大型隔膜泵液力端阀件设计理论研究

姬小东（中国有色（沈阳）泵业有限公司，辽宁 沈阳 110144）



大型隔膜泵液力端阀件设计理论研究

姬小东
（中国有色（沈阳）泵业有限公司，辽宁 沈阳 110144）

摘 要：阀件是隔膜泵的重要组成部分，也是设备运行中的主要易损零件，其使用性能与使用寿命不仅直接影响着隔膜泵的工作特性，也影响着隔膜泵的维护保养成本。由于阀件运动条件与运动过程的复杂性，阀件设计过程中主要是通过“比照设计”来进行新通径等特殊阀件的设计，这种新阀件在使用过程中存在着极大的不确定性。本文基于冲击和冲刷对阀件的破坏，通过对阀件破坏形式与破坏理论的分析，结合阀件在用户现场的使用情况，确定了阀件结构设计的基本准则。对锥阀阀件冲击和冲刷因素造成的损坏进行研究，对输送浆体的粘度和米勒数等因素造成的阀件损坏不作研究。关键词：大型隔膜泵；液力端；阀件

1　前言

隔膜泵是往复泵的一种，广泛应用到工业各个领域。往复泵的突出优点有：输出压力高，且流量与压力无关，连续运转率高，适应输送介质广泛。在当今世界能源和资源紧缺的形势下，往复泵作为节能产品，在石油开发、管道输媒、煤气化工、有色冶金、矿山开采等方面都起着很重要的作用。隔膜泵阀件是液力端中的易损件，起到单向过流的作用，是往复泵的关键部件。由于其工作环境复杂与恶劣，运行中经常出现各种失效现象，大流量高压力情况下更为明显。易损部件的更换固然带来了一定的经济损失，对于一些重要客户，故障停机所引起的直接、间接损失是无法估量的。由于阀件直接与浆体接触，工作条件较为恶劣，使用寿命较短，我公司生产的阀件使用寿命一般仅为1个月左右，国外厂商生产的阀件一般为2个月左右，一方面，用户的备件费用较高，另一方面，较高的更换频率也会影响客户的生产效率。

面对越来越严峻的市场竞争，提高阀件使用寿命一直是各大隔膜泵生产商包括我公司的目标。但由于阀件运动过程的复杂性及相关技术的瓶颈，阀件设计的理论依据仍然十分匮乏。本项目以提高阀使用寿命为目标，通过对现场的高寿命阀件的研究，结合理论计算与分析，提出了阀件的设计准则，研制了新型阀件。

2　阀件设计理论研究

隔膜泵阀件多使用锥阀，易损阀件主要包括阀座、阀橡胶、阀锥与阀螺母。如图1所示，阀座通过外锥面固定于阀箱体上，阀橡胶通过阀螺母被压在阀锥上，阀锥、阀螺母、阀橡胶组成阀锥部装，阀锥部装在隔膜泵运转过程中不断的升高、降落，实现浆体的输送。

一台隔膜泵需要6～8个进出料单向阀，由于运行环境差、传送介质粒度大、工作压力高、冲击强等原因，泵阀的寿命较短，性能指标不够理想，难以承受高压大流量的工作负荷，成为大型隔膜泵设计的瓶颈。

在隔膜泵运转过程中，泵阀不断开启、闭合，阀锥做上、下往复运动，向上运动时靠阀锥导管定位、向下运动时靠阀座定位，运动时的冲击及浆体流动的冲刷等都会造成阀件的损坏。阀件的损坏原因主要是冲击与冲刷：

（1）泵阀冲击

一方面，在高冲击载荷作用下，阀座锥面下沉，形成上、下锥面。上锥面为阀橡胶与阀座的接触面，基本上保持原设计锥面，损伤轻微，下锥面则与阀锥直接接触，承受高冲击载荷，使阀座产生严重的塑性变形，造成阀座下沉；另一方面，阀冲击引起阀锥、阀座产生较高的应力，在交变应力的作用下，阀件产生疲劳磨损，阀锥、阀座上出现裂纹或金属剥落。阀件冲击方面的主要研究成果包括库科列夫斯基的无冲击理论与阿道尔夫的接触应力理论。

库科列夫斯基理论指出，阀的撞击是由于阀下落在阀座上时的速度达到某一临界值产生的，而试验结果表明，当阀落到阀座上的速度ω0≤60mm/s～ 70mm/s时就不会产生严重的撞击现象，而当阀的下落速度超过这一范围时就会产生撞击，引起振动。其具体判据以公式形式表达为：

nhmax≤600mm/s～700mm/s

式中：

n为泵的冲次；hmax表示阀的升程。

对于往复次数较高的泵，nhmax允许提高到700mm/s～750mm/s，对于有橡胶密封面的阀，nhmax可提高到800mm/s～ 1000mm/s。

由库科列夫斯基理论可知：单方面提高泵的冲次和阀的升程，都可能超过理论的判据要求。以隔膜泵产品冲次在40r/min～50r/min的实际情况分析，其使用的各通径的阀升程在20mm～25mm。

