F-1600泥浆泵液力端阀座的有限元分析

　　1引 言

　　如图1所示的液力端是 F-1600 泥浆泵中重要的部件之一，成本费占了泵价的 1/5[1]，且液力端是泵的易损部件，而阀座(如图 2)是液力端中重要的部件之一[2]，更是液力端中易损件。工作过程中液力端在高泵压脉冲载荷作用下，液缸各零部件易产生疲劳破坏，液缸内孔在强大液流冲刷下表面光洁度遭受破坏，而与液缸内孔紧密接触的阀座受损就更为严重;同时液缸内高压液体也严重冲击着阀体，阀体将力传递给阀座，两者一起作用致使阀座承受着大部分压力而过早失效。因此改变阀座的结构和提高阀座的耐磨性和抗腐蚀性是提高液力端寿命的关键因素。

　　2 阀座结构的理论分析

　　2.1阀座的失效分析

　　液力端工作时，活塞的往复运动使液缸腔内液体压力不断地从正压到负压的变化，液缸腔不断地产生真空或压力，打开或关闭吸入、排出阀，使液缸腔吸入液体或排出高压液体。阀座的外侧与液缸以锥形承孔 1∶6 的自锁锥度定位和密封，阀座的内侧与阀体的阀胶皮以 55°锥面进行自锁和密封。在这种高压循环和酸性工作液腐蚀等因素的共同作用下，阀座外径变小，液缸内径变大，阀座下沉[3]。阀胶皮锥形表面受到这种压力和侵蚀，外径也随之变小，且表面会出现侵蚀麻坑。因此在自重及高压作用下及外径的变化阀胶皮与阀体也一起下沉。同时可能会引起阀胶皮与阀座的密封失效。当阀座凸缘接触液缸平面时，自锁锥形配合失去作用，阀座与承孔分离，定位和密封失效，造成活塞泵上水不良或无法形成高压。因此要提高阀座的寿命，必须掌握阀座的失效机理，才能找到解决办法。

　　2.2 阀座的受力分析

　　如图 1 可知，在工作过程中，阀座外侧面承受液缸施加给它的接触力和挤压力，内侧 55°锥面承受阀体通过阀胶皮施加给它的挤压力，及阀杆导向架施加给它的挤压力。在这些力的共同作用下，阀座很快失效，致使泥浆泵液力端工作失效，泵被迫停止工作。

　　3阀座结构的有限元分析

　　3.1 有限元模型的建立

　　因阀座是轴对称结构，本文建立有限元模型时只建立其轴对称面[4，5]，这样只建立二维模型，分析时节点个数大大减少，有限元分析时间也大大减少，致使分析简捷方便。本文采用经典大型有限元分析软件ANSYS对其进行分析。鉴于阀座模型的拐点较多的特点，本文选用适应能力较强的二维实体四节点平面单元 PLANE42，采用智能网格划分的形式选取较小的单元密度。系统会根据实体模型结构自动把应力集中的位置网格划分得更密集。有限元分析后共有726 个节点，652 个单元。生成的有限元模型见图 3，图 4是阀座的应变模型。