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摘 要：往复泵依靠活塞、柱塞或隔膜在泵缸内往复运动使缸内工作容积交替增大和缩小来输送液体或使之增压的容积式泵。它在石油石化行业应用十分广泛，常常在高压环境下输送大密度、高黏度以及高含砂量的液体。泵阀是往复泵液力端最易损坏的部件之一，它的运行状态能直接影响着往复泵的容积效率和工作可靠性。文章重点就往复泵泵阀失效的原因进行了探究，最后提出了一些改善措施和建议。
关键词：往复泵；泵阀失效；容积效率
往复泵作为机械设备领域的一部分，在我国石油化工等生产部门占有重要地位。往复泵液力端常见故障主要集中在泵阀和活塞上，随着冲次和压力的提高，对这些易损件的伤害也会大大增加，从而影响泵的正常工作。在三缸往复泵工作过程中，各种激励相互耦合，加之其他噪声的干扰问题，因此测得的振动信号成分十分复杂，信号中既有阀关闭、惯性载荷冲击等造成的冲击响应，又有各种随机响应和干扰。如何排除干扰，正确提取泵阀故障特征，是进行往复泵监测诊断与故障机理研究的重要基础。
1.泵阀的结构与机理
往复泵中所采用的泵阀的结构多种多样，其中比较常用的一种是弹簧自动阀类中的锥形阀。活塞自左向右移动时，泵缸内形成负压，则贮槽内液体经吸入阀进入泵缸内。当活塞自右向左移动时，缸内液体受挤压，压力增大，由排出阀排出。活塞往复一次，各吸入和排出一次液体，称为一个工作循环；这种泵称为单动泵。若活塞往返一次，各吸入和排出两次液体，称为双动泵。活塞由一端移至另一端，称为一个冲程。往复泵的流量与压头理论上无关，与泵缸尺寸、活塞冲程及往复次数有关。单动泵的理论流量为 QT=Asn往复泵的实际流量比理论流量小，且随着压头的增高而减小，这是因为漏失所致。往复泵的压头与泵的流量及泵的几何尺寸无关，而由泵的机械强度、原动机的功率等因素决定。往复泵可获得很高的排压，且流量与压力无关，吸入性能好，效率较高，其中蒸汽往复泵可达80%～95%；原则上可输送任何介质，几乎不受介质的物理或化学性质的限制；泵的性能不随压力和输送介质粘度的变动而变动。其他的泵都不具有往复泵的上述突出优点，但它们的结构比较简单，使用操作比较方便，而且还有体积小、重量轻，并能系列化批量生产的优点。
2.往复泵故障机理及失效原因
2.1往复泵故障机理
随着活塞处漏水的加剧，吸入阀和排除阀压力不稳定，阀盘和阀座的不良接触导致密封不良，加快了阀盘磨损的速度，由于弹簧是连接在阀盘导向杆上的，阀盘撞击的倾斜又会加快弹簧断裂的速度。活塞漏水运行至泵阀发出异响。特征频率主要集中在180Hz、50Hz、和400Hz。通过以上试验，结合实际应用中泵阀故障的表现形式，很好地解释了往复泵泵阀故障的萌生和演化的一般规律，初步揭示了泵阀的故障机理。随着往复泵的继续运行，泵阀响声越来越大，压力表的跳动幅度也增大，这是因为活塞磨损和阀盘磨损的加剧，往复泵容积效率和工作可靠性下降，阀盘撞击阀座发生倾斜，由于弹簧是固定在阀盘的导向杆上，弹簧在冲击力载荷作用下，载荷力发生偏心，使得弹簧断裂形式由原来的疲劳断裂，逐渐转化为偏心载荷作用引起的过载断裂，这大大缩短了弹簧的使用寿命。
2.2泵阀系统失效机理
密封圈的最终失效形式是材料剥落。剥落主要出现在密封圈的上部边缘和下部与阀体相衔接的部位，但导致上部块状剥落和下部穴窝状剥落的原因不同。上部块状剥落表现出的失效形式虽然仍是剥落，但其失效的根本原因却是磨料磨损。从摩擦学的角度看，磨损是个动态过程，磨损机理是可以转化的。人们往往只注意由于裂纹扩张导致的剥落，而忽视了裂纹萌生的原因。实际中，由于密封圈的密封面长度超出阀座的密封面长度，当阀正常工作时，超出的那一部分未参加正常磨损，这样，随着磨损的加剧，在两者的边界处就形成台阶。同时由于密封圈的正常磨损，泵阀的整体位置下降，使得台阶落在阀座上。当阀下落时，在冲击载荷的作用下，在台阶的根部就会出现应力集中，导致周向裂纹萌生、扩展，直至产生剥落。此时密封圈虽然还未出现材料剥落，但是在原台阶的根部位置已出现严重的裂纹。
