高壓隔膜泵液力端流固耦合分析

張洋

摘 要：隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，隔膜泵應(yīng)用領(lǐng)域?qū)τ诟裟け玫囊笠苍絹?lái)越高，流量不斷增大，壓力越來(lái)越高。工作壓力的提升給隔膜泵液力端帶來(lái)一系列的不利影響，影響隔膜泵的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，影響隔膜泵的容積效率，影響泵閥的運(yùn)動(dòng)規(guī)律等，本文采用流固耦合的分析方法，對(duì)隔膜泵液力端進(jìn)行模擬分析，對(duì)比不同工作壓力對(duì)隔膜泵液力端關(guān)鍵部件及參數(shù)的影響，識(shí)別高壓隔膜泵的設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞：隔膜泵；流固耦合；橡膠隔膜；工作壓力

中圖分類(lèi)號(hào)：TH323 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0.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。隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，隔膜泵應(yīng)用領(lǐng)域?qū)τ诟裟け玫囊笠苍絹?lái)越高，流量不斷增大，工作壓力越來(lái)越高。目前，過(guò)高的工作壓力會(huì)給隔膜泵帶來(lái)怎樣的影響并不了解，包括對(duì)隔膜的影響、對(duì)隔膜泵的容積效率以及泵閥的運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響。因此，本文采用有限元分析軟件ADINA針對(duì)隔膜泵液力端進(jìn)行三維流固耦合分析，研究不同壓力對(duì)于橡膠隔膜、泵閥運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及隔膜泵的容積效率的影響，識(shí)別高壓隔膜泵的設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，為高壓隔膜泵的研發(fā)奠定基礎(chǔ)。

1.隔膜泵液力端流固耦合分析

1.1 仿真分析模型的建立

本分析采用直通進(jìn)料閥整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分析模型如圖1所示，液力端移動(dòng)墻通過(guò)函數(shù)控制模擬活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，在出料口添加壓力邊界。結(jié)構(gòu)部分包括進(jìn)出料閥與隔膜，進(jìn)出料閥設(shè)有閥彈簧，升程為15mm。

1.2 流固耦合分析結(jié)果

本分析針對(duì)采用對(duì)比分析解決相關(guān)問(wèn)題，分別對(duì)0MPa、10MPa、20MPa、35MPa工作壓力工況進(jìn)行分析，分別提取各工況下鐵芯的位移、隔膜的位移、隔膜的應(yīng)力以及進(jìn)出料閥的升程曲線，對(duì)比壓力的變化對(duì)隔膜與閥的影響。

1.2.1工作壓力對(duì)隔膜的影響

圖2為鐵芯的位移曲線，得到隔膜達(dá)到最大進(jìn)程時(shí)鐵芯的最大位移，4種不同工作壓力下鐵芯的最大位移分別為25.05mm、24.79mm、24.62mm和24.46mm。隨著壓力的升高，鐵芯的最大位移逐漸略微減小，但影響很小。隨著壓力的升高隔膜的位移也逐漸微弱減小。究其原因是因?yàn)楣ぷ鲏毫Φ纳?，油缸?nèi)流體受壓后體積減小，推動(dòng)隔膜的位移因此降低。對(duì)比不同壓力下隔膜的應(yīng)力，各壓力等級(jí)下的隔膜應(yīng)力相差無(wú)幾，如圖3所示。

1.2.2工作壓力對(duì)泵閥升程的影響

圖4為不同工作壓力下的閥升程曲線，各壓力等級(jí)下的出料閥最大升程分別為10.82mm、10.70mm、10.70mm和10.73mm，可以得出在不同壓力下閥的最大升程基本沒(méi)有差距?？梢缘贸龉ぷ鲏毫?duì)閥最大升程基本沒(méi)有影響。但從圖中可以看出隨著壓力的升高，在閥的初始開(kāi)啟階段會(huì)出現(xiàn)升程下降再抬升的過(guò)程，造成這一現(xiàn)象的原因是由于壓力升高后在閥開(kāi)啟階段，產(chǎn)生高閥隙流速，使閥產(chǎn)生高加速度，使閥向上沖，但之后又沒(méi)有足夠的閥隙流速支持閥的這一升程高度，閥升程又下降一段。

閥最大升程相同，但是閥開(kāi)啟時(shí)間不同，假設(shè)無(wú)工作壓力出料閥開(kāi)啟時(shí)間為0，10MPa、20MPa和35MPa下的出料閥的開(kāi)啟時(shí)間分別為0.06s、0.085s和0.105s，對(duì)應(yīng)的活塞前進(jìn)距離分別為4.82mm、9.65mm和16.88mm。即隨著工作壓力越大，閥開(kāi)啟延遲越大，隔膜泵的容積效率越低，如圖4所示。

將工作壓力與閥開(kāi)啟時(shí)活塞推動(dòng)的距離畫(huà)成一條曲線，如圖5所示，可以看出其呈線性規(guī)律分布。那工作壓力為35MPa，則閥開(kāi)啟時(shí)活塞推動(dòng)的距離為16.88mm，隔膜泵的行程為220mm，則理論容積效率可以認(rèn)為為92%。

結(jié)論

通過(guò)以上研究表明，在隔膜泵工作壓力增大的情況下，橡膠隔膜仍處于壓力平衡狀態(tài)下工作，對(duì)橡膠隔膜的工作狀態(tài)基本無(wú)影響，即不影響橡膠隔膜的運(yùn)動(dòng)規(guī)律；隨著工作壓力的升高，泵閥的開(kāi)啟延遲增加，且會(huì)出現(xiàn)泵閥升程的波動(dòng)情況，但總體對(duì)泵閥的工作狀態(tài)未產(chǎn)生過(guò)大的影響；工作壓力升高將降低隔膜泵的容積效率，且容積效率的降低與工作壓力基本呈線性變化。

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