轴向交变载荷对压滤机入料泵吸入球阀磨损性能的影响

何 清

（中煤华晋集团有限公司）

压滤机入料泵结构简单、安装成本低，因此广泛应用在各类工业加工车间中。 压滤机入料泵吸入球阀作为压滤机入料泵的关键元件，具有连接能源元件与执行元件的作用［1］。在实际工作中，球阀与阀座长时间往复运动，阀座会对球阀施加大量的轴向交变载荷［2］从而造成磨损。 由于吸入球阀是压滤机入料泵中的主要部件，其应用性能对压滤机入料泵具有直接影响，因此，国内外学者对其物理性质进行了广泛研究。 SARDAR S等认为，压滤机入料泵吸入球阀磨损大多受到载荷量和载荷频率两个因素的影响，但其所得结果均为数值模拟结果，对实际工程中的作业指导参考价值较小［3，4］。 为此，笔者将当前的研究成果作为指导方案，通过多次试验测定轴向交变载荷对球阀的影响，并根据试验结果优化球阀的生产工艺与应用环节，以降低球阀的磨损，延长压滤机入料泵吸入球阀的使用寿命。

1 试验材料与仪器

1.1 试验材料及试剂

将工业304奥氏体不锈钢压滤机入料泵吸入球阀作为试验对象，该球阀具有较好的耐蚀性与韧性，其基础物理性能如下：

密度（25 ℃） 8.00 g/cm3

熔点 1 395～1 425 ℃

线胀系数 17.5×10-6K-1（0～100 ℃），18.7×10-6K-1（0～500 ℃）

硬度 25HRC

显微硬度 HV0.05190

试验对象的基础材料为304不锈钢板，实际工况中为了满足球阀的表面硬度和耐磨性要求，同时考虑到成本问题，选择Ni60粉末作为球阀的熔覆面材料， 并在此熔覆面中添加陶瓷颗粒作为增强相。 球阀熔覆面材料的物理性质如下：

密度 16.5 g/cm3

熔点 2 984 ℃

线胀系数 7.0×10-6K-1

显微硬度 HV0.052250

应用电子显微镜分析吸入球阀中心金相组织，结果如图1所示。 可以看出，吸入球阀核心部分为标准的低碳钢材金相组织。 在试验测定前，筛选试件并排除有明显工艺缺陷的吸入球阀。 试件选取完成后，通过超声清洗以清除试件表面污渍，减少试验外部干扰因素。

1.2 试验仪器

本研究中，磨损数据的测量是确定球阀磨损性能最为重要的环节，因此将试验仪器大致分为轴向交变载荷试验设备、 球阀磨损量测量设备、球阀显微观察设备3部分，具体如图2所示。

图2 试验仪器

考虑到传感器的经济性同时兼顾测量精度的需求，因此采用米铱智能激光三角位移传感器optoNCDT 1420［5，6］作为试验测试设备，该设备重复率最高为0.5 μm，线性度为9 μm。 完成设备选型后，将其有序安装到实验室中备用。

2 试验方法

2.1 试验参数

在工业304奥氏体不锈钢压滤机入料泵吸入球阀磨损性能试验中，设定参数如下：

轴向交变荷载 10、15、20、25、30 kN

试验频率 25 Hz

加载路径 自上而下

循环次数 1×106

试验环境条件如下：

试验温度 25 ℃±2.5 ℃

相对湿度 60%±15%

为了更好地完成轴向循环荷载施加过程，将其转化为最大拉伸应力τmax进行计算，则有：

其中，D表示轴向循环荷载；Bi表示球阀的应力截面积［7］；d2表示球阀直径；d3表示阀座直径。通过式（2）控制轴向交变载荷取值，以此提升试验结果的可靠性与真实性。

2.2 试验内容及设计

2.2.1 球阀显微硬度测量试验

使用MVC-1000JMT1显微硬度计测量试件的显微硬度，测量荷载为30 N，加载时间为30 s。 在测定前，保证试件原始硬度保持在400HV以上，且为内部钢材基体硬度的两倍以上。 通过显微分析可知，球阀金属表面结构大致可分为图3所示的3个部分。 分析不同金属表面类型的吸入球阀表面结构，获取球形、絮状、异形3种类型金属表面球阀显微硬度，从而探究试件的基础物理性能。

图3 球阀金属表面结构类型划分结果

2.2.2 球阀磨损量测定试验

试验开始前，清洁试件并烘干称重，然后对试件分别施加10、15、20、25、30 kN的轴向交变荷载， 在此条件下确定不同类型的球阀抗磨损能力。 试验结束后再次清洁试件并进行烘干处理，然后使用电子天平测量并记录每个试件的重量，得到球阀磨损量。

