隔膜泵橡胶隔膜和流体的流固耦合分析

张世义 周伟 符义红 陈平伟

摘 要：为了解决往复式隔膜泵橡胶隔膜易局部破裂或者损坏的问题，对隔膜泵的橡胶隔膜和流体进行流固耦合分析。建立橡胶隔膜三维模型，同时从隔膜泵模型中抽出流体模型，将流体模型加到橡胶隔膜上进行流固耦合分析，得到不同流体速度下的橡胶隔膜的位移变化和压力变化图。结果表明：在流体速度较小时，橡胶隔膜易破坏的区域集中在很小的区域，而且压力值相对较大;流体速度较大时橡胶隔膜易被破坏的区域集中在较大的区域，压力的最大值较小。

关键词：隔膜泵;橡胶隔膜;流体;流固耦合

隔膜泵的液压油和输送浆体被橡胶隔膜把隔离开来，使输送的浆体外漏较少，同时解决了浆体中的高腐蚀性、高磨砺性的颗粒性介质对隔膜泵体造成损坏[1]。橡胶隔膜使用寿命直接影响隔膜泵的性能和工作效率，而隔膜是在封闭的隔膜室内往复运动的，所以想要通过实验测试隔膜工作时的受力及变形状况不易实现。因此有必要采用有限元分析的方法對橡胶隔膜的工作过程进行流固耦合分析，研究隔膜工作时所受的压力及位移变化情况以指导隔膜的设计。目前，不考虑流体对隔膜作用的单纯隔膜结构件的有限元分析已有不少研究成果[2-3]，但对于考虑隔膜真实工作时候流体影响的流固耦合研究却较少[4-8]，孙婉婷[9]等分析了往复式液压隔膜泵系统流量脉动成因，在泵的排出管线上增加脉动缓冲装置，并在泵的介质吸入管线上增加吸入紊流装置，设计了往复式液压隔膜泵流量脉动消减系统;张洪生[10]等进行了隔膜泵液力端的动态数值模拟，从而为进一步研究隔膜泵的流体的特性提供一种方法，但是该研究对隔膜大变形特性考虑不足;舒绮伟[11]针对往复式液压隔膜泵的流体和压力脉动，分析了产生脉动的原因，运用峰值分散技术对减少流体脉动，这些研究没有考虑到橡胶隔膜和流体的耦合对橡胶隔膜破裂的影响。本文针对隔膜腔的隔膜工作过程，建立橡胶隔膜三维模型，同时从隔膜泵模型中抽出流体模型，将流体模型加到橡胶隔膜上进行流固耦合分析，得到不同速度下的橡胶隔膜的位移变化和压力变化。

1 隔膜泵相关模型

往复式矿浆液压隔膜泵采用橡胶隔膜将矿浆与液压油隔离开，通过活塞的往复运动，使隔膜发生周期性变形以完成矿浆的吸入和排出[12]。这种泵不仅可以避免矿浆的泄漏，而且将矿浆与活塞等运动部件相互隔离，避免了矿浆中的固体颗粒磨损活塞等运动部件，从而大幅度延长了泵的使用寿命，隔膜泵的结构如图1所示，橡胶隔膜结构如图2所示。

从隔膜泵中提取流体模型如图3所示，将流体模型加到橡胶隔膜上，得到橡胶隔膜的位移变化和压力变化。

2 橡胶隔膜流固耦合仿真结果及分析

隔膜泵中的橡胶隔膜的压力和位移变化分析中涉及了流固耦合、参数化动网格、湍流模型，因此计算量较大，为了便于计算，不考虑导杆对橡胶隔膜的作用，流体用水代替料浆，将流体模型加到橡胶隔膜上，考察不同流体速度下橡胶隔膜的应力变化和位移变化。

流体速度为0.1m/s时的位移变化和应力变化由图4、图5给出。

从图4和图5中可以看到，位移最大和应力最大的位置集中在橡胶隔膜中间的一小块区域，应力最大为3.9671Mpa。

流体速度为0.5m/s时的位移变化和应力变化由图6、图7给出。

从图6和图7中可以看到，位移最大和应力最大同样集中在橡胶隔膜中间的一小块区域，应力最大为18.278Mpa。

流体速度为2m/s时的位移变化和应力变化由图8、图9给出。

从图8和图9中可以看到，位移最大的位置不仅仅集中橡胶隔膜在一个小的区域，应力最大同样集中在橡胶隔膜中间的一小块区域，应力最大值为7.4538Mpa。

流体速度为5m/s时的位移变化和应力变化由图10、图11给出。

从图10和图11中可以看到，位移最大和应力最大集中不在集中在橡胶隔膜的一小块区域，应力最大为9.5521Mpa。

将流体不同速度下的橡胶隔膜的应力最大值提取出来，如图12所示。

从图12可以看出，流体速度在0.5m/s时，橡胶隔膜的最大应力比流体速度为5m/s时的最大应力反而较大，说明在流体速度较小时，橡胶隔膜易破坏的区域集中在很小的区域，而且压力值相对较大;流体速度较大时橡胶隔膜易被破坏的区域集中在较大的区域，压力的最大值较小。

在橡胶隔膜制造时，在流体速度较小时，需要考虑较小区域和较大的压力值;在流体速度较大时，需要考虑较大区域和较小的压力值。

3 结论

流体速度在0.5m/s时，橡胶隔膜的最大应力比流体速度为5m/s时的最大应力反而较大，说明在流体速度较小时，橡胶隔膜易破坏的区域集中在很小的区域，而且压力值相对较大;流体速度较大时橡胶隔膜易被破坏的区域集中在较大的区域，压力的最大值较小。

因此，隔膜腔隔膜三维流固耦合分析方法能充分反映隔膜运动过程中的变形、位移、受力情况，对于隔膜的形状尺寸设计以及橡胶隔膜的设计有一定的指导意义。

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