往復(fù)式液壓隔膜泵活塞桿斷裂原因分析

0引言在往復(fù)式液壓隔膜泵的運行過程中，活塞桿需要帶動活塞在活塞缸內(nèi)往復(fù)運動，以此為設(shè)備的運轉(zhuǎn)與功能的實現(xiàn)提供動力，因此活塞桿的工作負荷也相對較高，容易出現(xiàn)斷裂問題，對機組造成二次破壞，甚至引發(fā)泄露、爆炸等安全事故，威脅生產(chǎn)人員的生命安全。因此相關(guān)設(shè)備檢修維護人員不僅要掌握相應(yīng)的故障處理方法，而且要對活塞桿斷裂的原因進行分析，采用更加針對性的處理辦法，以此為往復(fù)式液壓隔膜泵的運行安全與穩(wěn)定性提供保障。1往復(fù)式液壓隔膜泵概述往復(fù)式液壓隔膜泵（圖1）是在傳統(tǒng)液壓隔膜泵的基礎(chǔ)上改進得出的新式隔膜泵，一方面繼承了傳統(tǒng)隔膜泵的優(yōu)勢，效率高，流量穩(wěn)定，適應(yīng)性強，能夠運送有毒、貴重或具有較強磨損性的液體，還能用作計量泵[1]。另一方面，往復(fù)式液壓隔膜泵的活塞缸與泵體連接，活塞可以在活塞缸內(nèi)部進行軸向往復(fù)滑動。在往復(fù)式液壓隔膜泵的泵體內(nèi)部還安設(shè)了前導(dǎo)向座與后導(dǎo)向座，內(nèi)部設(shè)有可軸向移動的導(dǎo)向套，并在導(dǎo)向套與導(dǎo)向座之間設(shè)有復(fù)位彈簧。前后導(dǎo)向套內(nèi)部由導(dǎo)桿連接，導(dǎo)桿左端為導(dǎo)桿套，右端為限位環(huán)，限位環(huán)與限制板固定在一起，限制板兩端連接有隔膜，不與限位環(huán)固定的一端與泵體連接，并且在泵體下端設(shè)有補償閥，與后導(dǎo)向座溝槽連通。通過上述結(jié)構(gòu)與設(shè)計的改進，能夠有效提升隔膜泵的運行穩(wěn)定性，控制隔膜的最大變形撓度，以此延長隔膜的使用壽命，降低往復(fù)式液壓隔膜泵的運行成本。圖1往復(fù)式液壓隔膜泵2往復(fù)式液壓隔膜泵活塞桿斷裂的原因2.1活塞桿的加工與安裝往復(fù)式液壓隔膜泵內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，運行的過程中，活塞桿需要長時間承受較大的交變應(yīng)力，這對活塞桿自身的抗疲勞性能提出了較高的要求。而在活塞桿加工的過程中，如未采用滾壓操作加工螺紋，活塞桿在面對較大的應(yīng)力時就有可能出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)荷載的現(xiàn)象，導(dǎo)致往復(fù)式液壓隔膜泵活塞桿出現(xiàn)裂紋，縮減活塞桿的有效截面，形成惡性循環(huán)，最終引發(fā)活塞桿的斷裂。圖2往復(fù)式液壓隔膜泵內(nèi)部結(jié)構(gòu)在往復(fù)式液壓隔膜泵安裝過程中的問題也有可能會導(dǎo)致活塞桿的斷裂。如果安裝過程中導(dǎo)桿與溝槽的結(jié)合不夠緊密，就有可能導(dǎo)致其在運行過程中出現(xiàn)脫軌的問題，導(dǎo)致慣性力增加，帶動活塞桿與氣缸套的軸線超出標準范圍，加大活塞桿應(yīng)力，提升活塞桿斷裂的概率。2.2疲勞斷裂往復(fù)式液壓隔膜泵運行過程中，活塞桿需要持續(xù)往復(fù)運動，承受著較大的交變應(yīng)力與運行壓力，在二者共同作用下，螺紋將成為容易出現(xiàn)裂紋的薄弱點，應(yīng)力會因有效截面的面積減小而進一步集中，在到達活塞桿的極限后從根部瞬間斷裂，這一現(xiàn)象被稱為疲勞斷裂?；钊麠U斷裂如圖3所示。圖3活塞桿斷裂當活塞桿出現(xiàn)疲勞斷裂時，突出的特點是斷口平整，沒有明顯的變形與縮頸，成金屬本身的正常顏色，且斷口一般與活塞桿的中軸線呈近似垂直，而斷口形態(tài)也是判斷斷裂種類與原因的重要指標[2]。