基于ADINA模拟隔膜泵氮气包气囊工作过

程武伟

摘 要：隔膜泵受结构特点影响，在工作过程中会造成进出料系统的流量和压力脉动。因此，隔膜泵采用进出料脉动虚弱系统来降低脉动影响，其中，氮气包是进出料补偿系统的核心部件，由氮气包壳体和橡胶气囊组成，通过气囊内的可压缩气体体积变化进行脉动补偿。而气囊的整个变形过程是影响其寿命的重要因素。因此，本文采用流固耦合的方法模拟气囊在充气以及承受工作压力过程的整个运动情况，确定橡胶隔膜的最大应力，以此确定隔膜是否满足寿命要求。

关键词：隔膜泵；橡胶气囊；流固耦合

中图分类号：TH32文 献标识码：A

0.前言

隔膜泵通过活塞的往复运动进行浆体的输送，受结构特点影响，其在工作过程中不可避免的造成进出料系统的流量和压力脉动，使泵体和相应的管道系统产生剧烈的振动，影响设备的运转及使用寿命。因此，隔膜泵采用进出料脉动虚弱系统来降低脉动影响，氮气包是进出料补偿系统的核心部件，由氮气包壳体和橡胶气囊组成，通过气囊内的可压缩气体体积变化进行脉动补偿。橡胶气囊的这种工作模式以及充气压力不合理等因素极易造成损坏。本文采用有限元分析软件ADINA对橡胶气囊进行流固耦合分析，从而得出设计的气囊在工作过程中的变形情况以及气囊的受力情况，评价橡胶气囊的安全性。

1.分析模型的建立

为了使橡胶气囊处于整个气囊的中间位置鼓动变形，气囊采用预凹陷式气囊结构。结构如图1所示。以此建立有限元分析模型，分析模型如图2所示，流场部分分为上下两部分，上部为氮气，底部为浆体，网格采用三角形。结构部分为橡胶气囊，将流场部分分离开，网格为四边形网格。整个仿真分析过程分为气囊预充压和气囊达到工作压力两个过程。

对此结构进行二维流固耦合仿真分析，由于气囊为凹陷式气囊，充气过程的实现具有较高难度。因此，充气过程采用在气囊上部增加一部分初始空间，然后压缩初始空间，使气囊向下膨胀，气囊充满整个氮气包空间，此时整个气囊结构稳定，然后在氮气包入口冲入流速，压缩氮气包气囊，以观察气囊的变形过程。本分析的充气压力并不是给定值，由压缩膨胀过程决定初始充气压力。

2.分析结果

对模型进行分析计算，分析结果如下所示。首先由初始状态压缩气囊上部气体部分，使气囊充满整个氮气包壳体，压缩后结果如图3所示，此时，气囊内压力为0.34MPa，即气囊的初始充气压力。从结构的分析结果可以看出，橡胶的最大应力为初始凹陷圆角处，最大应力为23.98MPa，橡胶气囊并未与氮气包壳体完全贴紧，由于此时氮气的压力较小，但在高压力情况下，气囊将完全贴紧，此时气囊将伸长，不利于气囊的受力。因此，此气囊结构需进行修改，即在充气完成后，气囊与壳体完全贴紧且无初始伸长。

由于认定0.34MPa为氮气包初始压力，因此，假设初始充气压力为0.65×工作压力，那么工作压力为0.52MPa。分析进入第二阶段，气囊入口不断冲入流体，流场的压力升高，气囊形状变化。当氮气压力到达0.52MPa时，此时气囊的状态如图4所示。从图4中可以看出，铁芯距氮气包入口并不远。但如果可以保证工作压力的稳定性，即充气压力始终为工作压力的65%左右，铁芯不会与氮气包入口碰撞，能够正常工作。

继续向氮气包内冲入流体，提高氮气包内的压力，橡胶气囊已经回到初始位置，如图5所示，此时压力达到1.55MPa，此时相当于初始充气压力为0.22×工作压力。

结论

通过分文研究可以得出，采用流固耦合的分析手段可以模拟隔膜泵氮气包橡胶气囊的工作状态，可以验证橡胶气囊的结构合理性及是否按照理想状态进行凹曲变形，并且通过此分析可以得出橡胶气囊在不同充气压力的工作状态，以此指导氮气包气囊的结构设计。

参考文献

[1]成大先.机械设计手册[D].北京：化学工业出版社，2007.