工業(yè)注射泵旋轉(zhuǎn)閥的磨合期與壽命試驗

袁航　李寧

摘? ?要： 以工業(yè)注射泵MSP1-D1的旋轉(zhuǎn)閥為研究對象，開展了磨合期試驗，討論了基于環(huán)境溫度、承壓與閥轉(zhuǎn)矩的相互關(guān)系，提出了旋轉(zhuǎn)閥壽命的定義，并進行了壽命試驗。研究發(fā)現(xiàn)：1）旋轉(zhuǎn)閥的磨合期約為900次;2）環(huán)境溫度對閥轉(zhuǎn)矩影響較大，25～35℃為最適宜的使用溫度;3）當(dāng)閥轉(zhuǎn)矩不高于0.02 N·m時，旋轉(zhuǎn)閥承壓能力處于保壓0.4 MPa以內(nèi);4）在20℃使用溫度下，旋轉(zhuǎn)閥壽命不少于80 000次;5）閥運行超過35 000次后，干濕運行狀況趨同，表明PTFE材料具有優(yōu)秀的自潤滑性能，適宜用于閥芯，使旋轉(zhuǎn)閥適合長期干運行。本文為旋轉(zhuǎn)閥的安全使用和檢測提供了理論依據(jù)，并提出了相關(guān)建議，可供同行參考。

關(guān)鍵詞： 工業(yè)注射泵;旋轉(zhuǎn)閥;轉(zhuǎn)矩;保壓;磨合期;使用壽命

中圖分類號：TH3? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ? 文章編號：2095-8412 （2020） 01-083-04

工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新 URL： http： //www.china-iti.com? ? DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2020.01.016

引言

工業(yè)注射泵主要應(yīng)用于光譜儀[1]、基因測序儀[2]、液相色譜儀[3]、水質(zhì)在線監(jiān)測儀[4]等液路進樣精度要求較高的儀器中。工業(yè)注射泵由注射泵體、進樣器、旋轉(zhuǎn)閥等部件組成，其中旋轉(zhuǎn)閥又稱多口閥、選擇閥，其功能是通過吸液打液實現(xiàn)定量進樣或控制向不同的液路送樣。

三口閥是最常見的旋轉(zhuǎn)閥，它一般是由高功能塑料制作的，其性能與多種因素，如溫度、壓力、閥轉(zhuǎn)矩等相關(guān)。閥在全新時具有合格的承壓能力，但其初期磨損較快，故使用一段時期后很快就會出現(xiàn)泄漏。這一段快速磨損的時期在機械工程上被定義為磨合期[5]。閥在出廠前應(yīng)該把磨合期運行完畢，使其處于穩(wěn)定期，保證其到客戶手中后不會很快泄漏，而這涉及到磨合期的具體確定。同時，閥的材料畢竟是塑料，其熱膨脹系數(shù)比其他材料要高，更容易受溫度影響[6]，故需要確定其建議使用溫度范圍，以避免低溫漏液。宮恩祥等[6]對熱作用下旋轉(zhuǎn)閥的結(jié)構(gòu)間隙進行了研究，高成彥[7]對旋轉(zhuǎn)閥進行了機械—熱載荷影響的動態(tài)分析，但以上學(xué)者并未研究閥的轉(zhuǎn)矩與保壓的關(guān)系，也沒有做與塑料制閥磨合期和壽命相關(guān)的試驗。

本文以工業(yè)注射泵MSP1-D1的旋轉(zhuǎn)閥為研究對象，通過大量試驗，首先確定閥的磨合期;其次考察環(huán)境溫度與閥轉(zhuǎn)矩的關(guān)系、閥轉(zhuǎn)矩與承壓的關(guān)系，從而間接地揭示環(huán)境溫度與承壓的關(guān)系;最后確定閥的壽命。

