基于流固耦合分析研究工作壓力對隔膜泵泵閥運動規(guī)律的影響

張　洋

（中國有色（沈陽）泵業(yè)有限公司，遼寧 沈陽 110144）

基于流固耦合分析研究工作壓力對隔膜泵泵閥運動規(guī)律的影響

張洋

（中國有色（沈陽）泵業(yè)有限公司，遼寧 沈陽 110144）

泵閥是隔膜泵最主要的易損件，泵閥的壽命是影響隔膜泵連續(xù)運轉(zhuǎn)率高低的主要因素。經(jīng)過工業(yè)實踐發(fā)現(xiàn)，隨著隔膜泵工作壓力的升高，泵閥的使用壽命降低。工作壓力是隔膜泵設(shè)計過程中最為重要的參數(shù)之一，由工藝系統(tǒng)決定的固定參數(shù)，因此，需根據(jù)不同的工作壓力對泵閥進(jìn)行有區(qū)別地設(shè)計。本文采用流固耦合分析手段得出閥的運動機(jī)理，對比不同工作壓力對泵閥運動機(jī)理的影響，以此研究為基礎(chǔ)，針對不同工作壓力設(shè)計合理的泵閥結(jié)構(gòu)，提高泵閥的使用壽命。

隔膜泵；泵閥壽命；工作壓力；流固耦合

隔膜泵憑借其壓力適應(yīng)范圍廣，效率高，地形適應(yīng)性強(qiáng)，環(huán)境污染小，安全可靠等特點被更加廣泛地應(yīng)用。目前正在運行的隔膜泵中，問題最為突出的就是隔膜泵泵閥的壽命問題。由于泵閥壽命不穩(wěn)定，導(dǎo)致隔膜泵的連續(xù)運轉(zhuǎn)率無法保證，造成巨大的直接與間接的經(jīng)濟(jì)利益損失。本文針對影響泵閥壽命因素之一的工作壓力展開研究，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，從而得出泵閥的運動規(guī)律。研究不同工作壓力對于泵閥運動規(guī)律的影響，通過調(diào)整出料口的工作壓力，對比不同工作壓力下泵閥的運動速度，以此對泵閥結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改，從而達(dá)到提高泵閥壽命的目的。

1.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，由于模型為對稱結(jié)構(gòu)，因此本分析模型采用對稱模型進(jìn)行分析，從而降低分析計算量。模型如圖1所示。左側(cè)為流場部分，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化掉。邊界條件如下：流場部分的進(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際工作狀態(tài)添加移動墻邊界，模擬活塞的運動，與泵閥結(jié)構(gòu)部分相接處為流固耦合邊界。泵閥結(jié)構(gòu)部分按泵閥的設(shè)計參數(shù)進(jìn)行限位。

2.結(jié)果對比分析

在相同工作條件下，即相同的喂料壓力、相同的沖次及相同的彈簧剛度。改變工作壓力，分別為6MPa、13MPa和30MPa。提取計算結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果對比如下。

出料閥運動速度如圖2所示，當(dāng)工作壓力為6MPa時，出料閥與緊固導(dǎo)管和閥座的碰撞速度分別為1.04m/s和0.45m/s；當(dāng)工作壓力為13MPa時，兩速度分別為1.15m/s和0.45m/s；當(dāng)工作壓力為30MPa時，兩速度分別為1.26m/s和0.45m/s。由以上數(shù)據(jù)可以得出，隨著工作壓力的增大，出料閥對緊固導(dǎo)管的碰撞速度增大，對閥座的碰撞速度無影響。同樣，對比進(jìn)料閥的運動速度可以得到相同的規(guī)律，即隨著工作壓力的增大，進(jìn)料閥對于導(dǎo)管支架的碰撞速度增大，對閥座的碰撞速度無影響。

工作壓力的提高除了對泵閥的沖擊速度產(chǎn)生影響，還會對泵閥的開啟與關(guān)閉產(chǎn)生影響。圖3為出料閥的升程對比曲線，以第二周期為例，1.27s移動墻開始推進(jìn)，1.87s回程，當(dāng)工作壓力為6MPa、13MPa和30MPa時，出料閥分別在1.45s、1.46s和1.49s開啟，分別延遲0.18s、0.19s和0.22s，即隨著工作壓力的升高，泵閥的開啟延遲越大，降低隔膜泵的容積效率。進(jìn)料閥存在同樣的運動規(guī)律。

圖4為閥隙流速對比曲線，由圖中可以看出，3種工況下除了前期由于閥開啟延遲不同造成的閥隙流速不同外，之后的閥隙流速均相同。以此可以得出，工作壓力的增大，對閥隙流速無影響，不會增強(qiáng)料漿對泵閥的沖蝕破壞。

結(jié)論

通過本研究可以得到以下結(jié)論。

采用ADINA流固耦合分析可以高效的分析隔膜泵泵閥的運動規(guī)律以及隔膜泵液力端流場的相關(guān)參數(shù)，為隔膜泵的設(shè)計提供依據(jù)。

隨著工作壓力的增大，隔膜泵進(jìn)出料閥與緊固導(dǎo)管/導(dǎo)管支架的碰撞速度增大，造成緊固導(dǎo)管/導(dǎo)管支架的碰撞破壞，影響泵閥的使用壽命。針對此問題，通過相關(guān)研究，可以通過改變閥升程或增大彈簧剛度來降低其碰撞速度，從而提高隔膜泵泵閥和緊固導(dǎo)管/導(dǎo)管支架的使用壽命。

隨著工作壓力的增大，會增大隔膜泵進(jìn)出料閥的開啟延遲。

工作壓力的增大，不會增強(qiáng)料漿對泵閥的沖蝕破壞。

［1］成大先.機(jī)械設(shè)計手冊［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

［2］《往復(fù)泵設(shè)計》編寫組.往復(fù)泵設(shè)計［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1987.

［3］馬野，袁志丹，曹金鳳. ADINA有限元經(jīng)典實例分析［M］.北京：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.

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