基于流固耦合研究工作壓力對隔膜泵球閥運動規律的影響

摘? 要：在隔膜泵中，泵閥是隔膜泵最主要的易損件，球閥作為泵閥的一種，在各種壓力和流量等級的隔膜泵中有著越來越廣泛的應用。目前，對于隔膜泵錐閥的研究已經有了比較完備的結論，可以進行指導設計，但是，關于隔膜泵用球閥的研究仍然較少。工作壓力是隔膜泵設計過程中最為重要的參數之一，是由工藝系統決定的固定參數，因此需要根據不同的工作壓力，有所區別地進行球閥的設計。該文采用流固耦合分析手段得出隔膜泵球閥的運動機理，對比隔膜泵不同工作壓力對球閥運動機理的影響。

關鍵詞：隔膜泵;工作壓力;球閥;流固耦合

中圖分類號：TH323? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

隔膜泵在礦山、化工、氧化鋁等行業有著廣泛應用。隔膜泵在各個行業應用中，工況各有不同，某些惡劣工況會給隔膜泵球閥的正常運動帶來一定影響，進而會影響隔膜泵連續運轉率。該文研究了三缸單作用隔膜泵不同的工作壓力對球閥使用性能的影響，其技術手段是采用ADINA有限元分析軟件對液力端流固耦合分析。

1 球閥流固耦合分析條件與模型建立

球閥是一種常用的單向閥，它的啟閉件是一個球體，利用球體在導架內上升下降實現對流體的開啟和關閉的目的。球閥在管道上主要用于切斷、分配和改變介質流動方向。球閥不僅結構簡單、密封性能好，而且在一定的公稱通經范圍內體積較小、重量輕、材料耗用少、安裝尺寸小，并且易實現快速啟閉，相比錐閥結構更簡單。隔膜泵球閥按球閥的結構形式屬于浮動球閥，屬于隔膜泵產品中的易損件，因此研究球閥的工作規律，研究閥升程、速度、腔內壓力等參數對隔膜泵使用可靠性有一定幫助。

以三缸單作用隔膜泵液力端其中一列為基礎建立分析模型，由于模型是對稱結構，該分析模型亦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。其左側為流場部分，右側為結構部分，即進料閥與出料閥。由于隔膜只起到分離液壓油與泵送漿體的作用，對球閥使用性能無直接影響，因此該模型將橡膠隔膜簡化掉。其邊界條件如下：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，模擬活塞運動，與泵閥結構部分相接處為流固耦合邊界。泵閥結構部分按泵閥的設計參數進行限位。

該文采用ADINA專業軟件進行流固耦合分析，分析模型結構如圖1所示。球閥的三維流固耦合分析相比于錐閥的分析，最主要的難點為有限元分析模型的建立，由于球閥這種特殊的結構，使傳統錐閥的網格剖分方法不能移植到這一分析上來，因此，分析模型的建立是球閥的分析的一項技術困難，經過多次反復的調整與測試，對分析模型進行合理的分組，建立出適合球閥分析的模型，可以較好地進行模擬，為球閥的分析奠定基礎。

該分析以某型號雙缸雙作用隔膜泵液力端作為研究模型，沖次47，缸徑180 mm，行程300 mm，通徑90 mm，球徑140 mm。球閥密度7 800 kg/m3，分析模型重力為9 800 N/t。建立分析模型如圖1所示，分析模型為對稱模型。

球閥在實際工作狀態中為處于上下浮動自由旋轉的狀態，分析模型應該保持其實際的工作狀態，但由于旋轉自由度的影響，如使球閥保持旋轉狀態，計算將不能收斂。考慮到球閥工作過程中具有以下特性：

1）球閥升程不會太高。

2）起落周期時間很短，不會產生快速旋轉。

因此在分析計算過程中屏蔽掉旋轉自由度。這樣既能保證計算的收斂，又對計算結果不會造成太大的影響。

該分析就工作壓力的不同展開研究，研究不同壓力參數對球閥工作狀態的影響，以理解球閥在不同工作壓力參數影響下其工作規律的變化，為球閥的設計提供幫助。

2 液力端流固耦合分析結果對比

工作壓力是隔膜泵工作最為重要的參數之一，在錐閥的研究中，工作壓力是影響隔膜泵泵閥運行規律的最主要參數，然而對球閥存在怎樣的影響尚不明確。該文針對工作壓力對球閥運動規律的影響展開研究。分別進行無工作壓力、5 MPa、10 MPa、15 MPa和20 MPa工作壓力工況下的分析。提取進出料閥升程、速度、閥隙流速和隔膜腔的腔內壓力。從而研究閥的運動規律的變化，見表1。

由表1可以看出，在較低壓情況下，工作壓力的變化對表中的各個參數均沒有影響，只有當工作壓力提高到一定程度之后，該模型15 MPa與20 MPa，閥升程和閥隙流速受到較大影響，曲線呈現較大波動，但是即使在高壓情況下，球閥對閥座的沖擊速度也并未產生影響，腔內最低負壓也并未產生變化。

3 分析結論

由該文的模擬分析可得到：在低工作壓力情況，工作壓力對閥隙流速并未有特別影響，但在高工作壓力情況下，工作壓力越大，閥隙流速越大;在低工作壓力情況，工作壓力對閥升程并未產生影響，但在高工作壓力情況下，工作壓力越大，閥升程較不穩定，且閥升程越大;工作壓力對閥沖擊速度無明顯影響。通過相關研究，可以通過選擇適當的工作壓力，針對不同工作壓力針對性的優化設計結構，從而提高隔膜泵球閥的使用壽命。該文模擬了不同工作壓力下球閥的工作狀態，為球閥設計奠定基礎。該文設計出了適合球閥設計分析的仿真計算模型，通過不同工作壓力下的對比，得出球閥在不同參數影響下的運行規律。

參考文獻

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