下次试验开始前， 清洁试件并烘干称重，将轴向交变荷载固定为30 kN， 将载荷施加频率设定为4、6、8、10、12 Hz，试验过程共循环20 000次，分析不同荷载施加频率条件下的球阀磨损量。 操作结束后，清洗试件并烘干，使用电子天平测量并记录每个试件的重量，得到球阀磨损量。

2.2.3 球阀磨损痕迹分析

选取球形金相组织球阀、异形金相组织球阀和絮状金相组织球阀作为研究对象，对其循环施加30 kN的轴向交变荷载， 经过20 000次测试后，获取不同类型球阀的磨损情况。 为保证试验环节取得的结果具有分析价值，除磨损痕迹的直接观察结果外，应用激光位移传感器获取球阀磨损痕迹的平均深度和最深深度。

2.3 试验数据处理

2.3.1 磨损性能数据处理函数

使用磨损计算模型测算压滤机入料泵吸入球阀磨损情况。 根据E/CRC磨损计算模型［8，9］得到此次研究中使用的磨损分析模型函数F为：

2.3.2 数据处理方法

根据磨损性能数据处理函数获取的试验数据，并通过以下3种方法统计、整理与分析试验结果：

a.图像法。将获取到的数据用对应的函数图像表示，通过分析物理量变化关系的方式，获取试验结果。

b.列表法。将采集到的试验数据统计到相应的表格中，通过对比数据的方式，分析试验参数与试验结果之间的关系。

c.平均值法［10］。 试验过程中涉及大量大周期试验，由于时间与技术上的限制，无法对每个周期的试验数据进行系统分析，为降低试验计算难度，采用求平均值的方式，分析大周期试验数据。3 试验结果分析

3.1 显微硬度测量结果分析

显微硬度测量结果如图4所示。 由图4可知，3种金相组织结构均会对球阀表面起到强化作用，但存在细微的差异。 由于异形金相组织之间空隙较大，支撑力相对较低，显微硬度相对较低。 球形金相组织较为稳定，为球阀表面提供了较高的支撑力，因此其硬度相对较高。 与上述两类金相组织相比，絮状金相组织的支撑力位于中值，整体支撑力适中。 综上，球形金相组织硬度>絮状金相组织硬度>异形金相组织硬度。

图4 显微硬度测量结果

3.2 球阀磨损量测定试验结果分析

3.2.1 不同荷载条件下球阀磨损量结果分析

不同荷载条件下球阀磨损量试验结果如图5所示。 由图5可知，轴向交变载荷越大，球阀的磨损量越大。 球形金相组织球阀在每种荷载下的磨损量均为3种球阀中的最小值， 且整体走向较为稳定，其他两种球阀在不同载荷条件下的磨损量相对较大，抗磨损性能较差。

图5 不同荷载条件下球阀磨损量试验结果

3.2.2 不同荷载施加频率下球阀磨损量结果分析

不同荷载施加频率下球阀磨损量试验结果如图6所示。 由图6可知，随着荷载施加频率的增加，球阀磨损量随之增加，两者成正比关系。 3种类型球阀中， 球形金相组织球阀磨损量相对较小，其他两种金相组织球阀磨损量较大。

图6 不同荷载施加频率下球阀磨损量试验结果

3.3 球阀磨损痕迹试验结果分析

使用高清工业相机获取球阀磨损图像，如图7所示，其中圆圈处为球阀磨损区域。

图7 3种球阀磨损痕迹试验结果

由图7可知，荷载施加量一定时，异形金相组织球阀磨损痕迹数量>絮状金相组织球阀磨损痕迹数量>球形金相组织球阀磨损痕迹数量。 异形金相组织球阀磨损痕迹较深较长，说明此金相组织结构硬度较差且抗磨损能力较差。 将试验结果量化，数据见表1。 由表1可知，球形金相组织球阀的平均磨损划痕深度与最深磨损划痕深度均较浅， 表明此金相组织球阀的抗磨损能力较强，且不易受到轴向交变载荷的影响。

表1 球阀磨损痕迹深度统计表 mm

4 结论

4.1 当荷载量为变量时， 轴向交变载荷越大，球阀的磨损量越大；当荷载频率为变量时，轴向交变载荷频率越大，球阀的磨损量越大。

4.2 对比不同金相组织球阀硬度可知：球形金相组织>絮状金相组织>异形金相组织。

4.3 由于球形金相组织球阀抗磨损能力较强，因此可对压滤机入料泵吸入球阀的生产工艺进行优化，使球阀表面金相组织多为球形结构，从而延长球阀使用寿命。