這是由于活塞桿一般會選擇強度與韌性都較為良好的材料，如果斷裂原因為拉斷或扭轉(zhuǎn)，則斷口必然出現(xiàn)明顯的變形，只有疲勞斷裂屬“自然斷裂”，斷口處不會出現(xiàn)明顯變形。疲勞斷裂的第二個特點是不可預(yù)測的突發(fā)性，斷裂時不存在明顯的前期預(yù)兆，大多數(shù)情況下都是突然斷裂。這受到活塞桿自身形狀與加工方式的影響，兩端螺紋的應(yīng)力承受性能最差，對裂紋最為敏感，由此可見只要往復(fù)式液壓隔膜泵依然處于運行狀態(tài)，活塞桿的抗疲勞性就難免下降，活塞桿斷裂也因此不可避免。2.3液擊現(xiàn)象在判斷往復(fù)式液壓隔膜泵斷裂原因時，如果發(fā)現(xiàn)氣缸內(nèi)部存在大量液體沖刷的痕跡，則證明往復(fù)式液壓隔膜泵運行過程中分離器內(nèi)部的油水沒有及時排出，導(dǎo)致氣缸內(nèi)部進水，活塞運動受阻，引發(fā)活塞桿的斷裂，此時可以判斷活塞桿斷裂的原因為液擊現(xiàn)象。在往復(fù)式液壓隔膜泵運行過程中，如果出現(xiàn)液體進入氣缸的現(xiàn)象，則會導(dǎo)致活塞桿承受的應(yīng)力突然提升，引發(fā)嚴重的液擊現(xiàn)象，一旦達到活塞桿承受應(yīng)力的極限，則會在其薄弱處引發(fā)活塞桿斷裂[3]。不僅如此，液擊現(xiàn)象還會引發(fā)一系列的后續(xù)問題，比如活塞的螺母有可能掉入氣缸，在活塞的帶動下保持高速運動的狀態(tài)，猛烈撞擊氣缸蓋，導(dǎo)致氣缸蓋破裂，甚至飛出氣缸，危害工作人員的生產(chǎn)安全與生命安全。2.4螺母扭力過大螺母的調(diào)校是往復(fù)式液壓隔膜泵運行維護中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在旋緊螺母，為活塞螺母施加阻力時，穿過活塞內(nèi)孔的部分活塞桿，特別是帶有螺紋的部分就會受力而產(chǎn)生伸長變形。當旋緊螺母所施加的扭力在規(guī)定范圍之內(nèi)時，活塞桿所受的拉力也在其剛性范圍之內(nèi)，不會對活塞桿的正常運行造成負面影響。活塞桿本身具備一定彈性，當螺母放松時，活塞桿就會恢復(fù)到原有的軸向尺寸。但當螺母扭力過大時，活塞桿所受的拉力就會超過其剛性范圍，此時活塞內(nèi)孔中的部分活塞桿，尤其是帶有螺紋的部分就會發(fā)生塑性變形，在反復(fù)交變力的作用下導(dǎo)致活塞桿斷裂。不僅如此，往復(fù)式液壓隔膜泵的維修人員的工作習(xí)慣也有可能加重螺母扭力過大引發(fā)的活塞桿斷裂，比如當被緊螺母的扭矩過大，且采用敲擊的方式擰緊螺母時，活塞桿定位臺肩外表面就會附帶灰塵與金屬粉末，提升其脆性，提高活塞桿斷裂的發(fā)生概率。3往復(fù)式液壓隔膜泵活塞桿斷裂的解決方法3.1優(yōu)化活塞桿結(jié)構(gòu)往復(fù)式液壓隔膜泵活塞桿結(jié)構(gòu)如圖4所示，由于疲勞斷裂是活塞桿最為常見的斷裂原因，而其出現(xiàn)與截面所受應(yīng)力存在密切的聯(lián)系，所以應(yīng)當先對危險截面處的結(jié)構(gòu)作出優(yōu)化處理，在危險截面位置增加應(yīng)力削減凹槽，避免應(yīng)力過度集中，同時起到降低過渡處承受應(yīng)力的作用。圖4往復(fù)式液壓隔膜泵活塞桿結(jié)構(gòu)另外，要對往復(fù)式液壓隔膜泵活塞桿的臺肩結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。原本的活塞桿臺肩結(jié)構(gòu)與活塞之間沒有承壓塊，導(dǎo)致活塞桿與活塞之間的接觸面積有限，活塞桿的局部應(yīng)力增加，提升其斷裂的風(fēng)險。而優(yōu)化后的新結(jié)構(gòu)則在活塞桿臺肩結(jié)構(gòu)與活塞之間設(shè)計了承壓塊，起到了降低接觸面比壓的作用，同時使活塞桿在接觸面上的荷載分布更加均勻[4]。