基于流固耦合研究工作压力对隔膜泵球阀运动规律的影响

摘  要：在隔膜泵中，泵阀是隔膜泵最主要的易损件，球阀作为泵阀的一种，在各种压力和流量等级的隔膜泵中有着越来越广泛的应用。目前，对于隔膜泵锥阀的研究已经有了比较完备的结论，可以进行指导设计，但是，关于隔膜泵用球阀的研究仍然较少。工作压力是隔膜泵设计过程中最为重要的参数之一，是由工艺系统决定的固定参数，因此需要根据不同的工作压力，有所区别地进行球阀的设计。该文采用流固耦合分析手段得出隔膜泵球阀的运动机理，对比隔膜泵不同工作压力对球阀运动机理的影响。

关键词：隔膜泵;工作压力;球阀;流固耦合

中图分类号：TH323                    文献标志码：A

0 引言

隔膜泵在矿山、化工、氧化铝等行业有着广泛应用。隔膜泵在各个行业应用中，工况各有不同，某些恶劣工况会给隔膜泵球阀的正常运动带来一定影响，进而会影响隔膜泵连续运转率。该文研究了三缸单作用隔膜泵不同的工作压力对球阀使用性能的影响，其技术手段是采用ADINA有限元分析软件对液力端流固耦合分析。

1 球阀流固耦合分析条件与模型建立

球阀是一种常用的单向阀，它的启闭件是一个球体，利用球体在导架内上升下降实现对流体的开启和关闭的目的。球阀在管道上主要用于切断、分配和改变介质流动方向。球阀不仅结构简单、密封性能好，而且在一定的公称通经范围内体积较小、重量轻、材料耗用少、安装尺寸小，并且易实现快速启闭，相比锥阀结构更简单。隔膜泵球阀按球阀的结构形式属于浮动球阀，属于隔膜泵产品中的易损件，因此研究球阀的工作规律，研究阀升程、速度、腔内压力等参数对隔膜泵使用可靠性有一定帮助。

以三缸单作用隔膜泵液力端其中一列为基础建立分析模型，由于模型是对称结构，该分析模型亦采用对称模型进行分析，从而降低分析计算量。模型如图1所示。其左侧为流场部分，右侧为结构部分，即进料阀与出料阀。由于隔膜只起到分离液压油与泵送浆体的作用，对球阀使用性能无直接影响，因此该模型将橡胶隔膜简化掉。其边界条件如下：流场部分的进料管口与出料管口添加压力边界，即泵的喂料压力与工作压力;油缸端面处按照泵的实际工作状态添加移动墙边界，模拟活塞运动，与泵阀结构部分相接处为流固耦合边界。泵阀结构部分按泵阀的设计参数进行限位。

该文采用ADINA专业软件进行流固耦合分析，分析模型结构如图1所示。球阀的三维流固耦合分析相比于锥阀的分析，最主要的难点为有限元分析模型的建立，由于球阀这种特殊的结构，使传统锥阀的网格剖分方法不能移植到这一分析上来，因此，分析模型的建立是球阀的分析的一项技术困难，经过多次反复的调整与测试，对分析模型进行合理的分组，建立出适合球阀分析的模型，可以较好地进行模拟，为球阀的分析奠定基础。

该分析以某型号双缸双作用隔膜泵液力端作为研究模型，冲次47，缸径180 mm，行程300 mm，通径90 mm，球径140 mm。球阀密度7 800 kg/m3，分析模型重力为9 800 N/t。建立分析模型如图1所示，分析模型为对称模型。

球阀在实际工作状态中为处于上下浮动自由旋转的状态，分析模型应该保持其实际的工作状态，但由于旋转自由度的影响，如使球阀保持旋转状态，计算将不能收敛。考虑到球阀工作过程中具有以下特性：

1）球阀升程不会太高。

2）起落周期时间很短，不会产生快速旋转。

因此在分析计算过程中屏蔽掉旋转自由度。这样既能保证计算的收敛，又对计算结果不会造成太大的影响。

该分析就工作压力的不同展开研究，研究不同压力参数對球阀工作状态的影响，以理解球阀在不同工作压力参数影响下其工作规律的变化，为球阀的设计提供帮助。

2 液力端流固耦合分析结果对比

工作压力是隔膜泵工作最为重要的参数之一，在锥阀的研究中，工作压力是影响隔膜泵泵阀运行规律的最主要参数，然而对球阀存在怎样的影响尚不明确。该文针对工作压力对球阀运动规律的影响展开研究。分别进行无工作压力、5 MPa、10 MPa、15 MPa和20 MPa工作压力工况下的分析。提取进出料阀升程、速度、阀隙流速和隔膜腔的腔内压力。从而研究阀的运动规律的变化，见表1。

由表1可以看出，在较低压情况下，工作压力的变化对表中的各个参数均没有影响，只有当工作压力提高到一定程度之后，该模型15 MPa与20 MPa，阀升程和阀隙流速受到较大影响，曲线呈现较大波动，但是即使在高压情况下，球阀对阀座的冲击速度也并未产生影响，腔内最低负压也并未产生变化。

3 分析结论

由该文的模拟分析可得到：在低工作压力情况，工作压力对阀隙流速并未有特别影响，但在高工作压力情况下，工作压力越大，阀隙流速越大;在低工作压力情况，工作压力对阀升程并未产生影响，但在高工作压力情况下，工作压力越大，阀升程较不稳定，且阀升程越大;工作压力对阀冲击速度无明显影响。通过相关研究，可以通过选择适当的工作压力，针对不同工作压力针对性的优化设计结构，从而提高隔膜泵球阀的使用寿命。该文模拟了不同工作压力下球阀的工作状态，为球阀设计奠定基础。该文设计出了适合球阀设计分析的仿真计算模型，通过不同工作压力下的对比，得出球阀在不同参数影响下的运行规律。

参考文献

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