1? 旋轉(zhuǎn)閥基本構(gòu)造、工作原理與主要部件材料

1.1? 基本構(gòu)造

工業(yè)注射泵旋轉(zhuǎn)閥的基本構(gòu)造包括閥體、閥芯、壓緊彈簧、壓蓋、出液口、進液口等，如圖1所示。出液口可以有至少2個，出液口多于2個的閥稱為多口閥，可以實現(xiàn)更多液路分配功能。三口閥是最基本的多口閥，只能實現(xiàn)一個口吸液、另一個口排液的基本功能。下文均以三口閥為例進行研究。

1.2? 工作原理

工業(yè)注射泵旋轉(zhuǎn)閥的工作原理是：閥電機直接與閥芯相連接，電機帶動閥芯旋轉(zhuǎn)，使不同的出液口與進液口相連，構(gòu)成不同的液路。

1.3? 主要部件材料

工業(yè)注射泵旋轉(zhuǎn)閥既需要密封，又需要有一定的耐腐蝕性能和自潤滑性能。閥的密封性能與材料密切相關(guān)，即閥的材料直接關(guān)系到閥的密封性能乃至壽命[8]。閥體、閥芯材料的硬度應(yīng)該不同，一軟一硬。PTFE材料具有自潤滑性能、較廣的溫度適用范圍[9]。故閥芯材料選用PTFE，而閥體材料選用PCTFE。

2? 旋轉(zhuǎn)閥磨合期試驗

閥的扭轉(zhuǎn)阻力來源于閥體與閥芯的摩擦阻力，而摩擦阻力來源于接觸面的正壓力。如圖1所示，正壓力是壓緊彈簧加載到閥芯軸心上的分力，所以可以通過調(diào)整閥芯、壓蓋來調(diào)整壓緊彈簧的壓縮量，從而調(diào)整閥的初始轉(zhuǎn)矩。閥磨損主要發(fā)生在閥體與閥芯的接觸密封面上，新零件加工完成后，多少會有一些毛刺尖峰。在閥體與閥芯的初期接觸中，主要是這些毛刺尖峰使扭轉(zhuǎn)阻力變大;而到了后期，這些毛刺尖峰被磨平，使得摩擦系數(shù)減小，扭轉(zhuǎn)阻力隨之減小。所以，利用旋轉(zhuǎn)閥的扭轉(zhuǎn)阻力（即閥轉(zhuǎn)矩）作為磨合期的判定依據(jù)是比較合適的。當(dāng)閥轉(zhuǎn)矩隨運行次數(shù)不再變化時，相應(yīng)的磨合次數(shù)即為閥的磨合期。

2.1? 測試設(shè)備

（1）工業(yè)注射泵：MSP1-D1（保定蘭格恒流泵有限公司）;

（2）閥轉(zhuǎn)矩專用工裝。

2.2? 試驗方法

（1）抽取全新閥30只作為樣本。樣本初始轉(zhuǎn)矩相差不超過0.01 N·m。

（2）閥每運行100次后，測量閥轉(zhuǎn)矩并記錄數(shù)據(jù)。

（3）在若干周期后，閥轉(zhuǎn)矩會趨于某一常量。閥轉(zhuǎn)矩不再變化后，停止運行，并將拐點處的運行次數(shù)提出，此運行次數(shù)即為磨合次數(shù)。

2.3? 測試結(jié)果

根據(jù)每只閥的運行次數(shù)—轉(zhuǎn)矩數(shù)據(jù)，以30只閥的轉(zhuǎn)矩平均值為縱坐標(biāo)，以運行次數(shù)為橫坐標(biāo)作圖，如圖2所示?？梢钥闯觯€的拐點處于運行次數(shù)900次左右，從而確定磨合期為900次。

