基于流固耦合研究工作壓力對(duì)隔膜泵球閥運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響

摘? 要：在隔膜泵中，泵閥是隔膜泵最主要的易損件，球閥作為泵閥的一種，在各種壓力和流量等級(jí)的隔膜泵中有著越來越廣泛的應(yīng)用。目前，對(duì)于隔膜泵錐閥的研究已經(jīng)有了比較完備的結(jié)論，可以進(jìn)行指導(dǎo)設(shè)計(jì)，但是，關(guān)于隔膜泵用球閥的研究仍然較少。工作壓力是隔膜泵設(shè)計(jì)過程中最為重要的參數(shù)之一，是由工藝系統(tǒng)決定的固定參數(shù)，因此需要根據(jù)不同的工作壓力，有所區(qū)別地進(jìn)行球閥的設(shè)計(jì)。該文采用流固耦合分析手段得出隔膜泵球閥的運(yùn)動(dòng)機(jī)理，對(duì)比隔膜泵不同工作壓力對(duì)球閥運(yùn)動(dòng)機(jī)理的影響。

關(guān)鍵詞：隔膜泵;工作壓力;球閥;流固耦合

中圖分類號(hào)：TH323? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

隔膜泵在礦山、化工、氧化鋁等行業(yè)有著廣泛應(yīng)用。隔膜泵在各個(gè)行業(yè)應(yīng)用中，工況各有不同，某些惡劣工況會(huì)給隔膜泵球閥的正常運(yùn)動(dòng)帶來一定影響，進(jìn)而會(huì)影響隔膜泵連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)率。該文研究了三缸單作用隔膜泵不同的工作壓力對(duì)球閥使用性能的影響，其技術(shù)手段是采用ADINA有限元分析軟件對(duì)液力端流固耦合分析。

1 球閥流固耦合分析條件與模型建立

球閥是一種常用的單向閥，它的啟閉件是一個(gè)球體，利用球體在導(dǎo)架內(nèi)上升下降實(shí)現(xiàn)對(duì)流體的開啟和關(guān)閉的目的。球閥在管道上主要用于切斷、分配和改變介質(zhì)流動(dòng)方向。球閥不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、密封性能好，而且在一定的公稱通經(jīng)范圍內(nèi)體積較小、重量輕、材料耗用少、安裝尺寸小，并且易實(shí)現(xiàn)快速啟閉，相比錐閥結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單。隔膜泵球閥按球閥的結(jié)構(gòu)形式屬于浮動(dòng)球閥，屬于隔膜泵產(chǎn)品中的易損件，因此研究球閥的工作規(guī)律，研究閥升程、速度、腔內(nèi)壓力等參數(shù)對(duì)隔膜泵使用可靠性有一定幫助。

以三缸單作用隔膜泵液力端其中一列為基礎(chǔ)建立分析模型，由于模型是對(duì)稱結(jié)構(gòu)，該分析模型亦采用對(duì)稱模型進(jìn)行分析，從而降低分析計(jì)算量。模型如圖1所示。其左側(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。由于隔膜只起到分離液壓油與泵送漿體的作用，對(duì)球閥使用性能無直接影響，因此該模型將橡膠隔膜簡(jiǎn)化掉。其邊界條件如下：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，模擬活塞運(yùn)動(dòng)，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(jì)參數(shù)進(jìn)行限位。

該文采用ADINA專業(yè)軟件進(jìn)行流固耦合分析，分析模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。球閥的三維流固耦合分析相比于錐閥的分析，最主要的難點(diǎn)為有限元分析模型的建立，由于球閥這種特殊的結(jié)構(gòu)，使傳統(tǒng)錐閥的網(wǎng)格剖分方法不能移植到這一分析上來，因此，分析模型的建立是球閥的分析的一項(xiàng)技術(shù)困難，經(jīng)過多次反復(fù)的調(diào)整與測(cè)試，對(duì)分析模型進(jìn)行合理的分組，建立出適合球閥分析的模型，可以較好地進(jìn)行模擬，為球閥的分析奠定基礎(chǔ)。

該分析以某型號(hào)雙缸雙作用隔膜泵液力端作為研究模型，沖次47，缸徑180 mm，行程300 mm，通徑90 mm，球徑140 mm。球閥密度7 800 kg/m3，分析模型重力為9 800 N/t。建立分析模型如圖1所示，分析模型為對(duì)稱模型。

球閥在實(shí)際工作狀態(tài)中為處于上下浮動(dòng)自由旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)，分析模型應(yīng)該保持其實(shí)際的工作狀態(tài)，但由于旋轉(zhuǎn)自由度的影響，如使球閥保持旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，計(jì)算將不能收斂?？紤]到球閥工作過程中具有以下特性：

1）球閥升程不會(huì)太高。

2）起落周期時(shí)間很短，不會(huì)產(chǎn)生快速旋轉(zhuǎn)。

因此在分析計(jì)算過程中屏蔽掉旋轉(zhuǎn)自由度。這樣既能保證計(jì)算的收斂，又對(duì)計(jì)算結(jié)果不會(huì)造成太大的影響。

該分析就工作壓力的不同展開研究，研究不同壓力參數(shù)對(duì)球閥工作狀態(tài)的影響，以理解球閥在不同工作壓力參數(shù)影響下其工作規(guī)律的變化，為球閥的設(shè)計(jì)提供幫助。

2 液力端流固耦合分析結(jié)果對(duì)比

工作壓力是隔膜泵工作最為重要的參數(shù)之一，在錐閥的研究中，工作壓力是影響隔膜泵泵閥運(yùn)行規(guī)律的最主要參數(shù)，然而對(duì)球閥存在怎樣的影響尚不明確。該文針對(duì)工作壓力對(duì)球閥運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響展開研究。分別進(jìn)行無工作壓力、5 MPa、10 MPa、15 MPa和20 MPa工作壓力工況下的分析。提取進(jìn)出料閥升程、速度、閥隙流速和隔膜腔的腔內(nèi)壓力。從而研究閥的運(yùn)動(dòng)規(guī)律的變化，見表1。

由表1可以看出，在較低壓情況下，工作壓力的變化對(duì)表中的各個(gè)參數(shù)均沒有影響，只有當(dāng)工作壓力提高到一定程度之后，該模型15 MPa與20 MPa，閥升程和閥隙流速受到較大影響，曲線呈現(xiàn)較大波動(dòng)，但是即使在高壓情況下，球閥對(duì)閥座的沖擊速度也并未產(chǎn)生影響，腔內(nèi)最低負(fù)壓也并未產(chǎn)生變化。

3 分析結(jié)論

由該文的模擬分析可得到：在低工作壓力情況，工作壓力對(duì)閥隙流速并未有特別影響，但在高工作壓力情況下，工作壓力越大，閥隙流速越大;在低工作壓力情況，工作壓力對(duì)閥升程并未產(chǎn)生影響，但在高工作壓力情況下，工作壓力越大，閥升程較不穩(wěn)定，且閥升程越大;工作壓力對(duì)閥沖擊速度無明顯影響。通過相關(guān)研究，可以通過選擇適當(dāng)?shù)墓ぷ鲏毫?，針?duì)不同工作壓力針對(duì)性的優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，從而提高隔膜泵球閥的使用壽命。該文模擬了不同工作壓力下球閥的工作狀態(tài)，為球閥設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。該文設(shè)計(jì)出了適合球閥設(shè)計(jì)分析的仿真計(jì)算模型，通過不同工作壓力下的對(duì)比，得出球閥在不同參數(shù)影響下的運(yùn)行規(guī)律。

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