張 偉

(中國(guó)有色(沈陽)泵業(yè)有限公司，遼寧 沈陽 110144)

0 前言

隔膜泵是一種往復(fù)式活塞正位移泵，主要用于輸送礦漿、尾礦漿、泥漿等固液兩相漿體，特別適合于輸送高濃度、腐蝕性和磨蝕性固液兩相漿體。隔膜泵適合輸送固液兩相漿體是由于隔膜將輸送礦漿和驅(qū)動(dòng)液壓油隔離開，避免了礦漿固體顆粒對(duì)活塞缸的磨損，提高了活塞缸的使用壽命?；钊椎氖褂脡勖h(yuǎn)大于隔膜使用壽命，因此隔膜使用壽命直接關(guān)系到隔膜泵連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)率指標(biāo)，進(jìn)而影響企業(yè)產(chǎn)能高低，隔膜使用壽命長(zhǎng)則隔膜泵連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)率高，企業(yè)產(chǎn)能高。反之，隔膜使用壽命短，隔膜泵需要頻繁停車，降低了隔膜泵連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)率，進(jìn)而導(dǎo)致企業(yè)產(chǎn)能可能達(dá)不到要求。

隔膜工作時(shí)，隔膜頭被隔膜腔和隔膜室蓋壓緊起密封作用，隔膜中部鐵芯與導(dǎo)桿連接，隔膜在導(dǎo)桿推動(dòng)下做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)礦漿吸入和排出。隔膜在工作過程中一側(cè)為高壓礦漿，另一側(cè)為高壓液壓油。隔膜的材質(zhì)為橡膠材料，柔軟易變形是其主要特點(diǎn)。隔膜泵在工作過程中隔膜與礦漿直接接觸并相互作用，隔膜極易發(fā)生扭曲變形，導(dǎo)致應(yīng)力集中，最終破裂，縮短了使用壽命，隨著隔膜泵輸送流量的增大，隔膜直徑也不斷增大，隔膜破裂事故更易發(fā)生，成為大型隔膜泵設(shè)計(jì)的一個(gè)技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。隔膜破壞的原因?yàn)椋?1)隔膜兩側(cè)液體壓差很大，壓力不平衡，造成隔膜瞬間撕裂；(2)若隔膜兩側(cè)液體壓差較小，使隔膜撓曲變形較大，隔膜內(nèi)應(yīng)力較大，隔膜更易發(fā)生疲勞破壞，降低了其疲勞壽命；(3)隔膜兩側(cè)壓差很小或近似為零，使隔膜兩側(cè)壓力基本平衡，但由于隔膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，例如30°隔膜、45°隔膜等結(jié)構(gòu)型式，造成隔膜在運(yùn)行過程中撓曲變形過大，導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力過大，降低隔膜的疲勞壽命。大直徑隔膜現(xiàn)場(chǎng)破裂事故圖見圖1。

圖1 隔膜破裂事故圖

針對(duì)上述引起隔膜破壞原因中第一條和第二條，隔膜泵廠家已采取了許多措施，盡量降低隔膜泵運(yùn)行過程中隔膜兩側(cè)壓差，維持隔膜兩側(cè)動(dòng)態(tài)壓力平衡，這些措施包括：(1)采用自動(dòng)補(bǔ)排油控制系統(tǒng)，自動(dòng)檢測(cè)油缸內(nèi)油壓，進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)排油，維持油缸內(nèi)壓力穩(wěn)定；(2)采用超壓保護(hù)系統(tǒng)，當(dāng)隔膜一側(cè)壓力超過許用值時(shí)，使隔膜泵直接斷電，避免隔膜破裂；(3)隔膜行程控制系統(tǒng)，自動(dòng)檢測(cè)隔膜運(yùn)動(dòng)位置，避免隔膜運(yùn)動(dòng)距離超出許用行程，保證隔膜不產(chǎn)生張力及附加內(nèi)應(yīng)力；(4)提高活塞滑動(dòng)密封圈的耐磨性，保證導(dǎo)桿運(yùn)動(dòng)過程中對(duì)中性，保證隔膜運(yùn)行平穩(wěn)。針對(duì)引起隔膜破壞原因中的第三條，可采用以下幾點(diǎn)措施提高隔膜使用壽命：(1)改善隔膜材質(zhì)，提高隔膜對(duì)礦漿固體顆粒的耐磨性，同時(shí)保證隔膜具有要求的強(qiáng)度和韌性；(2)針對(duì)不同的隔膜泵規(guī)格，選用不同規(guī)格的隔膜，并對(duì)隔膜直徑、偏斜角度、隔膜頭尺寸及鐵芯尺寸等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以減小隔膜工作過程中的撓曲變形量和應(yīng)力值，進(jìn)而提高隔膜的使用壽命。