3? 環(huán)境溫度對旋轉(zhuǎn)閥轉(zhuǎn)矩的影響

由塑料特性可知，環(huán)境溫度對旋轉(zhuǎn)閥尺寸的影響是比較大的。閥加工和組裝基本都是在20℃左右的常溫下進行的，技術(shù)參數(shù)測試基本也是在20℃左右的常溫下得到的，而實際工作溫度可能過高或過低，導(dǎo)致異常。表1給出了閥體PCTFE材質(zhì)和閥芯PTFE材質(zhì)的線膨脹系數(shù)差異?？梢钥闯觯?dāng)溫度發(fā)生變化時，閥體和閥芯之間的錐面配合會有松有緊?？梢灶A(yù)知的是，PTFE受溫度影響比PCTFE要大，所以閥體和閥芯之間的配合隨溫度升高而變緊，扭轉(zhuǎn)阻力隨之加大。

3.1? 測試設(shè)備

（1）高低溫箱;

（2）閥轉(zhuǎn)矩專用工裝。

3.2? 試驗方法

進行溫度—轉(zhuǎn)矩測試，測試范圍為5～55℃，每5℃得到一個閥轉(zhuǎn)矩數(shù)據(jù)。

3.3? 測試結(jié)果

以30只閥的轉(zhuǎn)矩平均值作為縱坐標(biāo)，以溫度為橫坐標(biāo)，繪制溫度—轉(zhuǎn)矩曲線，如圖3所示?？梢钥闯?，當(dāng)溫度為5～25℃時，閥轉(zhuǎn)矩隨著溫度的升高而升高;當(dāng)溫度為25～35℃時，閥轉(zhuǎn)矩比較穩(wěn)定。以上印證了預(yù)測的正確性。

4? 旋轉(zhuǎn)閥轉(zhuǎn)矩與承壓的關(guān)系

旋轉(zhuǎn)閥的密封主要靠密封面的配合來實現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)閥的摩擦轉(zhuǎn)矩直接關(guān)系到其承壓性能。所以，必須保證一定的閥初始轉(zhuǎn)矩，以滿足一定的承壓要求。MSP1-D1這款工業(yè)注射泵要求最小保壓為0.4 MPa，所以本文也以此作為保壓最低要求。

首先，裝配壓蓋、壓緊彈簧，通過壓緊程度調(diào)整閥轉(zhuǎn)矩，使同一只閥的轉(zhuǎn)矩在0.015～0.04 N·m之間變化。然后，測試保壓性能，繪制轉(zhuǎn)矩—保壓性能曲線。若保壓達到0.68 MPa仍不泄漏，則不再繼續(xù)提高壓力。

4.1? 測試樣品

磨合后的旋轉(zhuǎn)閥，共10只。

4.2? 試驗方法

在章節(jié)3.3確定的閥轉(zhuǎn)矩較為穩(wěn)定的25～35℃下進行測試。設(shè)定高低溫箱溫度為30℃，調(diào)整閥轉(zhuǎn)矩，測定10只閥對應(yīng)的保壓值，并記錄數(shù)據(jù)。

4.3? 測試結(jié)果

將10只閥的保壓能力取平均值，作為縱坐標(biāo)，以閥轉(zhuǎn)矩作為橫坐標(biāo)，繪制轉(zhuǎn)矩—保壓性能曲線，如圖4所示。顯然，最小保壓0.4 MPa對應(yīng)的閥轉(zhuǎn)矩為不高于0.02 N·m，且閥轉(zhuǎn)矩與保壓基本成正相關(guān)。第3章指出閥轉(zhuǎn)矩與溫度相關(guān)，這間接地證明了閥的承壓性能也與溫度相關(guān)。

5? 旋轉(zhuǎn)閥壽命試驗

任何產(chǎn)品都在一定條件下有一定的使用壽命。旋轉(zhuǎn)閥作為一種易損配件，也不例外。

本文基于對溫度、承壓能力等因素與旋轉(zhuǎn)閥轉(zhuǎn)矩的關(guān)系的討論，對旋轉(zhuǎn)閥壽命定義如下：旋轉(zhuǎn)閥在20℃環(huán)境溫度下，運行于純凈水和空氣介質(zhì)中，保壓降至0.4 MPa時的運行次數(shù)。

5.1? 測試設(shè)備

（1）工業(yè)注射泵MSP1-D1;

