程武偉

摘 要：隔膜泵受結(jié)構(gòu)特點(diǎn)影響，在工作過(guò)程中會(huì)造成進(jìn)出料系統(tǒng)的流量和壓力脈動(dòng)。因此，隔膜泵采用進(jìn)出料脈動(dòng)虛弱系統(tǒng)來(lái)降低脈動(dòng)影響，其中，氮?dú)獍沁M(jìn)出料補(bǔ)償系統(tǒng)的核心部件，由氮?dú)獍鼩んw和橡膠氣囊組成，通過(guò)氣囊內(nèi)的可壓縮氣體體積變化進(jìn)行脈動(dòng)補(bǔ)償。而氣囊的整個(gè)變形過(guò)程是影響其壽命的重要因素。因此，本文采用流固耦合的方法模擬氣囊在充氣以及承受工作壓力過(guò)程的整個(gè)運(yùn)動(dòng)情況，確定橡膠隔膜的最大應(yīng)力，以此確定隔膜是否滿足壽命要求。

關(guān)鍵詞：隔膜泵；橡膠氣囊；流固耦合

中圖分類號(hào)：TH32文 獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0.前言

隔膜泵通過(guò)活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行漿體的輸送，受結(jié)構(gòu)特點(diǎn)影響，其在工作過(guò)程中不可避免的造成進(jìn)出料系統(tǒng)的流量和壓力脈動(dòng)，使泵體和相應(yīng)的管道系統(tǒng)產(chǎn)生劇烈的振動(dòng)，影響設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)及使用壽命。因此，隔膜泵采用進(jìn)出料脈動(dòng)虛弱系統(tǒng)來(lái)降低脈動(dòng)影響，氮?dú)獍沁M(jìn)出料補(bǔ)償系統(tǒng)的核心部件，由氮?dú)獍鼩んw和橡膠氣囊組成，通過(guò)氣囊內(nèi)的可壓縮氣體體積變化進(jìn)行脈動(dòng)補(bǔ)償。橡膠氣囊的這種工作模式以及充氣壓力不合理等因素極易造成損壞。本文采用有限元分析軟件ADINA對(duì)橡膠氣囊進(jìn)行流固耦合分析，從而得出設(shè)計(jì)的氣囊在工作過(guò)程中的變形情況以及氣囊的受力情況，評(píng)價(jià)橡膠氣囊的安全性。

1.分析模型的建立

為了使橡膠氣囊處于整個(gè)氣囊的中間位置鼓動(dòng)變形，氣囊采用預(yù)凹陷式氣囊結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)如圖1所示。以此建立有限元分析模型，分析模型如圖2所示，流場(chǎng)部分分為上下兩部分，上部為氮?dú)猓撞繛闈{體，網(wǎng)格采用三角形。結(jié)構(gòu)部分為橡膠氣囊，將流場(chǎng)部分分離開(kāi)，網(wǎng)格為四邊形網(wǎng)格。整個(gè)仿真分析過(guò)程分為氣囊預(yù)充壓和氣囊達(dá)到工作壓力兩個(gè)過(guò)程。

對(duì)此結(jié)構(gòu)進(jìn)行二維流固耦合仿真分析，由于氣囊為凹陷式氣囊，充氣過(guò)程的實(shí)現(xiàn)具有較高難度。因此，充氣過(guò)程采用在氣囊上部增加一部分初始空間，然后壓縮初始空間，使氣囊向下膨脹，氣囊充滿整個(gè)氮?dú)獍臻g，此時(shí)整個(gè)氣囊結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，然后在氮?dú)獍肟跊_入流速，壓縮氮?dú)獍鼩饽遥杂^察氣囊的變形過(guò)程。本分析的充氣壓力并不是給定值，由壓縮膨脹過(guò)程決定初始充氣壓力。

2.分析結(jié)果

對(duì)模型進(jìn)行分析計(jì)算，分析結(jié)果如下所示。首先由初始狀態(tài)壓縮氣囊上部氣體部分，使氣囊充滿整個(gè)氮?dú)獍鼩んw，壓縮后結(jié)果如圖3所示，此時(shí)，氣囊內(nèi)壓力為0.34MPa，即氣囊的初始充氣壓力。從結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果可以看出，橡膠的最大應(yīng)力為初始凹陷圓角處，最大應(yīng)力為23.98MPa，橡膠氣囊并未與氮?dú)獍鼩んw完全貼緊，由于此時(shí)氮?dú)獾膲毫^小，但在高壓力情況下，氣囊將完全貼緊，此時(shí)氣囊將伸長(zhǎng)，不利于氣囊的受力。因此，此氣囊結(jié)構(gòu)需進(jìn)行修改，即在充氣完成后，氣囊與殼體完全貼緊且無(wú)初始伸長(zhǎng)。

由于認(rèn)定0.34MPa為氮?dú)獍跏級(jí)毫?，因此，假設(shè)初始充氣壓力為0.65×工作壓力，那么工作壓力為0.52MPa。分析進(jìn)入第二階段，氣囊入口不斷沖入流體，流場(chǎng)的壓力升高，氣囊形狀變化。當(dāng)?shù)獨(dú)鈮毫Φ竭_(dá)0.52MPa時(shí)，此時(shí)氣囊的狀態(tài)如圖4所示。從圖4中可以看出，鐵芯距氮?dú)獍肟诓⒉贿h(yuǎn)。但如果可以保證工作壓力的穩(wěn)定性，即充氣壓力始終為工作壓力的65%左右，鐵芯不會(huì)與氮?dú)獍肟谂鲎?，能夠正常工作?/p>

繼續(xù)向氮?dú)獍鼉?nèi)沖入流體，提高氮?dú)獍鼉?nèi)的壓力，橡膠氣囊已經(jīng)回到初始位置，如圖5所示，此時(shí)壓力達(dá)到1.55MPa，此時(shí)相當(dāng)于初始充氣壓力為0.22×工作壓力。

結(jié)論

通過(guò)分文研究可以得出，采用流固耦合的分析手段可以模擬隔膜泵氮?dú)獍鹉z氣囊的工作狀態(tài)，可以驗(yàn)證橡膠氣囊的結(jié)構(gòu)合理性及是否按照理想狀態(tài)進(jìn)行凹曲變形，并且通過(guò)此分析可以得出橡膠氣囊在不同充氣壓力的工作狀態(tài)，以此指導(dǎo)氮?dú)獍鼩饽业慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)

[1]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[D].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.