基于流固耦合分析研究工作壓力對隔膜泵泵閥運動規律的影響

張　洋

（中國有色（沈陽）泵業有限公司，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律的影響

張洋

（中國有色（沈陽）泵業有限公司，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運轉率高低的主要因素。經過工業實踐發現，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計過程中最為重要的參數之一，由工藝系統決定的固定參數，因此，需根據不同的工作壓力對泵閥進行有區別地設計。本文采用流固耦合分析手段得出閥的運動機理，對比不同工作壓力對泵閥運動機理的影響，以此研究為基礎，針對不同工作壓力設計合理的泵閥結構，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范圍廣，效率高，地形適應性強，環境污染小，安全可靠等特點被更加廣泛地應用。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。由于泵閥壽命不穩定，導致隔膜泵的連續運轉率無法保證，造成巨大的直接與間接的經濟利益損失。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進行隔膜泵液力端流固耦合分析，從而得出泵閥的運動規律。研究不同工作壓力對于泵閥運動規律的影響，通過調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，以此對泵閥結構進行修改，從而達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建立分析模型，由于模型為對稱結構，因此本分析模型采用對稱模型進行分析，從而降低分析計算量。模型如圖1所示。左側為流場部分，右側為結構部分，即進料閥與出料閥。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添加移動墻邊界，模擬活塞的運動，與泵閥結構部分相接處為流固耦合邊界。泵閥結構部分按泵閥的設計參數進行限位。

2.結果對比分析

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。提取計算結果進行對比，結果對比如下。

出料閥運動速度如圖2所示，當工作壓力為6MPa時，出料閥與緊固導管和閥座的碰撞速度分別為1.04m/s和0.45m/s；當工作壓力為13MPa時，兩速度分別為1.15m/s和0.45m/s；當工作壓力為30MPa時，兩速度分別為1.26m/s和0.45m/s。由以上數據可以得出，隨著工作壓力的增大，出料閥對緊固導管的碰撞速度增大，對閥座的碰撞速度無影響。同樣，對比進料閥的運動速度可以得到相同的規律，即隨著工作壓力的增大，進料閥對于導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生影響，還會對泵閥的開啟與關閉產生影響。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，1.87s回程，當工作壓力為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。進料閥存在同樣的運動規律。

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，不會增強料漿對泵閥的沖蝕破壞。

結論

通過本研究可以得到以下結論。

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律以及隔膜泵液力端流場的相關參數，為隔膜泵的設計提供依據。

隨著工作壓力的增大，隔膜泵進出料閥與緊固導管/導管支架的碰撞速度增大，造成緊固導管/導管支架的碰撞破壞，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管/導管支架的使用壽命。

隨著工作壓力的增大，會增大隔膜泵進出料閥的開啟延遲。

工作壓力的增大，不會增強料漿對泵閥的沖蝕破壞。

［1］成大先.機械設計手冊［M］.北京：化學工業出版社，2007.

［2］《往復泵設計》編寫組.往復泵設計［M］.北京：機械工業出版社，1987.

［3］馬野，袁志丹，曹金鳳. ADINA有限元經典實例分析［M］.北京：機械工業出版社，2011.

［4］ ADINA Theory and Modeling Guide VolumeⅢ：ADINA CFD & FSI， June 2010，ADINA R&D， Inc.

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