阿道尔夫借助弹性冲击理论做了一组实验，按密封面接触应力小于允许接触应力的观点给出了阀板允许速度[uf]的经验公式。

Aj表示阀锥与阀座的锥面接触面积；

mf表示阀重量。

由阿道尔夫理论可知：阀锥与阀座的锥面接触面积的变化对阀板允许速度和nhmax的影响至关重要，阀锥与阀座的锥面接触面积的增加可以有效的提高阀板允许速度和nhmax的允许值。

（2）泵阀冲刷

含大量颗粒的料浆和磨蚀性较强的料浆，通过阀锥与阀座之间的环形间隙流动时，对阀件产生冲刷，形成刺沟状破坏。此外，在阀锥关闭过程中，浆体中的高硬度颗粒被挤入阀件金属表面并沿着阀件锥面母线方向滚滑一段微小距离，最后破碎，该过程就会造成阀件表面形成沟槽状损坏。

根据往复泵的设计经验，泵阀允许的阀隙流速[Cv]一般取值为4m/s～6m/s，最大可取12m/s～16m/s。阀隙流速的计算公式为：

式中：

qmax为通过阀的最大流量；

Avmax为阀处于最大升程时的阀隙过流面积；

A为活塞截面积；

R为曲柄半径；

n为冲次。

由上述公式可以看出，阀的升程增大，阀隙过流面积增加；阀隙过流面积增加可以有效降低阀隙流速，降低料浆对阀件的冲刷和磨蚀。但根据库科列夫斯基理论和阿道尔夫冲击理论，升程增大，冲次不变的情况下，nhmax是增大的。意味着阀的升程在阀隙流速和库科列夫斯基理论、阿道尔夫冲击理论中均是反比的。在输送高磨蚀性的颗粒（铁精矿）、具有腐蚀性（酸碱性）的浆体时，冲刷中尤其明显。因此，输送此类介质时，阀隙流速的控制是较为关键的。如果调整阀隙流速仍不能有效控制，就只能增加升程或增大阀通径了。

3　阀件设计原则

根据隔膜泵应用的实际工况，隔膜泵冲次一般在40r/min～50r/min。库科列夫斯基理论和阿道尔夫理论说明：有效控制阀的升程可以降低阀的冲击破坏；增大阀锥与阀座的锥面接触面积，也是降低阀的冲击破坏的有效方法。泵阀冲刷的阀隙流速理论说明：阀隙流速与阀冲刷是成正比的，也就是说阀隙流速越大，阀冲刷的越严重；降低阀隙流速的有效方法是加大阀的升程和增大阀的规格。

为了使阀件工程设计更具有可实施性、可依据性，我们需把上述理论和阀面平均应力计算的方法相结合，形成阀件工程设计的依据。

（1）根据隔膜泵设计成本核算，放大阀的规格并不是理想的措施，只会使隔膜泵结构放大。因此，将升程和阀隙流速有机协调处理才是关键。

图1　阀件装配示意图

（2）增大阀锥与阀座的锥面接触面积，可以有效降低阀的冲击破坏。但阀隙流速需[uf]≤12m/s。

（3）库科列夫斯基理论和阿道尔夫理论对nhmax的判据不适用隔膜泵阀件，通过上述研究结合实际工程条件，nhmax≤2000应为适当。

（4）根据平均应力计算方法结合试验跟踪情况，确定如下应力设计依据：

阀锥侧面应力垂直分量≤16MPa；

阀锥侧面应力平行分量≤20MPa；

阀橡胶侧面应力垂直分量≤35MPa；

阀橡胶侧面应力平行分量≤45MPa；

通径多次设计和实践应用，总结出来阀件工程设计还需按下表结构参数进行规范设计。

结语

阀件作为隔膜泵设备的重要零件，也是用户使用设备过程中必不可少的备件之一。它的质量、寿命及生产周期直接影响着隔膜泵台套设备与备件的销售状况。本文以阀件破坏形式为切入点，通过理论计算与分析，得到了阀件设计的基本要求，不仅为改善隔膜泵阀件使用寿命提供了帮助，也为新规格、新领域的阀件设计奠定了理论基础。

参考文献

[1]凌学勤.DGMB、SGMB系列往复式隔膜泵在氧化铝工艺流程中的应用[J].有色设备，2003（02）.

[2]李大磊，赵玉奇，张志林.SolidWorks高级功能与工程应用[D].北京：北京邮电大学出版社，2008.

[3]成大先.机械设计手册[D].北京：化学工业出版社，2007.

中图分类号：TH323

文献标识码：A