高压隔膜泵液力端流固耦合分析

张洋

摘 要：随着工业技术的不断发展，隔膜泵应用领域对于隔膜泵的要求也越来越高，流量不断增大，压力越来越高。工作压力的提升给隔膜泵液力端带来一系列的不利影响，影响隔膜泵的运动规律，影响隔膜泵的容积效率，影响泵阀的运动规律等，本文采用流固耦合的分析方法，对隔膜泵液力端进行模拟分析，对比不同工作压力对隔膜泵液力端关键部件及参数的影响，识别高压隔膜泵的设计风险。

关键词：隔膜泵；流固耦合；橡胶隔膜；工作压力

中图分类号：TH323 文献标识码：A

0.前言

隔膜泵凭借其运输能力大，效率高，地形适应性强，环境污染小，安全可靠等特点被更加广泛的应用。随着工业技术的不断发展，隔膜泵应用领域对于隔膜泵的要求也越来越高，流量不断增大，工作压力越来越高。目前，过高的工作压力会给隔膜泵带来怎样的影响并不了解，包括对隔膜的影响、对隔膜泵的容积效率以及泵阀的运动规律的影响。因此，本文采用有限元分析软件ADINA针对隔膜泵液力端进行三维流固耦合分析，研究不同压力对于橡胶隔膜、泵阀运动规律以及隔膜泵的容积效率的影响，识别高压隔膜泵的设计风险，为高压隔膜泵的研发奠定基础。

1.隔膜泵液力端流固耦合分析

1.1 仿真分析模型的建立

本分析采用直通进料阀整体结构设计，分析模型如图1所示，液力端移动墙通过函数控制模拟活塞的往复运动，在出料口添加压力边界。结构部分包括进出料阀与隔膜，进出料阀设有阀弹簧，升程为15mm。

1.2 流固耦合分析结果

本分析针对采用对比分析解决相关问题，分别对0MPa、10MPa、20MPa、35MPa工作压力工况进行分析，分别提取各工况下铁芯的位移、隔膜的位移、隔膜的应力以及进出料阀的升程曲线，对比压力的变化对隔膜与阀的影响。

1.2.1工作压力对隔膜的影响

图2为铁芯的位移曲线，得到隔膜达到最大进程时铁芯的最大位移，4种不同工作压力下铁芯的最大位移分别为25.05mm、24.79mm、24.62mm和24.46mm。随着压力的升高，铁芯的最大位移逐渐略微减小，但影响很小。随着压力的升高隔膜的位移也逐渐微弱减小。究其原因是因为工作压力的升高，油缸内流体受压后体积减小，推动隔膜的位移因此降低。对比不同压力下隔膜的应力，各压力等级下的隔膜应力相差无几，如图3所示。

1.2.2工作压力对泵阀升程的影响

图4为不同工作压力下的阀升程曲线，各压力等级下的出料阀最大升程分别为10.82mm、10.70mm、10.70mm和10.73mm，可以得出在不同压力下阀的最大升程基本没有差距。可以得出工作压力对阀最大升程基本没有影响。但从图中可以看出随着压力的升高，在阀的初始开启阶段会出现升程下降再抬升的过程，造成这一现象的原因是由于压力升高后在阀开启阶段，产生高阀隙流速，使阀产生高加速度，使阀向上冲，但之后又没有足够的阀隙流速支持阀的这一升程高度，阀升程又下降一段。

阀最大升程相同，但是阀开启时间不同，假设无工作压力出料阀开启时间为0，10MPa、20MPa和35MPa下的出料阀的开启时间分别为0.06s、0.085s和0.105s，对应的活塞前进距离分别为4.82mm、9.65mm和16.88mm。即随着工作压力越大，阀开启延迟越大，隔膜泵的容积效率越低，如图4所示。

将工作压力与阀开启时活塞推动的距离画成一条曲线，如图5所示，可以看出其呈线性规律分布。那工作压力为35MPa，则阀开启时活塞推动的距离为16.88mm，隔膜泵的行程为220mm，则理论容积效率可以认为为92%。

结论

通过以上研究表明，在隔膜泵工作压力增大的情况下，橡胶隔膜仍处于压力平衡状态下工作，对橡胶隔膜的工作状态基本无影响，即不影响橡胶隔膜的运动规律；随着工作压力的升高，泵阀的开启延迟增加，且会出现泵阀升程的波动情况，但总体对泵阀的工作状态未产生過大的影响；工作压力升高将降低隔膜泵的容积效率，且容积效率的降低与工作压力基本呈线性变化。

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.

[2]《往复泵设计》编写组.往复泵设计[M].北京：机械工业出版社， 1987.

[3]马野，袁志丹，曹金凤.ADINA有限元经典实例分析[M].机械工业出版社，2011.

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