基于流固耦合分析研究閥彈簧剛度對(duì)隔膜泵泵閥運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響

王政武

（中國(guó)有色（沈陽(yáng)）泵業(yè)有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110144）

1 前言

隔膜泵憑借其運(yùn)輸能力大，效率高，地形適應(yīng)性強(qiáng)，環(huán)境污染小，安全可靠等特點(diǎn)被更加廣泛的應(yīng)用。目前正在運(yùn)行的隔膜泵中，問(wèn)題最為突出的就是隔膜泵泵閥的壽命問(wèn)題。由于泵閥壽命不穩(wěn)定，導(dǎo)致隔膜泵的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)率無(wú)法保證，造成的巨大的直接與間接的經(jīng)濟(jì)利益損失。本文針對(duì)影響泵閥壽命因素之一的閥彈簧剛度展開(kāi)研究，采用有限元分析軟件ADINA進(jìn)行隔膜泵液力端流固耦合分析，從而得出泵閥的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。研究不同閥彈簧剛度對(duì)于泵閥運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響，通過(guò)調(diào)整閥彈簧剛度來(lái)減小泵閥的關(guān)閉速度，減小泵閥的沖擊力，從而達(dá)到提高泵閥壽命的目的。

2 流固耦合分析模型的建立

以三缸單作用隔膜泵液力端的其中一列為基礎(chǔ)建立分析模型，由于模型為對(duì)稱(chēng)對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，因此本分析模型采用對(duì)稱(chēng)模型進(jìn)行分析，從而降低分析計(jì)算量。模型如圖1所示。左側(cè)為流場(chǎng)部分，右側(cè)為結(jié)構(gòu)部分，即進(jìn)料閥與出料閥。由于隔膜只是起到分離液壓油與泵送漿體的作用，因此本模型將隔膜簡(jiǎn)化掉。邊界條件如下：流場(chǎng)部分的進(jìn)料管口與出料管口添加壓力邊界，即泵的喂料壓力與工作壓力；油缸端面處按照泵的實(shí)際工作狀態(tài)添加移動(dòng)墻邊界，與結(jié)構(gòu)部分相接處為流固耦合邊界。結(jié)構(gòu)部分按泵閥的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行限位。改變閥彈簧的彈簧剛度分別進(jìn)行計(jì)算，將分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

圖1 分析模型

圖2 出料閥運(yùn)動(dòng)速度對(duì)比曲線

圖3 出料閥升程對(duì)比曲線

圖4 出料閥閥隙流速對(duì)比曲線

3 結(jié)果對(duì)比分析

在相同工作條件下，即相同工作壓力、喂料壓力以及相同的沖次。改變泵閥的彈簧剛度。分別為一倍、二倍與三倍彈簧剛度。提取計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果對(duì)比如下。

出料閥運(yùn)動(dòng)速度如圖2所示，當(dāng)彈簧為一倍剛度時(shí)，出料閥與緊固導(dǎo)管和閥座的碰撞速度分別為1.12m/s和0.45m/s；當(dāng)彈簧剛度調(diào)整為二倍時(shí)，兩速度分別為0.71m/s和0.36m/s；當(dāng)彈簧剛度調(diào)整為三倍時(shí)，兩速度分別為0.29m/s和0.29m/s。由以上數(shù)據(jù)可以得出，隨著彈簧剛度的增大，出料閥對(duì)緊固導(dǎo)管與閥座的碰撞速度均減小。有利于提高泵出料閥的使用壽命。同樣，對(duì)比進(jìn)料閥的運(yùn)動(dòng)速度可以得到相同的規(guī)律，即隨著彈簧剛度的增大，進(jìn)料閥對(duì)于導(dǎo)管支架與閥座的碰撞速度均較小。

提高泵閥的閥彈簧剛度有利于降低泵閥對(duì)于閥座的碰撞速度。那么，提高彈簧剛度會(huì)不會(huì)對(duì)泵運(yùn)行過(guò)程中其它參數(shù)產(chǎn)生影響？圖3為泵閥的升程對(duì)比曲線，可以看出，三種工況下，泵閥均能達(dá)到最大升程，且關(guān)閉時(shí)刻不變。但隨著彈簧剛度的提高，泵閥下落時(shí)間越來(lái)越早。極限思維考慮，如果繼續(xù)增大彈簧剛度，會(huì)出現(xiàn)泵閥無(wú)法達(dá)到升程的情況。

圖4為閥隙流速對(duì)比曲線，由圖中可以看出，三種工況下最大閥隙流速不變，但在泵閥下落過(guò)程中，閥隙流速隨著彈簧剛度的增大而增大。

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上分析可以得出，通過(guò)改變泵閥的閥彈簧剛度可以改變泵閥對(duì)于緊固導(dǎo)管（導(dǎo)管支架）的碰撞速度，閥彈簧剛度越大，碰撞速度越小。但是，彈簧剛度不能過(guò)大，否則閥將無(wú)法達(dá)到最大升程，閥隙流速將增大，加強(qiáng)了漿體對(duì)于泵閥的沖蝕，影響泵閥的使用壽命。同時(shí)，改變閥彈簧的剛度，泵閥的最終關(guān)閉時(shí)間不變，不影響閥的正常關(guān)閉。因此，可以適當(dāng)增加閥彈簧的剛度從而提高閥的使用壽命。

[1]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[D].北京：化學(xué)工業(yè)出版社， 2007.

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[3]馬野，袁志丹，曹金鳳.ADINA有限元經(jīng)典實(shí)例分析[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[4]ADINA Theory and Modeling Guide VolumeⅢ： ADINA CFD & FSI， June 2010， ADINA R&D， Inc.