工业注射泵旋转阀的磨合期与寿命试验

袁航　李宁

摘   要： 以工业注射泵MSP1-D1的旋转阀為研究对象，开展了磨合期试验，讨论了基于环境温度、承压与阀转矩的相互关系，提出了旋转阀寿命的定义，并进行了寿命试验。研究发现：1）旋转阀的磨合期约为900次;2）环境温度对阀转矩影响较大，25～35℃为最适宜的使用温度;3）当阀转矩不高于0.02 N·m时，旋转阀承压能力处于保压0.4 MPa以内;4）在20℃使用温度下，旋转阀寿命不少于80 000次;5）阀运行超过35 000次后，干湿运行状况趋同，表明PTFE材料具有优秀的自润滑性能，适宜用于阀芯，使旋转阀适合长期干运行。本文为旋转阀的安全使用和检测提供了理论依据，并提出了相关建议，可供同行参考。

关键词： 工业注射泵;旋转阀;转矩;保压;磨合期;使用寿命

中图分类号：TH3    文献标识码：A    文章编号：2095-8412 （2020） 01-083-04

工业技术创新 URL： http： //www.china-iti.com    DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2020.01.016

引言

工业注射泵主要应用于光谱仪[1]、基因测序仪[2]、液相色谱仪[3]、水质在线监测仪[4]等液路进样精度要求较高的仪器中。工业注射泵由注射泵体、进样器、旋转阀等部件组成，其中旋转阀又称多口阀、选择阀，其功能是通过吸液打液实现定量进样或控制向不同的液路送样。

三口阀是最常见的旋转阀，它一般是由高功能塑料制作的，其性能与多种因素，如温度、压力、阀转矩等相关。阀在全新时具有合格的承压能力，但其初期磨损较快，故使用一段时期后很快就会出现泄漏。这一段快速磨损的时期在机械工程上被定义为磨合期[5]。阀在出厂前应该把磨合期运行完毕，使其处于稳定期，保证其到客户手中后不会很快泄漏，而这涉及到磨合期的具体确定。同时，阀的材料毕竟是塑料，其热膨胀系数比其他材料要高，更容易受温度影响[6]，故需要确定其建议使用温度范围，以避免低温漏液。宫恩祥等[6]对热作用下旋转阀的结构间隙进行了研究，高成彦[7]对旋转阀进行了机械—热载荷影响的动态分析，但以上学者并未研究阀的转矩与保压的关系，也没有做与塑料制阀磨合期和寿命相关的试验。

本文以工业注射泵MSP1-D1的旋转阀为研究对象，通过大量试验，首先确定阀的磨合期;其次考察环境温度与阀转矩的关系、阀转矩与承压的关系，从而间接地揭示环境温度与承压的关系;最后确定阀的寿命。

1  旋转阀基本构造、工作原理与主要部件材料

1.1  基本构造

工业注射泵旋转阀的基本构造包括阀体、阀芯、压紧弹簧、压盖、出液口、进液口等，如图1所示。出液口可以有至少2个，出液口多于2个的阀称为多口阀，可以实现更多液路分配功能。三口阀是最基本的多口阀，只能实现一个口吸液、另一个口排液的基本功能。下文均以三口阀为例进行研究。

1.2  工作原理

工业注射泵旋转阀的工作原理是：阀电机直接与阀芯相连接，电机带动阀芯旋转，使不同的出液口与进液口相连，构成不同的液路。

1.3  主要部件材料

工业注射泵旋转阀既需要密封，又需要有一定的耐腐蚀性能和自润滑性能。阀的密封性能与材料密切相关，即阀的材料直接关系到阀的密封性能乃至寿命[8]。阀体、阀芯材料的硬度应该不同，一软一硬。PTFE材料具有自润滑性能、较广的温度适用范围[9]。故阀芯材料选用PTFE，而阀体材料选用PCTFE。

