基于ADINA模擬隔膜泵氮氣包氣囊工作過

程武偉

摘 要：隔膜泵受結構特點影響，在工作過程中會造成進出料系統的流量和壓力脈動。因此，隔膜泵采用進出料脈動虛弱系統來降低脈動影響，其中，氮氣包是進出料補償系統的核心部件，由氮氣包殼體和橡膠氣囊組成，通過氣囊內的可壓縮氣體體積變化進行脈動補償。而氣囊的整個變形過程是影響其壽命的重要因素。因此，本文采用流固耦合的方法模擬氣囊在充氣以及承受工作壓力過程的整個運動情況，確定橡膠隔膜的最大應力，以此確定隔膜是否滿足壽命要求。

關鍵詞：隔膜泵；橡膠氣囊；流固耦合

中圖分類號：TH32文 獻標識碼：A

0.前言

隔膜泵通過活塞的往復運動進行漿體的輸送，受結構特點影響，其在工作過程中不可避免的造成進出料系統的流量和壓力脈動，使泵體和相應的管道系統產生劇烈的振動，影響設備的運轉及使用壽命。因此，隔膜泵采用進出料脈動虛弱系統來降低脈動影響，氮氣包是進出料補償系統的核心部件，由氮氣包殼體和橡膠氣囊組成，通過氣囊內的可壓縮氣體體積變化進行脈動補償。橡膠氣囊的這種工作模式以及充氣壓力不合理等因素極易造成損壞。本文采用有限元分析軟件ADINA對橡膠氣囊進行流固耦合分析，從而得出設計的氣囊在工作過程中的變形情況以及氣囊的受力情況，評價橡膠氣囊的安全性。

1.分析模型的建立

為了使橡膠氣囊處于整個氣囊的中間位置鼓動變形，氣囊采用預凹陷式氣囊結構。結構如圖1所示。以此建立有限元分析模型，分析模型如圖2所示，流場部分分為上下兩部分，上部為氮氣，底部為漿體，網格采用三角形。結構部分為橡膠氣囊，將流場部分分離開，網格為四邊形網格。整個仿真分析過程分為氣囊預充壓和氣囊達到工作壓力兩個過程。

對此結構進行二維流固耦合仿真分析，由于氣囊為凹陷式氣囊，充氣過程的實現具有較高難度。因此，充氣過程采用在氣囊上部增加一部分初始空間，然后壓縮初始空間，使氣囊向下膨脹，氣囊充滿整個氮氣包空間，此時整個氣囊結構穩定，然后在氮氣包入口沖入流速，壓縮氮氣包氣囊，以觀察氣囊的變形過程。本分析的充氣壓力并不是給定值，由壓縮膨脹過程決定初始充氣壓力。

2.分析結果

對模型進行分析計算，分析結果如下所示。首先由初始狀態壓縮氣囊上部氣體部分，使氣囊充滿整個氮氣包殼體，壓縮后結果如圖3所示，此時，氣囊內壓力為0.34MPa，即氣囊的初始充氣壓力。從結構的分析結果可以看出，橡膠的最大應力為初始凹陷圓角處，最大應力為23.98MPa，橡膠氣囊并未與氮氣包殼體完全貼緊，由于此時氮氣的壓力較小，但在高壓力情況下，氣囊將完全貼緊，此時氣囊將伸長，不利于氣囊的受力。因此，此氣囊結構需進行修改，即在充氣完成后，氣囊與殼體完全貼緊且無初始伸長。

由于認定0.34MPa為氮氣包初始壓力，因此，假設初始充氣壓力為0.65×工作壓力，那么工作壓力為0.52MPa。分析進入第二階段，氣囊入口不斷沖入流體，流場的壓力升高，氣囊形狀變化。當氮氣壓力到達0.52MPa時，此時氣囊的狀態如圖4所示。從圖4中可以看出，鐵芯距氮氣包入口并不遠。但如果可以保證工作壓力的穩定性，即充氣壓力始終為工作壓力的65%左右，鐵芯不會與氮氣包入口碰撞，能夠正常工作。

繼續向氮氣包內沖入流體，提高氮氣包內的壓力，橡膠氣囊已經回到初始位置，如圖5所示，此時壓力達到1.55MPa，此時相當于初始充氣壓力為0.22×工作壓力。

結論

通過分文研究可以得出，采用流固耦合的分析手段可以模擬隔膜泵氮氣包橡膠氣囊的工作狀態，可以驗證橡膠氣囊的結構合理性及是否按照理想狀態進行凹曲變形，并且通過此分析可以得出橡膠氣囊在不同充氣壓力的工作狀態，以此指導氮氣包氣囊的結構設計。

參考文獻

[1]成大先.機械設計手冊[D].北京：化學工業出版社，2007.