阀体在泵的工作中是主要的承力零件。阀体与阀座之间是靠密封圈来连接的。阀的密封圈一般是用橡胶来做成的，而我们一般考虑橡胶密封圈承受并传递压力载荷，因此，每次泵阀的冲击都将在阀体上出现压力的作用，同时由于阀体的上部存在液体，所以，在其上面还有液体的压力作用。另外，由于橡胶密封圈被磨损后厚度减薄，支撑架也将在阀体上产生集中应力。虽然这些力不很大，远小于阀体的破坏应力，但由于泵阀是在作循环运动，甚至频率很高，这样在阀体上出现的将是循环应力。
3.泵阀系统改进措施
磨料磨损是密封圈上部边缘块状材料剥落的根本原因。在使用中还发现阀橡胶厚度愈大，愈易损坏；而阀橡胶厚度较小时，不易损坏，但阀体金属密封锥面易损坏。因此，合理选择厚度是很重要的。另外，由于密封橡胶圈在工作中直接与工作液相接触，工作液的腐蚀性对密封橡胶圈产生极大的影响，而且含有磨砺的液体对密封圈产生冲蚀破坏，因此，密封圈的改进也应在选材方面严格把关。疲劳磨损是泵阀阀体失效的主要原因。由于阀体的失效形式是疲劳破坏，所以，改进方法有如下几种：一是选择抗冲击疲劳性能较好的材料；二是对泵阀的应力分布和变形规律进行分析，优化现有的泵阀结构参数，减少泵阀的质量，降低冲击压力；三是在加工过程中严格控制加工质量，防止应力集中的出现，对阀体表面要进行热处理以延缓表面裂纹的出现，提高抗疲劳性。
4.结束语
综上所述，泵阀的寿命关系到泵的使用性能，合理地提高泵阀的使用寿命，对提高泵的工作效率，节约泵的维修费用都具有重要意义。本文通过对泵阀系统的失效分析，提出对泵阀系统关键零部件的改进措施，并根据各自失效的特点分别采用不同的方法来提高其工作寿命，对实际问题的解决具有重要的指导意义。
参考文献：
[1]别锋锋.往复柱塞泵液力端故障诊断方法研究[J].企业文化，2014
[2]田佳禾.钻井泵泵阀状态的检测与故障诊断[J].才智，2013
关键词：往复泵；泵阀失效；容积效率
往复泵作为机械设备领域的一部分，在我国石油化工等生产部门占有重要地位。往复泵液力端常见故障主要集中在泵阀和活塞上，随着冲次和压力的提高，对这些易损件的伤害也会大大增加，从而影响泵的正常工作。在三缸往复泵工作过程中，各种激励相互耦合，加之其他噪声的干扰问题，因此测得的振动信号成分十分复杂，信号中既有阀关闭、惯性载荷冲击等造成的冲击响应，又有各种随机响应和干扰。如何排除干扰，正确提取泵阀故障特征，是进行往复泵监测诊断与故障机理研究的重要基础。
1.泵阀的结构与机理
往复泵中所采用的泵阀的结构多种多样，其中比较常用的一种是弹簧自动阀类中的锥形阀。活塞自左向右移动时，泵缸内形成负压，则贮槽内液体经吸入阀进入泵缸内。当活塞自右向左移动时，缸内液体受挤压，压力增大，由排出阀排出。活塞往复一次，各吸入和排出一次液体，称为一个工作循环；这种泵称为单动泵。若活塞往返一次，各吸入和排出两次液体，称为双动泵。活塞由一端移至另一端，称为一个冲程。往复泵的流量与压头理论上无关，与泵缸尺寸、活塞冲程及往复次数有关。单动泵的理论流量为 QT=Asn往复泵的实际流量比理论流量小，且随着压头的增高而减小，这是因为漏失所致。往复泵的压头与泵的流量及泵的几何尺寸无关，而由泵的机械强度、原动机的功率等因素决定。往复泵可获得很高的排压，且流量与压力无关，吸入性能好，效率较高，其中蒸汽往复泵可达80%～95%；原则上可输送任何介质，几乎不受介质的物理或化学性质的限制；泵的性能不随压力和输送介质粘度的变动而变动。其他的泵都不具有往复泵的上述突出优点，但它们的结构比较简单，使用操作比较方便，而且还有体积小、重量轻，并能系列化批量生产的优点。
