基于FloXpress的隔膜泵背壓閥設(shè)計計算

王小磊

(中國有色(沈陽)泵業(yè)有限公司，遼寧 沈陽 110144)

0 引言

在三缸單作用往復(fù)式活塞隔膜泵超壓保護(hù)系統(tǒng)中通常設(shè)有背壓閥和卸荷閥兩種主要閥件，背壓閥是指開啟壓力大于隔膜泵額定設(shè)計壓力10%～20%的閥，背壓閥通常選用或設(shè)計為單向閥型式，卸荷閥采用液壓溢流閥或管道安全閥結(jié)構(gòu)。背壓閥有球型閥和錐型閥結(jié)構(gòu)，球型閥多應(yīng)用于低壓工況隔膜泵，錐形閥多應(yīng)用于大流量或高壓工況隔膜泵。在隔膜泵超壓保護(hù)系統(tǒng)中背壓閥的使用過程分為單獨(dú)應(yīng)用和疊加應(yīng)用兩種情況。背壓閥中流動介質(zhì)通常為液壓油。在隔膜泵流量由幾十立增大到近千立每小時的發(fā)展過程驅(qū)動下，各背壓閥的配型也應(yīng)隨泵流量、結(jié)構(gòu)的增大，能保證液力端推進(jìn)液在隔膜泵超壓時完成壓力釋放。SolidWorks FloXpress是一個流體力學(xué)應(yīng)用程序，可計算流體是如何穿過零件或裝配體模型的。根據(jù)算出的速度場，可以找到設(shè)計中有問題的區(qū)域，以及在制造零件之前對零件進(jìn)行改進(jìn)。SolidWorks FloXpress做為第一關(guān)定性流量分析工具，可初步確定閥在SolidWorks 模型中的流體流動狀況。

1 隔膜泵背壓閥工作原理

1.油箱 2.補(bǔ)油泵 3.蓄能器 4.壓力表 5.壓力傳感器 6.背壓閥 7.卸荷閥圖1 背壓閥工作原理圖

2 流體分析與計算

結(jié)合背壓閥的實際使用情況，以下通過8 MPa、9 MPa、9.5 MPa、10 MPa、12 MPa、16 MPa、20 MPa七種隔膜泵常用壓力等級對背壓閥來進(jìn)行FloXpress計算分析。已知計算條件如表1所示。

表1 已知計算條件

在計算過程中，將閥開啟工況按照閥行程分為1/2閥行程開啟和全行程開啟兩種模式進(jìn)行比較分析。

2.1 背壓閥為1/2閥行程開啟

根據(jù)FloXpress計算方法要求，其步驟為：(1)使用蓋子閉合所有型腔開口；(2)檢查幾何體；(3)選擇流體；(4)設(shè)定閉合單一內(nèi)部型腔的模型邊界；(5)求解模型。設(shè)定結(jié)果解決方案和分析模型；(6)查看結(jié)果。查看分析結(jié)果和生成報告。

按照以上原則，首先對進(jìn)、出口端進(jìn)行封堵處理；第二，給定最小過流通徑；第三，選擇計算流體為液體(水)；第四，給定入口處流量條件；第五，給定出口端流量條件；第六，開始計算。

不同壓力等級下(在此以8 MPa隔膜泵排出壓力為例)，當(dāng)背壓閥為1/2閥行程開啟時FloXpress運(yùn)行結(jié)果流速趨勢如圖2所示。

圖2 背壓閥為1/2閥行程開啟流速趨勢

從圖2中可以看出，當(dāng)背壓閥為1/2閥行程開啟時，閥隙流速最大，因此作用于閥芯上的力也相對較大[2]。

2.2 全開狀態(tài)

當(dāng)閥處于全行程開啟狀態(tài)時，按照1/2閥行程開啟時的相同方法對全開狀態(tài)進(jìn)行計算，計算結(jié)果如圖3閥全行程開啟流速趨勢計算結(jié)果所示，可以得出其流速在過流通道內(nèi)相對均勻。

圖3 閥全行程開啟流速趨勢

將以上兩次計算結(jié)果合并圖示，如圖4背壓閥開啟流速比較圖所示。

圖4 背壓閥開啟計算流速比較圖

從圖4可知，無論背壓閥為1/2閥行程開啟還是全行程開啟，隨著壓力增大，最大流速呈線性關(guān)系上升；各壓力等級下，背壓閥全行程開啟時的最大流速v2低于1/2閥行程開啟時的最大流速v1，根據(jù)最大流速發(fā)生位置，可以確定背壓閥的最大受力點(diǎn)，進(jìn)而可對閥芯乃至整個閥進(jìn)行有限元強(qiáng)度分析。

3 強(qiáng)度分析計算

強(qiáng)度分析按照20 MPa額定壓力分兩種工況計算，工況1以隔膜泵未發(fā)生超壓，即背壓閥未開啟，背壓閥閥芯以下部分為隔膜泵的額定壓力，閥芯以上部分承受22 MPa壓力為例；工況2是隔膜泵發(fā)生超壓即背壓閥開啟，背壓閥內(nèi)部的所有構(gòu)成零件均承受24 MPa壓力。

