淺析一種延長(zhǎng)電站膜片式執(zhí)行機(jī)構(gòu)使用壽命的方法

王大偉 謝鐘平

摘要：電站各型膜片式執(zhí)行機(jī)構(gòu)在機(jī)械設(shè)備中使用廣泛。大多數(shù)膜片式執(zhí)行機(jī)構(gòu)的推力盤(pán)為碳鋼整體鑄造件，膜片為橡膠件，當(dāng)存在邊緣有毛口、銳邊或缺損，光滑度不足或圓周壓迫現(xiàn)象明顯時(shí)，極易造成膜片使用壽命短，需頻繁維護(hù)更換膜片，造成檢修和備件成本上升，本文淺析一種延長(zhǎng)膜片式執(zhí)行機(jī)構(gòu)使用壽命的方法。

關(guān)鍵詞：膜片式執(zhí)行機(jī)構(gòu);膜片;推力盤(pán);延壽

0? 引言

大量膜片式執(zhí)行機(jī)構(gòu)用于閥門(mén)的控制，該執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過(guò)膜片上下部壓差引起部件上下運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)操作，具有動(dòng)作可靠，部件簡(jiǎn)單，維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。使用過(guò)程中，最常見(jiàn)的故障為膜片破損，膜片和它的側(cè)壁相碰觸的位置，最容易產(chǎn)生磨損破裂，故障引起閥門(mén)動(dòng)作不靈敏不及時(shí)，甚至不動(dòng)作進(jìn)而引發(fā)更嚴(yán)重的系統(tǒng)問(wèn)題。

1? 膜片式執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作原理

膜片式執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要部件包括外殼、薄膜（膜片）、推力盤(pán)、彈簧、推桿、調(diào)節(jié)螺母和閥位標(biāo)尺（見(jiàn)圖1）。通過(guò)外部壓力氣源介入外殼的膜片下部空間，推力盤(pán)和膜片在壓力和彈簧彈力相互作用下，上下運(yùn)動(dòng)并帶動(dòng)推桿連接其下方的閥門(mén)動(dòng)作，當(dāng)下部壓力氣源消失時(shí)，彈簧作用使得壓力盤(pán)和膜片向下運(yùn)動(dòng)關(guān)閉閥門(mén)。如圖示，上部腔室一般設(shè)有呼吸孔，用以腔室體積變化時(shí)與大氣連同，迅速吸氣或排氣;下部腔室一般設(shè)有氣源進(jìn)、排氣孔，用以進(jìn)氣增壓或排氣泄壓。

2? 膜片式執(zhí)行機(jī)構(gòu)常見(jiàn)故障分析

如圖示，膜片式執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要運(yùn)動(dòng)部件是膜片和推力盤(pán)。在膜片上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，不可避免的，會(huì)與推力盤(pán)邊緣接觸，所以在硬件設(shè)計(jì)時(shí)，膜片與推力盤(pán)發(fā)生接觸的部分會(huì)設(shè)計(jì)成與推力盤(pán)外形相吻合的形狀，以便推力盤(pán)運(yùn)動(dòng)時(shí)，膜片能貼合其上隨動(dòng)，避免膜片發(fā)生過(guò)度拉伸或者壓縮，而發(fā)生磨損或者卷折造成過(guò)早破裂實(shí)效。膜片式執(zhí)行機(jī)構(gòu)最常見(jiàn)故障便是膜片破損，導(dǎo)致上下部腔室壓力無(wú)法平衡進(jìn)而使得執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作失靈。

綜上述，膜片式執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于嚴(yán)格遵守設(shè)計(jì)守則，精密確認(rèn)和制造膜片的材質(zhì)、尺寸，了解膜片內(nèi)在缺陷進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)，便能大大提高膜片制作的成功率。另外，推力盤(pán)的設(shè)計(jì)與制造也是重點(diǎn)。引起膜片的提早損壞的主要原因包括：毛口和銳邊、磨損、排氣回壓和圓周壓迫這四大因素。

