隔膜泵大直徑橡膠隔膜變形及應(yīng)力數(shù)值分析

張 偉

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

0 前言

隔膜泵是一種往復(fù)式活塞正位移泵，主要用于輸送礦漿、尾礦漿、泥漿等固液兩相漿體，特別適合于輸送高濃度、腐蝕性和磨蝕性固液兩相漿體。隔膜泵適合輸送固液兩相漿體是由于隔膜將輸送礦漿和驅(qū)動(dòng)液壓油隔離開(kāi)，避免了礦漿固體顆粒對(duì)活塞缸的磨損，提高了活塞缸的使用壽命?；钊椎氖褂脡勖h(yuǎn)大于隔膜使用壽命，因此隔膜使用壽命直接關(guān)系到隔膜泵連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)率指標(biāo)，進(jìn)而影響企業(yè)產(chǎn)能高低，隔膜使用壽命長(zhǎng)則隔膜泵連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)率高，企業(yè)產(chǎn)能高。反之，隔膜使用壽命短，隔膜泵需要頻繁停車(chē)，降低了隔膜泵連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)率，進(jìn)而導(dǎo)致企業(yè)產(chǎn)能可能達(dá)不到要求。

隔膜工作時(shí)，隔膜頭被隔膜腔和隔膜室蓋壓緊起密封作用，隔膜中部鐵芯與導(dǎo)桿連接，隔膜在導(dǎo)桿推動(dòng)下做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)礦漿吸入和排出。隔膜在工作過(guò)程中一側(cè)為高壓礦漿，另一側(cè)為高壓液壓油。隔膜的材質(zhì)為橡膠材料，柔軟易變形是其主要特點(diǎn)。隔膜泵在工作過(guò)程中隔膜與礦漿直接接觸并相互作用，隔膜極易發(fā)生扭曲變形，導(dǎo)致應(yīng)力集中，最終破裂，縮短了使用壽命，隨著隔膜泵輸送流量的增大，隔膜直徑也不斷增大，隔膜破裂事故更易發(fā)生，成為大型隔膜泵設(shè)計(jì)的一個(gè)技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。隔膜破壞的原因?yàn)椋?1)隔膜兩側(cè)液體壓差很大，壓力不平衡，造成隔膜瞬間撕裂；(2)若隔膜兩側(cè)液體壓差較小，使隔膜撓曲變形較大，隔膜內(nèi)應(yīng)力較大，隔膜更易發(fā)生疲勞破壞，降低了其疲勞壽命；(3)隔膜兩側(cè)壓差很小或近似為零，使隔膜兩側(cè)壓力基本平衡，但由于隔膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，例如30°隔膜、45°隔膜等結(jié)構(gòu)型式，造成隔膜在運(yùn)行過(guò)程中撓曲變形過(guò)大，導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力過(guò)大，降低隔膜的疲勞壽命。大直徑隔膜現(xiàn)場(chǎng)破裂事故圖見(jiàn)圖1。

圖1 隔膜破裂事故圖

針對(duì)上述引起隔膜破壞原因中第一條和第二條，隔膜泵廠(chǎng)家已采取了許多措施，盡量降低隔膜泵運(yùn)行過(guò)程中隔膜兩側(cè)壓差，維持隔膜兩側(cè)動(dòng)態(tài)壓力平衡，這些措施包括：(1)采用自動(dòng)補(bǔ)排油控制系統(tǒng)，自動(dòng)檢測(cè)油缸內(nèi)油壓，進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)排油，維持油缸內(nèi)壓力穩(wěn)定；(2)采用超壓保護(hù)系統(tǒng)，當(dāng)隔膜一側(cè)壓力超過(guò)許用值時(shí)，使隔膜泵直接斷電，避免隔膜破裂；(3)隔膜行程控制系統(tǒng)，自動(dòng)檢測(cè)隔膜運(yùn)動(dòng)位置，避免隔膜運(yùn)動(dòng)距離超出許用行程，保證隔膜不產(chǎn)生張力及附加內(nèi)應(yīng)力；(4)提高活塞滑動(dòng)密封圈的耐磨性，保證導(dǎo)桿運(yùn)動(dòng)過(guò)程中對(duì)中性，保證隔膜運(yùn)行平穩(wěn)。針對(duì)引起隔膜破壞原因中的第三條，可采用以下幾點(diǎn)措施提高隔膜使用壽命：(1)改善隔膜材質(zhì)，提高隔膜對(duì)礦漿固體顆粒的耐磨性，同時(shí)保證隔膜具有要求的強(qiáng)度和韌性；(2)針對(duì)不同的隔膜泵規(guī)格，選用不同規(guī)格的隔膜，并對(duì)隔膜直徑、偏斜角度、隔膜頭尺寸及鐵芯尺寸等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以減小隔膜工作過(guò)程中的撓曲變形量和應(yīng)力值，進(jìn)而提高隔膜的使用壽命。