DN50背壓閥采用裝配體結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析，以閥體、閥芯、閥蓋組成的裝配體為研究對象，由于模型對稱采用1/2模型進(jìn)行分析，背壓閥幾何模型如圖5所示[3]。

圖5 DN50背壓閥三維幾何模型圖

3.1 工況1計算

工況1是未發(fā)生超壓即背壓閥未打開，背壓閥閥芯以上部分承受22 MPa壓力。網(wǎng)格劃分需要保證接觸面的網(wǎng)格尺寸一致，并適當(dāng)細(xì)化，整體網(wǎng)格尺寸為10 mm。邊界條件及載荷如下：閥體下端面與下部法蘭接觸面施加豎直方向和水平方向約束，對稱面施加對稱約束，閥蓋上端面與上端法蘭接觸面施加豎直方向約束，閥體、閥芯和閥蓋與液壓油接觸內(nèi)表面施加22 MPa壓力。閥體與閥芯、閥芯與閥蓋接觸處建立面接觸，并設(shè)置摩擦系數(shù)為0.12，閥體與閥蓋之間建立綁定接觸，建立的有限元模型如圖6工況1背壓閥有限元模型所示。

圖6 工況1背壓閥有限元模型

將建立的背壓閥有限元模型在ADINA中進(jìn)行靜力學(xué)分析，獲得了該背壓閥在工況1時的應(yīng)力云圖，如圖7所示[4]。

3.2 工況2計算

工況2是發(fā)生超壓即背壓閥所有零件均承受24 MPa壓力。由于工況2閥芯所有外表面均承受壓強(qiáng)作用，受力平衡，認(rèn)為閥芯本身應(yīng)力很小，工況2不考慮閥芯，邊界條件及載荷如下：閥體下端面與下部法蘭接觸面施加豎直方向和水平方向約束，對稱面施加對稱約束，閥蓋上端面與上端法蘭接觸面施加豎直方向約束，閥體和閥蓋與液壓油接觸內(nèi)表面施加24 MPa壓強(qiáng)。閥體與閥蓋之間建立綁定接觸，建立的有限元模型如圖8所示。

圖7 工況1背壓閥應(yīng)力云圖

圖8 工況2背壓閥有限元模型

通過有限元分析獲得了工況2情況下背壓閥的應(yīng)力云圖，如圖9工況2背壓閥應(yīng)力云圖所示[4]。

通過對DN50背壓閥靜力學(xué)分析可得出：DN50背壓閥在工況1和工況2中最大應(yīng)力位置均在閥蓋上端過流孔交界面處，最大應(yīng)力值為186.432 MPa，安全系數(shù)為σs/σmax=550 MPa/186.432 MPa=2.96≥2，從計算結(jié)果初步認(rèn)為DN50背壓閥滿足強(qiáng)度使用要求。DN50背壓閥閥座最大應(yīng)力為101.27 MPa，閥芯最大應(yīng)力為114.72 MPa，應(yīng)力均遠(yuǎn)小于材料屈服極限，強(qiáng)度均滿足使用要求。工況2中，由于閥芯所有外表面均承受24 MPa壓力，外載荷平衡，從經(jīng)驗判斷其應(yīng)力較小，在計算模型中不予考慮。

由于隔膜泵超壓工況發(fā)生頻率小，DN50背壓閥主要承受恒定載荷，疲勞載荷可忽略，因此DN50背壓閥只需要校核靜強(qiáng)度，不需校核疲勞強(qiáng)度。

圖9 工況2背壓閥應(yīng)力云圖

4 結(jié)論

背壓閥是隔膜泵超壓保護(hù)系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件之一，其密封性能對隔膜泵的補(bǔ)排油有很大影響，如果背壓閥密封失效，對于三缸單作用泵來說，其隔膜油腔中三個腔會發(fā)生連通現(xiàn)象，從而使泵的補(bǔ)排油發(fā)生異常，進(jìn)而能影響到泵的正常運(yùn)行。

采用FloXpress對背壓閥進(jìn)行流體分析計算，不但得出了閥內(nèi)流體的流動分布趨勢和速度場，計算出了最大流速，而且可以判斷出最大流速發(fā)生的位置，通過最大流速數(shù)值，結(jié)合前述已知條件可以計算出在最大流速時閥的最大流量，進(jìn)而可以將閥合理地匹配到隔膜泵超壓保護(hù)系統(tǒng)中進(jìn)行使用。

通過計算不同壓力下背壓閥流速數(shù)值和流速數(shù)值比較，可以初步確定背壓閥在隔膜泵中的使用條件及應(yīng)用范圍。參考FloXpress計算結(jié)論中最大流速發(fā)生位置，結(jié)合ADINA有限元分析，在背壓閥材料允許的強(qiáng)度范圍內(nèi)，可以進(jìn)一步對閥結(jié)構(gòu)及超壓保護(hù)系統(tǒng)中相關(guān)零部件進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化與修正，得出符合強(qiáng)度要求、經(jīng)濟(jì)性好的背壓閥結(jié)構(gòu)模型和超壓保護(hù)系統(tǒng)。