2.1 毛口和銳邊

推力盤(pán)和膜片制造中首先要考慮的就是要消除有可能碰到膜片的毛口、銳邊和材料缺損。即使是極微小的瑕疵、裂紋都可能引起膜片橡膠的斷裂，造成過(guò)早損壞。推力盤(pán)如果有毛口、銳邊和材料缺損，會(huì)造成運(yùn)動(dòng)過(guò)程中對(duì)膜片產(chǎn)生摩擦、割裂和刺破，而推力盤(pán)一般使用碳鋼材質(zhì)進(jìn)行鑄造，再進(jìn)行精加工所得，在加工過(guò)程中便要避免上述問(wèn)題的發(fā)生;膜片的毛口和銳邊一般發(fā)生于模具的瑕疵或者其他異常，在設(shè)計(jì)和制造模具時(shí)要注意避免。

2.2 磨損

磨損主要發(fā)生在膜片隨著推力盤(pán)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，容易發(fā)生故障的位置一般為推力盤(pán)邊緣與膜片接觸的位置。磨損是運(yùn)動(dòng)時(shí)兩個(gè)部件運(yùn)動(dòng)的特性，無(wú)法徹底避免，只有通過(guò)對(duì)接觸部分的光滑度控制，使得表面越光滑越好，當(dāng)膜片所受壓力持續(xù)的施加并減緩時(shí)，膜片將摩擦其支撐硬件。若硬件的表面較為粗糙，它將磨損夾布，并造成過(guò)早損壞。所以，對(duì)推力盤(pán)邊緣的光滑度處理，便是推力盤(pán)加工的重點(diǎn)。某些廠家[1]，建議硬件的表面應(yīng)≤0.8微米厚，而在高頻運(yùn)作中，應(yīng)將厚度盡量限制在表面粗糙度Ra0.4內(nèi)，對(duì)加工精度要求較高。

防止過(guò)度磨損的發(fā)生還可以用潤(rùn)滑的方式，膜片不需要用到潤(rùn)滑劑，但建議在安裝之前先給膜片涂一層二硫化鉬以減少磨損。

2.3 排氣回壓

運(yùn)動(dòng)時(shí)，膜片和它的側(cè)壁相碰觸的位置，最容易產(chǎn)生故障。此時(shí)，兩層橡膠膜扣在一起，而推力盤(pán)卻繼續(xù)運(yùn)作。這將導(dǎo)致膜片側(cè)壁堵塞在活塞和汽缸壁中間，從而導(dǎo)致膜片橡膠的撕裂。減弱此類(lèi)現(xiàn)象的方法有兩種：一是，保障推力盤(pán)、膜片和腔室間的中心準(zhǔn)線。在高壓運(yùn)作下，若施加在膜片上的氣壓與之相等，使得活塞居中。二是控制排氣回壓：通常，回壓?jiǎn)栴}都出現(xiàn)在低壓一側(cè)，因?yàn)榇藗?cè)的壓力介質(zhì)在膜片的每次沖程中都必須會(huì)被排出并更替。通過(guò)設(shè)計(jì)合理的呼吸孔，孔的尺寸必須大小適中，使得有足夠的氣體在準(zhǔn)確時(shí)間內(nèi)能進(jìn)入并摩擦膜片。另外，當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)腔室承受著較高壓力、推力盤(pán)和膜片快速運(yùn)動(dòng)時(shí)，也應(yīng)當(dāng)仔細(xì)考慮通風(fēng)孔的尺寸大小問(wèn)題。

2.4 圓周壓迫

圓周壓迫是指膜片側(cè)壁中較大部分貼合壓迫著推力盤(pán)。這將導(dǎo)致側(cè)壁軸向卷折，以使膜片和活塞相契合，運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)垂直于卷積的褶皺，反復(fù)發(fā)生后導(dǎo)致膜片破裂。圓周壓迫無(wú)法完全消除，只能減弱。

減弱圓周壓迫有幾種方法，如限制沖程和壓力、將膜片側(cè)壁設(shè)計(jì)成“雙尖端”減少壓迫、“預(yù)卷積”緩沖卷折現(xiàn)象，即對(duì)膜片模壓成反向伸展等。其中，限制沖程和壓力，視運(yùn)行環(huán)境需求，執(zhí)行機(jī)構(gòu)與閥門(mén)的匹配選型中，可以加以考慮，使得沖程即運(yùn)動(dòng)幅值和氣動(dòng)介質(zhì)的壓力的設(shè)定不超過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)要求的范圍?！半p尖端”和“預(yù)卷積”則是在膜片執(zhí)行機(jī)構(gòu)制造商設(shè)計(jì)和制造時(shí)便已設(shè)定好，一般無(wú)法也無(wú)需使用廠家再進(jìn)行調(diào)整。