本文正是針對(duì)引起隔膜破壞原因中第三條的第二點(diǎn)改善措施，即優(yōu)化隔膜尺寸以提高隔膜使用壽命。隔膜尺寸優(yōu)化的前提是準(zhǔn)確掌握隔膜工作過(guò)程中的變形和應(yīng)力狀態(tài)。本文就是針對(duì)如何確定隔膜在工作過(guò)程中的變形和應(yīng)力的方法進(jìn)行研究。由于隔膜工作環(huán)境惡劣，采用測(cè)試方法獲得隔膜運(yùn)行過(guò)程中的變形和應(yīng)力比較困難，即使能獲得相關(guān)數(shù)據(jù)，測(cè)試成本也相對(duì)較高，本文提出了一種實(shí)用、有效的隔膜運(yùn)動(dòng)過(guò)程數(shù)值模擬方法，能較為準(zhǔn)確的模擬隔膜泵運(yùn)行過(guò)程中隔膜的變形和應(yīng)力狀態(tài)。由于隔膜的變形是隔膜與礦漿、液壓油相互作用的結(jié)果，為了準(zhǔn)確模擬隔膜的變形狀態(tài)，兼顧到隔膜在工作過(guò)程中礦漿和液壓油對(duì)隔膜的作用、隔膜變形對(duì)礦漿和液壓油的作用、分析進(jìn)出料泵閥的開(kāi)啟和關(guān)閉對(duì)隔膜變形影響，使分析工況接近隔膜泵運(yùn)行實(shí)際工況，保證隔膜變形和應(yīng)力求解結(jié)果更符合實(shí)際。相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者們對(duì)隔膜強(qiáng)度數(shù)值分析方法已有很多研究[1-4]，但這些研究主要側(cè)重于純隔膜固體的靜力學(xué)或隱式動(dòng)力學(xué)分析，未考慮流體對(duì)隔膜變形的影響。

本文隔膜變形和應(yīng)力分析問(wèn)題是涉及材料幾何非線(xiàn)性和材料非線(xiàn)性的流固耦合分析問(wèn)題，計(jì)算收斂難度大。由于A(yíng)DINA軟件[3]在非線(xiàn)性流固耦合求解問(wèn)題的計(jì)算精度和計(jì)算效率方面具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，深得同行專(zhuān)家的認(rèn)可。因此本文采用ADINA軟件進(jìn)行分析。

1 隔膜變形和應(yīng)力數(shù)值分析

1.1 分析模型

本文以某大型氧化鋁溶出隔膜泵(流量650 m3/h，工作壓力9 MPa)為研究對(duì)象，分析該隔膜泵運(yùn)行過(guò)程中隔膜的變形狀態(tài)。建立隔膜泵液力端流固耦合分析模型，流體部分包括：腔體內(nèi)液壓油，隔膜室內(nèi)礦漿，與隔膜室連接的進(jìn)出料閥內(nèi)礦漿；結(jié)構(gòu)部分包括：隔膜、鐵芯、進(jìn)出料錐閥。在A(yíng)DINA中劃分流體和結(jié)構(gòu)部分網(wǎng)格，所有模型均采用六面體單元，網(wǎng)格尺寸不能太密，保證該流固耦合分析計(jì)算時(shí)間在可接受的范圍內(nèi)，由于模型對(duì)稱(chēng)，采用1/2模型進(jìn)行分析，建立的隔膜流固耦合分析模型如圖2所示，其中左圖為流體模型，右圖為結(jié)構(gòu)模型。

模型相關(guān)參數(shù)如下：活塞缸徑430 mm，活塞行程520 mm，泵沖次36 r/min，隔膜直徑1 130 mm，隔膜偏斜角度30°，液壓油密度0.9×10-9t/mm3，液壓油體積模量1 600 MPa，礦漿密度1.5×10-9t/mm3，礦漿體積模量1 800 MPa。隔膜為橡膠材料，采用兩參數(shù)Mooney-Rivlin本構(gòu)模擬隔膜材料，鐵芯和進(jìn)出料閥材料為鐵。

圖2 隔膜泵液力端流固耦合分析模型

1.2 載荷及邊界條件

隔膜運(yùn)動(dòng)流固耦合分析的邊界條件如下：

(1)流體邊界條件：液壓油和漿體外表面建立流體墻，液壓油入口截面施加移動(dòng)墻，模擬活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，移動(dòng)墻位移函數(shù)近似為正弦函數(shù)，如圖3所示；隔膜和液壓油之間、隔膜和礦漿之間、進(jìn)料閥和礦漿之間、出料閥和礦漿之間分別建立流固耦合邊界條件[5]。

圖3 隔膜泵活塞運(yùn)動(dòng)位移曲線(xiàn)

(2)固體邊界條件：進(jìn)料閥與其上端剛性面之間建立接觸對(duì)，限制進(jìn)料閥升程，出料閥與其上端剛性面之間建立接觸對(duì)，限制出料閥升程；分別設(shè)置進(jìn)出料閥開(kāi)啟和關(guān)閉條件；對(duì)隔膜頭施加全約束，約束鐵芯y方向和z方向位移，使鐵芯只能發(fā)生水平方向位移；約束進(jìn)出料閥x方向和z方向位移，使進(jìn)出料閥只能豎直上下運(yùn)動(dòng)；結(jié)構(gòu)部分對(duì)稱(chēng)面施加對(duì)稱(chēng)約束；隔膜和進(jìn)出料閥均施加重力。