不僅如此，活塞桿臺肩部分與承壓塊結(jié)合也降低了活塞桿承受橫向載荷導(dǎo)致應(yīng)力彎曲而損壞的概率。同時，要對活塞螺母進行優(yōu)化，螺母扭力過大同樣是導(dǎo)致往復(fù)式液壓隔膜泵活塞桿斷裂的原因之一。一般情況下，往復(fù)式液壓隔膜泵的活塞螺母需要使用F型扳手進行緊固，扭矩較大，很難達成恰當?shù)木o固效果，且無法實現(xiàn)對螺栓緊固力的精確控制。超級螺母結(jié)構(gòu)主要是通過擰緊多個小螺釘產(chǎn)生較為強大的軸向頂推力，并將頂推力直接作用到硬化墊圈上。由于頂推螺釘?shù)哪Σ林睆叫?，所以利用其對往?fù)式液壓隔膜泵的活塞螺母進行優(yōu)化，就可以在較小的扭矩下實現(xiàn)高的頂推力，且能夠通過扭矩扳手對每個小螺釘?shù)木o固力矩作出精確控制，有效解決原有螺母結(jié)構(gòu)因緊固力矩不精確導(dǎo)致活塞螺母松動的風(fēng)險概率提升。3.2改進活塞桿的制作工藝往復(fù)式液壓隔膜泵活塞桿的制作工藝對其質(zhì)量有著直接的影響，對其制作工藝作出改良能夠有效提升活塞桿的性能與穩(wěn)定性。在活塞桿螺紋的加工過程中，可以根據(jù)實際的性能需求選擇滾壓、軋制與削磨等加工工藝，優(yōu)化最終的加工效果。同時，為了避免往復(fù)式液壓隔膜泵活塞桿在粗加工后出現(xiàn)裂紋，則需要在加工前后對材料進行超聲波探傷，一方面是為了確保加工材料的完好性，保證其在進行制作之前不存在裂紋；另一方面也是為了再次檢查加工效果，避免存在暗傷的活塞桿投入使用。而對活塞桿的調(diào)制處理能夠有效提升其抗疲勞性能與抵抗交變載荷的能力，降低其出現(xiàn)斷裂問題的概率[5]。除此之外，在加工往復(fù)式液壓隔膜泵活塞桿螺紋時還可以采用擠壓加工的方式降低殘余應(yīng)力，延長活塞桿使用壽命與疲勞強度。3.3采用合理的預(yù)防措施除了對往復(fù)式液壓隔膜泵活塞桿本身進行優(yōu)化之外，相關(guān)維修人員還可以采用合理的預(yù)防措施來防止活塞桿斷裂，在保障人員的安全同時，降低往復(fù)式液壓隔膜泵的運行成本。首先，從往復(fù)式液壓隔膜泵安裝的角度出發(fā)，維修人員應(yīng)當保障設(shè)備的安裝質(zhì)量。高質(zhì)量的安裝工作能夠盡可能避免失誤，為往復(fù)式液壓隔膜泵創(chuàng)造良好的運行環(huán)境，保障穩(wěn)定的運行狀態(tài)，有效延長往復(fù)式液壓隔膜泵活塞桿的使用壽命，因此在安裝往復(fù)式液壓隔膜泵時要嚴格按照安裝標準進行施工，同時關(guān)注活塞螺母的扭矩與扭力。為保證安裝工作的質(zhì)量，應(yīng)當選取經(jīng)驗豐富，操作規(guī)范的技術(shù)人員完成活塞桿的安裝工作，避免人為因素對活塞桿的運行狀態(tài)造成負面影響。與此同時，在安裝往復(fù)式液壓隔膜泵活塞桿的過程中要加強對活塞桿的保護，避免螺紋、螺帽等精細部位因為碰撞而變形。在安裝活塞桿背帽之前還需要對活塞桿進行徹底清理，去除螺紋內(nèi)淤積的雜物。其次，相關(guān)維修人員還要對往復(fù)式液壓隔膜泵以及活塞桿的運行狀態(tài)進行定期檢查。應(yīng)當建立完善的設(shè)備ABC檢查維護制度（圖5），明確不同級別的檢修工作的內(nèi)容與頻率，為日常檢查維護工作的展開提供依據(jù)。比如在對活塞桿進行日常檢查時需要打開活塞，利用超聲波檢測活塞桿內(nèi)部是否出現(xiàn)了裂紋，并通過著色探傷來檢查其內(nèi)部的完好性，螺紋部位需要進行重點檢查，如發(fā)現(xiàn)存在安全隱患的活塞桿，需要及時進行更換。日常維修檢查完成后，相關(guān)維修人員需要根據(jù)本次檢查的實際情況與相關(guān)數(shù)據(jù)建立檢修報告，以便于判斷往復(fù)式液壓隔膜泵的工作狀態(tài)以及活塞桿的情況，對活塞桿的斷裂原因作出深入分析，保障解決方法的有效性與針對性。