基于FloXpress的隔膜泵背壓閥設計計算

王小磊

(中國有色(沈陽)泵業有限公司，遼寧 沈陽 110144)

0 引言

在三缸單作用往復式活塞隔膜泵超壓保護系統中通常設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計壓力10%～20%的閥，背壓閥通常選用或設計為單向閥型式，卸荷閥采用液壓溢流閥或管道安全閥結構。背壓閥有球型閥和錐型閥結構，球型閥多應用于低壓工況隔膜泵，錐形閥多應用于大流量或高壓工況隔膜泵。在隔膜泵超壓保護系統中背壓閥的使用過程分為單獨應用和疊加應用兩種情況。背壓閥中流動介質通常為液壓油。在隔膜泵流量由幾十立增大到近千立每小時的發展過程驅動下，各背壓閥的配型也應隨泵流量、結構的增大，能保證液力端推進液在隔膜泵超壓時完成壓力釋放。SolidWorks FloXpress是一個流體力學應用程序，可計算流體是如何穿過零件或裝配體模型的。根據算出的速度場，可以找到設計中有問題的區域，以及在制造零件之前對零件進行改進。SolidWorks FloXpress做為第一關定性流量分析工具，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行比較分析。

2.1 背壓閥為1/2閥行程開啟

根據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)設定閉合單一內部型腔的模型邊界；(5)求解模型。設定結果解決方案和分析模型；(6)查看結果。查看分析結果和生成報告。

按照以上原則，首先對進、出口端進行封堵處理；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)，當背壓閥為1/2閥行程開啟時FloXpress運行結果流速趨勢如圖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

當閥處于全行程開啟狀態時，按照1/2閥行程開啟時的相同方法對全開狀態進行計算，計算結果如圖3閥全行程開啟流速趨勢計算結果所示，可以得出其流速在過流通道內相對均勻。

圖3 閥全行程開啟流速趨勢

將以上兩次計算結果合并圖示，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，根據最大流速發生位置，可以確定背壓閥的最大受力點，進而可對閥芯乃至整個閥進行有限元強度分析。

3 強度分析計算

強度分析按照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是隔膜泵發生超壓即背壓閥開啟，背壓閥內部的所有構成零件均承受24 MPa壓力。

DN50背壓閥采用裝配體結構進行強度分析，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。網格劃分需要保證接觸面的網格尺寸一致，并適當細化，整體網格尺寸為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，并設置摩擦系數為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中進行靜力學分析，獲得了該背壓閥在工況1時的應力云圖，如圖7所示[4]。

3.2 工況2計算

工況2是發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作用，受力平衡，認為閥芯本身應力很小，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表面施加24 MPa壓強。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情況下背壓閥的應力云圖，如圖9工況2背壓閥應力云圖所示[4]。

通過對DN50背壓閥靜力學分析可得出：DN50背壓閥在工況1和工況2中最大應力位置均在閥蓋上端過流孔交界面處，最大應力值為186.432 MPa，安全系數為σs/σmax=550 MPa/186.432 MPa=2.96≥2，從計算結果初步認為DN50背壓閥滿足強度使用要求。DN50背壓閥閥座最大應力為101.27 MPa，閥芯最大應力為114.72 MPa，應力均遠小于材料屈服極限，強度均滿足使用要求。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，從經驗判斷其應力較小，在計算模型中不予考慮。

由于隔膜泵超壓工況發生頻率小，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度，不需校核疲勞強度。

圖9 工況2背壓閥應力云圖

4 結論

背壓閥是隔膜泵超壓保護系統的關鍵零部件之一，其密封性能對隔膜泵的補排油有很大影響，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生連通現象，從而使泵的補排油發生異常，進而能影響到泵的正常運行。

采用FloXpress對背壓閥進行流體分析計算，不但得出了閥內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生的位置，通過最大流速數值，結合前述已知條件可以計算出在最大流速時閥的最大流量，進而可以將閥合理地匹配到隔膜泵超壓保護系統中進行使用。

通過計算不同壓力下背壓閥流速數值和流速數值比較，可以初步確定背壓閥在隔膜泵中的使用條件及應用范圍。參考FloXpress計算結論中最大流速發生位置，結合ADINA有限元分析，在背壓閥材料允許的強度范圍內，可以進一步對閥結構及超壓保護系統中相關零部件進行設計優化與修正，得出符合強度要求、經濟性好的背壓閥結構模型和超壓保護系統。