)果。從圖4可以看出，閥片重量的變化非常微小，可以認(rèn)為經(jīng)過(guò)疲勞試驗(yàn)后的閥片仍然是可以使用的。圖5是高溫試驗(yàn)的變形曲線，從圖5中可以看出，閥片的變形基本呈線性，可以認(rèn)為在高溫疲勞試驗(yàn)中，閥片并未發(fā)生明顯的熱蠕變。

4 結(jié)論

液驅(qū)隔膜壓縮機(jī)氣閥PEEK閥片的應(yīng)力狀態(tài)受溫度的影響很大，設(shè)計(jì)PEEK氣閥閥片要充分考慮到溫度的影響。液驅(qū)隔膜壓縮機(jī)氣閥閥片在工作時(shí)主要受疲勞載荷，要衡量氣閥閥片的可靠性，要以材料在高溫下的疲勞試驗(yàn)作為依據(jù)。PEEK閥片可以滿足45 MPa壓縮機(jī)的正常使用，PEEK是一種良好的閥片材料。

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第一作者簡(jiǎn)介：敖龍（1985-），男，碩士，工程師。研究方向?yàn)楦裟な綁嚎s機(jī)。