2  旋转阀磨合期试验

阀的扭转阻力来源于阀体与阀芯的摩擦阻力，而摩擦阻力来源于接触面的正压力。如图1所示，正压力是压紧弹簧加载到阀芯轴心上的分力，所以可以通过调整阀芯、压盖来调整压紧弹簧的压缩量，从而调整阀的初始转矩。阀磨损主要发生在阀体与阀芯的接触密封面上，新零件加工完成后，多少会有一些毛刺尖峰。在阀体与阀芯的初期接触中，主要是这些毛刺尖峰使扭转阻力变大;而到了后期，这些毛刺尖峰被磨平，使得摩擦系数减小，扭转阻力随之减小。所以，利用旋转阀的扭转阻力（即阀转矩）作为磨合期的判定依据是比较合适的。当阀转矩随运行次数不再变化时，相应的磨合次数即为阀的磨合期。

2.1  测试设备

（1）工业注射泵：MSP1-D1（保定兰格恒流泵有限公司）;

（2）阀转矩专用工装。

2.2  试验方法

（1）抽取全新阀30只作为样本。样本初始转矩相差不超过0.01 N·m。

（2）阀每运行100次后，测量阀转矩并记录数据。

（3）在若干周期后，阀转矩会趋于某一常量。阀转矩不再变化后，停止运行，并将拐点处的运行次数提出，此运行次数即为磨合次数。

2.3  测试结果

根据每只阀的运行次数—转矩数据，以30只阀的转矩平均值为纵坐标，以运行次数为横坐标作图，如图2所示。可以看出，曲线的拐点处于运行次数900次左右，从而确定磨合期为900次。

3  环境温度对旋转阀转矩的影响

由塑料特性可知，环境温度对旋转阀尺寸的影响是比较大的。阀加工和组装基本都是在20℃左右的常温下进行的，技术参数测试基本也是在20℃左右的常温下得到的，而实际工作温度可能过高或过低，导致异常。表1给出了阀体PCTFE材质和阀芯PTFE材质的线膨胀系数差异。可以看出，当温度发生变化时，阀体和阀芯之间的锥面配合会有松有紧。可以预知的是，PTFE受温度影响比PCTFE要大，所以阀体和阀芯之间的配合随温度升高而变紧，扭转阻力随之加大。

3.1  测试设备

（1）高低温箱;

（2）阀转矩专用工装。

3.2  试验方法

进行温度—转矩测试，测试范围为5～55℃，每5℃得到一个阀转矩数据。

3.3  测试结果

以30只阀的转矩平均值作为纵坐标，以温度为横坐标，绘制温度—转矩曲线，如图3所示。可以看出，当温度为5～25℃时，阀转矩随着温度的升高而升高;当温度为25～35℃时，阀转矩比较稳定。以上印证了预测的正确性。

4  旋转阀转矩与承压的关系

旋转阀的密封主要靠密封面的配合来实现，旋转阀的摩擦转矩直接关系到其承压性能。所以，必须保证一定的阀初始转矩，以满足一定的承压要求。MSP1-D1这款工业注射泵要求最小保压为0.4 MPa，所以本文也以此作为保压最低要求。

首先，装配压盖、压紧弹簧，通过压紧程度调整阀转矩，使同一只阀的转矩在0.015～0.04 N·m之间变化。然后，测试保压性能，绘制转矩—保压性能曲线。若保压达到0.68 MPa仍不泄漏，则不再继续提高压力。

4.1  测试样品

磨合后的旋转阀，共10只。

4.2  试验方法

在章节3.3确定的阀转矩较为稳定的25～35℃下进行测试。设定高低温箱温度为30℃，调整阀转矩，测定10只阀对应的保压值，并记录数据。

4.3  测试结果

将10只阀的保压能力取平均值，作为纵坐标，以阀转矩作为横坐标，绘制转矩—保压性能曲线，如图4所示。显然，最小保压0.4 MPa对应的阀转矩为不高于0.02 N·m，且阀转矩与保压基本成正相关。第3章指出阀转矩与温度相关，这间接地证明了阀的承压性能也与温度相关。