（2）打壓測試工裝。

5.2? 試驗方法

取磨合過的10只旋轉(zhuǎn)閥樣本。樣本分為2組，每組5只。分別通水（濕運行）、通氣（干運行），無背壓。每運行5 000次測試承壓性能。若閥的保壓能力低于0.4 MPa，試驗停止。

5.3? 測試結(jié)果

以濕運行與干運行的各5只閥保壓平均值作為縱坐標(biāo)，以運行次數(shù)為橫坐標(biāo)，繪制壽命曲線，如圖5所示。顯然，閥運行超過35 000次后，干濕運行狀況趨同，說明PTFE自潤滑性能非常好，適合長期干運行，這種特性對于需要氣體進樣時非常合適。此外，閥運行即使達到80 000次，保壓能力也高于0.4 MPa，故可確定旋轉(zhuǎn)閥壽命不少于80 000次。

6? 結(jié)論和建議

本文以工業(yè)注射泵MSP1-D1的旋轉(zhuǎn)閥為研究對象，進行了磨合期試驗，并基于對溫度、承壓能力等因素與旋轉(zhuǎn)閥轉(zhuǎn)矩的關(guān)系開展討論，進行了壽命試驗。主要結(jié)論有：

（1）旋轉(zhuǎn)閥的磨合期約為900次;

（2）環(huán)境溫度對閥轉(zhuǎn)矩影響較大，25～35℃為最適合旋轉(zhuǎn)閥使用的溫度;

（3）當(dāng)閥轉(zhuǎn)矩不高于0.02 N·m時，承壓能力處于保壓0.4 MPa以內(nèi);

（4）旋轉(zhuǎn)閥壽命不少于80 000次;

（5）閥芯材料PTFE自潤滑性能非常好，旋轉(zhuǎn)閥適合長期干運行。

據(jù)此，提出兩點建議：

（1）上述指標(biāo)可以為工業(yè)注射泵旋轉(zhuǎn)閥的生產(chǎn)裝配檢驗提供依據(jù)，生產(chǎn)過程中不必為每只閥測試保壓，以簡化生產(chǎn)工藝;

（2）后續(xù)建議使用更耐磨的改性PTFE，進一步提高旋轉(zhuǎn)閥壽命。

參考文獻

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作者簡介：

袁航（1969—），男，河北保定人，本科，機械工程師。主要研究方向：各種精密泵、閥。

E-mail： hang.yuan@longerpump.com

李寧（1987—），通信作者，男，河北保定人，碩士研究生學(xué)歷，機械工程師。主要研究方向：機電一體化。

E-mail： ning.li@longerpump.com

（收稿日期：2019-12-04）

Run-in Period and Life Span Test on Rotary Valve of Industrial Injection Pump

YUAN Hang， LI Ning

（Longer Precision Pump Co.， Ltd.， Baoding 071051， China）

Abstract： Taking the rotary valve of MSP1-D1 industrial injection pump as the research object， the run-in period test is carried out， the relationship between the environmental temperature， pressure-bearing and valve torque are discussed， the definition of the life span of the rotary valve is put forward and the life span test is carried out. The studies indicate that： 1） the run-in period of the rotary valve is about 900 times; 2） the environmental temperature has a great influence on the valve torque， 25～35℃ is the most suitable temperature for use; 3） when the valve torque is not higher than 0.02 N·m， the pressure-bearing capacity of the rotary valve is within the pressure maintaining of 0.4 MPa; 4） at the use temperature of 20℃， the life span of the rotary valve is not less than 80 000 times; 5） after the valve runs more than 35 000 times， the dry and wet operation conditions tend to be the same， showing that the PTFE material has excellent self-lubricating performance， which is suitable for the valve core， so that the rotary valve can be run in a dry environment for a long time. A theoretical basis for the safety use and detection of the rotary valve is provides， and relevant suggestions are put forward for references.

Key words： Industrial Injection Pump; Rotary Valve; Torque; Pressure Maintaining; Run-in Period; Life Span