基于流固耦合分析研究閥彈簧剛度對隔膜泵泵閥運動規律的影響

王政武

（中國有色（沈陽）泵業有限公司，遼寧 沈陽 110144）

1 前言

隔膜泵憑借其運輸能力大，效率高，地形適應性強，環境污染小，安全可靠等特點被更加廣泛的應用。目前正在運行的隔膜泵中，問題最為突出的就是隔膜泵泵閥的壽命問題。由于泵閥壽命不穩定，導致隔膜泵的連續運轉率無法保證，造成的巨大的直接與間接的經濟利益損失。本文針對影響泵閥壽命因素之一的閥彈簧剛度展開研究，采用有限元分析軟件ADINA進行隔膜泵液力端流固耦合分析，從而得出泵閥的運動規律。研究不同閥彈簧剛度對于泵閥運動規律的影響，通過調整閥彈簧剛度來減小泵閥的關閉速度，減小泵閥的沖擊力，從而達到提高泵閥壽命的目的。

2 流固耦合分析模型的建立

以三缸單作用隔膜泵液力端的其中一列為基礎建立分析模型，由于模型為對稱對稱結構，因此本分析模型采用對稱模型進行分析，從而降低分析計算量。模型如圖1所示。左側為流場部分，右側為結構部分，即進料閥與出料閥。由于隔膜只是起到分離液壓油與泵送漿體的作用，因此本模型將隔膜簡化掉。邊界條件如下：流場部分的進料管口與出料管口添加壓力邊界，即泵的喂料壓力與工作壓力；油缸端面處按照泵的實際工作狀態添加移動墻邊界，與結構部分相接處為流固耦合邊界。結構部分按泵閥的運動規律進行限位。改變閥彈簧的彈簧剛度分別進行計算，將分析結果進行對比。

圖1 分析模型

圖2 出料閥運動速度對比曲線

圖3 出料閥升程對比曲線

圖4 出料閥閥隙流速對比曲線

3 結果對比分析

在相同工作條件下，即相同工作壓力、喂料壓力以及相同的沖次。改變泵閥的彈簧剛度。分別為一倍、二倍與三倍彈簧剛度。提取計算結果進行對比，結果對比如下。

出料閥運動速度如圖2所示，當彈簧為一倍剛度時，出料閥與緊固導管和閥座的碰撞速度分別為1.12m/s和0.45m/s；當彈簧剛度調整為二倍時，兩速度分別為0.71m/s和0.36m/s；當彈簧剛度調整為三倍時，兩速度分別為0.29m/s和0.29m/s。由以上數據可以得出，隨著彈簧剛度的增大，出料閥對緊固導管與閥座的碰撞速度均減小。有利于提高泵出料閥的使用壽命。同樣，對比進料閥的運動速度可以得到相同的規律，即隨著彈簧剛度的增大，進料閥對于導管支架與閥座的碰撞速度均較小。

提高泵閥的閥彈簧剛度有利于降低泵閥對于閥座的碰撞速度。那么，提高彈簧剛度會不會對泵運行過程中其它參數產生影響？圖3為泵閥的升程對比曲線，可以看出，三種工況下，泵閥均能達到最大升程，且關閉時刻不變。但隨著彈簧剛度的提高，泵閥下落時間越來越早。極限思維考慮，如果繼續增大彈簧剛度，會出現泵閥無法達到升程的情況。

圖4為閥隙流速對比曲線，由圖中可以看出，三種工況下最大閥隙流速不變，但在泵閥下落過程中，閥隙流速隨著彈簧剛度的增大而增大。

結語

通過以上分析可以得出，通過改變泵閥的閥彈簧剛度可以改變泵閥對于緊固導管（導管支架）的碰撞速度，閥彈簧剛度越大，碰撞速度越小。但是，彈簧剛度不能過大，否則閥將無法達到最大升程，閥隙流速將增大，加強了漿體對于泵閥的沖蝕，影響泵閥的使用壽命。同時，改變閥彈簧的剛度，泵閥的最終關閉時間不變，不影響閥的正常關閉。因此，可以適當增加閥彈簧的剛度從而提高閥的使用壽命。

[1]成大先.機械設計手冊[D].北京：化學工業出版社， 2007.

[2]《往復泵設計》編寫組.往復泵設計[M].北京：機械工業出版社， 1987

[3]馬野，袁志丹，曹金鳳.ADINA有限元經典實例分析[M].機械工業出版社，2011.

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