1.3 計(jì)算結(jié)果

將建立的隔膜泵液力端流固耦合分析模型在A(yíng)DINA軟件中，調(diào)用流固耦合求解模塊(FSI Analysis)進(jìn)行求解，模擬隔膜泵的液力端工作過(guò)程。分析時(shí)間為活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)一個(gè)周期，即一個(gè)推程和一個(gè)回程，獲得了隔膜在推程和回程階段的應(yīng)力云圖和變形云圖，提取了隔膜在推程和回程階段的最大應(yīng)力值和最大變形值，如圖4～圖6所示。

圖4 隔膜推程階段最大應(yīng)力云圖

圖5 隔膜回程階段出現(xiàn)上下不對(duì)稱(chēng)翻轉(zhuǎn)及較大應(yīng)力

圖6 隔膜回程階段的最大應(yīng)力云圖

由于隔膜內(nèi)鐵芯的運(yùn)動(dòng)位移直接關(guān)系著隔膜腔內(nèi)腔形狀設(shè)計(jì)及隔膜行程控制系統(tǒng)中探頭位置的設(shè)定，是隔膜泵設(shè)計(jì)中較為關(guān)注的設(shè)計(jì)參數(shù)。傳統(tǒng)的方法是通過(guò)隔膜行程實(shí)驗(yàn)來(lái)確定某型號(hào)隔膜泵中隔膜鐵芯的運(yùn)動(dòng)位移，實(shí)驗(yàn)方法需要搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，制作實(shí)驗(yàn)工裝，實(shí)驗(yàn)過(guò)程耗時(shí)耗力，成本高，本文通過(guò)上述隔膜流固耦合分析方法，可直接獲得隔膜鐵芯的運(yùn)動(dòng)位移曲線(xiàn)，如圖7所示。

圖7 鐵芯位移隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

2 結(jié)論

通過(guò)對(duì)隔膜泵(型號(hào)DGMB650/9)液力端整體流固耦合分析，較為準(zhǔn)確的模擬了該隔膜泵工作過(guò)程中隔膜的變形狀態(tài)和應(yīng)力狀態(tài)，獲得了隔膜變形和應(yīng)力結(jié)果，為隔膜泵隔膜結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。通過(guò)本文分析可初步得到如下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)提出了隔膜泵液力端流固耦合分析方法，該分析方法是以商業(yè)有限元軟件ADINA為平臺(tái)的涉及橡膠材料幾何大變形和材料非線(xiàn)性問(wèn)題的流固耦合分析問(wèn)題，計(jì)算收斂難度大，通過(guò)反復(fù)的模型修改、調(diào)試，基本掌握了該種分析的規(guī)律和方法，為今后其他型號(hào)隔膜的結(jié)構(gòu)定型分析打下良好的基礎(chǔ)。

(2)通過(guò)第1節(jié)分析結(jié)果可以看出，該隔膜在推程階段最大應(yīng)力為2.967 MPa，最大應(yīng)力出現(xiàn)位置是隔膜下邊緣，回程階段最大應(yīng)力為3.962 MPa，最大應(yīng)力出現(xiàn)位置也是隔膜下邊緣，隔膜應(yīng)力較小，說(shuō)明隔膜兩側(cè)流體壓力處于平衡狀態(tài)，隔膜未發(fā)生由于兩側(cè)流體壓差導(dǎo)致的撓曲變形，計(jì)算結(jié)果較為符合實(shí)際，隔膜變形和應(yīng)力結(jié)果可為隔膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

隔膜最大應(yīng)力發(fā)生在隔膜邊緣位置，分析原因可能是隔膜回程過(guò)程中出現(xiàn)了隔膜邊緣的翻轉(zhuǎn)，會(huì)一定程度的拉扯隔膜頭部位，造成隔膜邊緣應(yīng)力的陡升，隔膜長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在隔膜邊緣位置更易發(fā)生疲勞失效，造成破裂。公司對(duì)以往客戶(hù)現(xiàn)場(chǎng)的故障隔膜發(fā)生破裂位置進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)大部分故障隔膜發(fā)生破裂的位置在隔膜邊緣處，與仿真方法預(yù)測(cè)的隔膜最易失效位置是吻合的，進(jìn)一步驗(yàn)證了仿真方法定性分析的正確性。

(3)通過(guò)對(duì)隔膜內(nèi)鐵芯位移結(jié)果分析可以看出，鐵芯并非隨著活塞的推進(jìn)而不斷向前運(yùn)動(dòng)，而是當(dāng)鐵芯達(dá)到一定位移時(shí)，活塞再向前推進(jìn)，鐵芯開(kāi)始發(fā)生往復(fù)抖動(dòng)，從結(jié)果看出，鐵芯的最大位移并不是發(fā)生在活塞達(dá)到最大行程時(shí)刻，為進(jìn)一步掌握鐵芯抖動(dòng)對(duì)隔膜壽命的影響提供了有用數(shù)據(jù)。