5  旋转阀寿命试验

任何产品都在一定条件下有一定的使用寿命。旋转阀作为一种易损配件，也不例外。

本文基于对温度、承压能力等因素与旋转阀转矩的关系的讨论，对旋转阀寿命定义如下：旋转阀在20℃环境温度下，运行于纯净水和空气介质中，保压降至0.4 MPa时的运行次数。

5.1  测试设备

（1）工业注射泵MSP1-D1;

（2）打压测试工装。

5.2  试验方法

取磨合过的10只旋转阀样本。样本分为2组，每组5只。分别通水（湿运行）、通气（干运行），无背压。每运行5 000次测试承压性能。若阀的保压能力低于0.4 MPa，试验停止。

5.3  测试结果

以湿运行与干运行的各5只阀保压平均值作为纵坐标，以运行次数为横坐标，绘制寿命曲线，如图5所示。显然，阀运行超过35 000次后，干湿运行状况趋同，说明PTFE自润滑性能非常好，适合长期干运行，这种特性对于需要气体进样时非常合适。此外，阀运行即使达到80 000次，保压能力也高于0.4 MPa，故可确定旋转阀寿命不少于80 000次。

6  结论和建议

本文以工业注射泵MSP1-D1的旋转阀为研究对象，进行了磨合期试验，并基于对温度、承压能力等因素与旋转阀转矩的关系开展讨论，进行了寿命试验。主要结论有：

（1）旋转阀的磨合期约为900次;

（2）环境温度对阀转矩影响较大，25～35℃为最适合旋转阀使用的温度;

（3）当阀转矩不高于0.02 N·m时，承压能力处于保压0.4 MPa以内;

（4）旋转阀寿命不少于80 000次;

（5）阀芯材料PTFE自润滑性能非常好，旋转阀适合长期干运行。

据此，提出两点建议：

（1）上述指标可以为工业注射泵旋转阀的生产装配检验提供依据，生产过程中不必为每只阀测试保压，以简化生产工艺;

（2）后续建议使用更耐磨的改性PTFE，进一步提高旋转阀寿命。

参考文献

[1]  北分瑞利： AF-2200顺序注射原子荧光光谱仪[J]. 现代科学仪器， 2012（5）： 156.

[2] 广州市金圻睿生物科技有限责任公司. 基因测序仪及其液路系统： CN209113912U [P]. 2019-07-16.

[3] 潘健. 液相凝膠色谱仪机械系统与控制系统的设计[D]. 北京： 北京工业大学， 2011.

[4] 周小峰， 温志渝， 谢瑛珂， 等. 多参数水质监测仪流路系统的优化设计[J]. 化工自动化及仪表， 2014， 41（1）： 22-26.

[5] 李和言， 马成男， 吴健鹏， 等. 铜基粉末冶金干式摩擦副磨合过程摩擦性能研究[J]. 摩擦学学报， 2018， 38（2）： 153-160.

[6] 宫恩祥， 夏天， 杨岩， 等. 基于热—结构耦合的旋转阀间隙分析[J]. 排灌机械工程学报， 2014， 32（8）： 698-702.

[7] 高成彦. 旋转阀在热—机械载荷下的静、动态分析[D]. 上海： 华东理工大学， 2013.

[8] 李军. 机械密封失效机理分析与效能延长策略[J]. 工业技术创新， 2017， 4（3）： 199-201.

[9] 冉华田. 聚四氟乙烯涂层在旋叶式压缩机端板表面的应用[J]. 工业技术创新， 2017， 4（3）： 86-88.

作者简介：

袁航（1969—），男，河北保定人，本科，机械工程师。主要研究方向：各种精密泵、阀。

E-mail： hang.yuan@longerpump.com

李寧（1987—），通信作者，男，河北保定人，硕士研究生学历，机械工程师。主要研究方向：机电一体化。

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