3? 一種對(duì)膜片式執(zhí)行機(jī)構(gòu)延壽的方法

3.1 該方法的可操作性和必要性

如上述，膜片的設(shè)計(jì)和制造一般是制造商的設(shè)計(jì)之重，一般情況下，使用廠家無(wú)法也不會(huì)通過(guò)膜片的再設(shè)計(jì)與制造，去對(duì)膜片進(jìn)行改造。一個(gè)因素是膜片的設(shè)計(jì)一般經(jīng)過(guò)制造商的反復(fù)試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)積累，使用廠家沒(méi)有相應(yīng)的試驗(yàn)平臺(tái)，且受到各種成本制約。另一個(gè)因素是使用廠家一般使用膜片式執(zhí)行機(jī)構(gòu)用于各個(gè)系統(tǒng)的管道閥門(mén)，一旦該設(shè)備故障首要考慮的是修復(fù)。

當(dāng)膜片式執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障時(shí)，普遍的修復(fù)做法便是拆檢執(zhí)行機(jī)構(gòu)，檢查推力盤(pán)是否有異常、各處是否有磨損導(dǎo)致各部件中心準(zhǔn)線變化，購(gòu)買(mǎi)替換膜片進(jìn)行消缺。往往出現(xiàn)的情況是，備品準(zhǔn)備不足或膜片采購(gòu)周期長(zhǎng)，無(wú)法及時(shí)可靠消除膜片破損隱患。

3.2 延壽方法

如上述，膜片的購(gòu)置替換是常規(guī)做法，但如果推力盤(pán)發(fā)生異常的情況下，即使更換膜片依舊無(wú)法保障設(shè)計(jì)的使用壽命。結(jié)合圓周壓迫的無(wú)法消除只能減輕這一特性，可以思考對(duì)推力盤(pán)進(jìn)行改造，對(duì)推力盤(pán)邊緣聚氨酯包裹：在推力盤(pán)邊緣包聚氨酯（硬度：邵氏90°），這樣和膜片工作接觸面變成相應(yīng)的軟接觸，運(yùn)動(dòng)時(shí)，卷折發(fā)生時(shí)，推力盤(pán)的聚氨酯邊緣受力緩沖變形，從而減緩膜片的圓周壓迫現(xiàn)象，該方法不影響現(xiàn)有的工作狀態(tài)，大大提高薄膜片的壽命（如圖2）。

該方法對(duì)原推力盤(pán)進(jìn)行加工，成為1-推力盤(pán)聚氨酯邊緣，具體為在原推力盤(pán)邊緣車(chē)削出一定深度7-10mm，以便在模具中對(duì)邊緣進(jìn)行聚氨酯包裹邊緣處理，包裹后的推力盤(pán)外緣尺寸及形狀與原推力盤(pán)相同，保障其幾何尺寸。為了增大聚氨酯附著面積以提升附著力，可在推力盤(pán)邊緣立面中部車(chē)削出一個(gè)寬度6mm左右臺(tái)階，保證聚氨酯材料附著牢固。加工后，可使用各型金相砂紙對(duì)聚氨酯邊緣進(jìn)行打磨，提高其表面光滑度。此方法可達(dá)到消除推力盤(pán)邊緣毛口、銳邊或缺損現(xiàn)象;在膜片活動(dòng)時(shí)，由于聚氨酯材料本身的柔性，有效減少膜片卷折現(xiàn)象，降低圓周壓迫，從而提高膜片使用時(shí)間達(dá)到設(shè)備延壽目的。

4? 結(jié)論

為使裝置適用于電站各型膜片式執(zhí)行機(jī)構(gòu)，圖中以外圓Φ330推力盤(pán)為示例，其邊緣包裹厚度15mm聚氨酯材質(zhì)?？筛鶕?jù)各電站所用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和推力盤(pán)尺寸，根據(jù)上述方法使用匹配厚度的聚氨酯包裹邊緣，增加該方法通用性。

參考文獻(xiàn)：

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