2.往复泵故障机理及失效原因
2.1往复泵故障机理
随着活塞处漏水的加剧，吸入阀和排除阀压力不稳定，阀盘和阀座的不良接触导致密封不良，加快了阀盘磨损的速度，由于弹簧是连接在阀盘导向杆上的，阀盘撞击的倾斜又会加快弹簧断裂的速度。活塞漏水运行至泵阀发出异响。特征频率主要集中在180Hz、50Hz、和400Hz。通过以上试验，结合实际应用中泵阀故障的表现形式，很好地解释了往复泵泵阀故障的萌生和演化的一般规律，初步揭示了泵阀的故障机理。随着往复泵的继续运行，泵阀响声越来越大，压力表的跳动幅度也增大，这是因为活塞磨损和阀盘磨损的加剧，往复泵容积效率和工作可靠性下降，阀盘撞击阀座发生倾斜，由于弹簧是固定在阀盘的导向杆上，弹簧在冲击力载荷作用下，载荷力发生偏心，使得弹簧断裂形式由原来的疲劳断裂，逐渐转化为偏心载荷作用引起的过载断裂，这大大缩短了弹簧的使用寿命。
2.2泵阀系统失效机理
密封圈的最终失效形式是材料剥落。剥落主要出现在密封圈的上部边缘和下部与阀体相衔接的部位，但导致上部块状剥落和下部穴窝状剥落的原因不同。上部块状剥落表现出的失效形式虽然仍是剥落，但其失效的根本原因却是磨料磨损。从摩擦学的角度看，磨损是个动态过程，磨损机理是可以转化的。人们往往只注意由于裂纹扩张导致的剥落，而忽视了裂纹萌生的原因。实际中，由于密封圈的密封面长度超出阀座的密封面长度，当阀正常工作时，超出的那一部分未参加正常磨损，这样，随着磨损的加剧，在两者的边界处就形成台阶。同时由于密封圈的正常磨损，泵阀的整体位置下降，使得台阶落在阀座上。当阀下落时，在冲击载荷的作用下，在台阶的根部就会出现应力集中，导致周向裂纹萌生、扩展，直至产生剥落。此时密封圈虽然还未出现材料剥落，但是在原台阶的根部位置已出现严重的裂纹。
阀体在泵的工作中是主要的承力零件。阀体与阀座之间是靠密封圈来连接的。阀的密封圈一般是用橡胶来做成的，而我们一般考虑橡胶密封圈承受并传递压力载荷，因此，每次泵阀的冲击都将在阀体上出现压力的作用，同时由于阀体的上部存在液体，所以，在其上面还有液体的压力作用。另外，由于橡胶密封圈被磨损后厚度减薄，支撑架也将在阀体上产生集中应力。虽然这些力不很大，远小于阀体的破坏应力，但由于泵阀是在作循环运动，甚至频率很高，这样在阀体上出现的将是循环应力。
3.泵阀系统改进措施
磨料磨损是密封圈上部边缘块状材料剥落的根本原因。在使用中还发现阀橡胶厚度愈大，愈易损坏；而阀橡胶厚度较小时，不易损坏，但阀体金属密封锥面易损坏。因此，合理选择厚度是很重要的。另外，由于密封橡胶圈在工作中直接与工作液相接触，工作液的腐蚀性对密封橡胶圈产生极大的影响，而且含有磨砺的液体对密封圈产生冲蚀破坏，因此，密封圈的改进也应在选材方面严格把关。疲劳磨损是泵阀阀体失效的主要原因。由于阀体的失效形式是疲劳破坏，所以，改进方法有如下几种：一是选择抗冲击疲劳性能较好的材料；二是对泵阀的应力分布和变形规律进行分析，优化现有的泵阀结构参数，减少泵阀的质量，降低冲击压力；三是在加工过程中严格控制加工质量，防止应力集中的出现，对阀体表面要进行热处理以延缓表面裂纹的出现，提高抗疲劳性。
4.结束语
综上所述，泵阀的寿命关系到泵的使用性能，合理地提高泵阀的使用寿命，对提高泵的工作效率，节约泵的维修费用都具有重要意义。本文通过对泵阀系统的失效分析，提出对泵阀系统关键零部件的改进措施，并根据各自失效的特点分别采用不同的方法来提高其工作寿命，对实际问题的解决具有重要的指导意义。
参考文献：
[1]别锋锋.往复柱塞泵液力端故障诊断方法研究[J].企业文化，2014
[2]田佳禾.钻井泵泵阀状态的检测与故障诊断[J].才智，2013