本文正是針對(duì)引起隔膜破壞原因中第三條的第二點(diǎn)改善措施，即優(yōu)化隔膜尺寸以提高隔膜使用壽命。隔膜尺寸優(yōu)化的前提是準(zhǔn)確掌握隔膜工作過程中的變形和應(yīng)力狀態(tài)。本文就是針對(duì)如何確定隔膜在工作過程中的變形和應(yīng)力的方法進(jìn)行研究。由于隔膜工作環(huán)境惡劣，采用測(cè)試方法獲得隔膜運(yùn)行過程中的變形和應(yīng)力比較困難，即使能獲得相關(guān)數(shù)據(jù)，測(cè)試成本也相對(duì)較高，本文提出了一種實(shí)用、有效的隔膜運(yùn)動(dòng)過程數(shù)值模擬方法，能較為準(zhǔn)確的模擬隔膜泵運(yùn)行過程中隔膜的變形和應(yīng)力狀態(tài)。由于隔膜的變形是隔膜與礦漿、液壓油相互作用的結(jié)果，為了準(zhǔn)確模擬隔膜的變形狀態(tài)，兼顧到隔膜在工作過程中礦漿和液壓油對(duì)隔膜的作用、隔膜變形對(duì)礦漿和液壓油的作用、分析進(jìn)出料泵閥的開啟和關(guān)閉對(duì)隔膜變形影響，使分析工況接近隔膜泵運(yùn)行實(shí)際工況，保證隔膜變形和應(yīng)力求解結(jié)果更符合實(shí)際。相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者們對(duì)隔膜強(qiáng)度數(shù)值分析方法已有很多研究[1-4]，但這些研究主要側(cè)重于純隔膜固體的靜力學(xué)或隱式動(dòng)力學(xué)分析，未考慮流體對(duì)隔膜變形的影響。

本文隔膜變形和應(yīng)力分析問題是涉及材料幾何非線性和材料非線性的流固耦合分析問題，計(jì)算收斂難度大。由于ADINA軟件[3]在非線性流固耦合求解問題的計(jì)算精度和計(jì)算效率方面具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，深得同行專家的認(rèn)可。因此本文采用ADINA軟件進(jìn)行分析。

1 隔膜變形和應(yīng)力數(shù)值分析

1.1 分析模型

本文以某大型氧化鋁溶出隔膜泵(流量650 m3/h，工作壓力9 MPa)為研究對(duì)象，分析該隔膜泵運(yùn)行過程中隔膜的變形狀態(tài)。建立隔膜泵液力端流固耦合分析模型，流體部分包括：腔體內(nèi)液壓油，隔膜室內(nèi)礦漿，與隔膜室連接的進(jìn)出料閥內(nèi)礦漿；結(jié)構(gòu)部分包括：隔膜、鐵芯、進(jìn)出料錐閥。在ADINA中劃分流體和結(jié)構(gòu)部分網(wǎng)格，所有模型均采用六面體單元，網(wǎng)格尺寸不能太密，保證該流固耦合分析計(jì)算時(shí)間在可接受的范圍內(nèi)，由于模型對(duì)稱，采用1/2模型進(jìn)行分析，建立的隔膜流固耦合分析模型如圖2所示，其中左圖為流體模型，右圖為結(jié)構(gòu)模型。

模型相關(guān)參數(shù)如下：活塞缸徑430 mm，活塞行程520 mm，泵沖次36 r/min，隔膜直徑1 130 mm，隔膜偏斜角度30°，液壓油密度0.9×10-9t/mm3，液壓油體積模量1 600 MPa，礦漿密度1.5×10-9t/mm3，礦漿體積模量1 800 MPa。隔膜為橡膠材料，采用兩參數(shù)Mooney-Rivlin本構(gòu)模擬隔膜材料，鐵芯和進(jìn)出料閥材料為鐵。

圖2 隔膜泵液力端流固耦合分析模型

1.2 載荷及邊界條件

隔膜運(yùn)動(dòng)流固耦合分析的邊界條件如下：

(1)流體邊界條件：液壓油和漿體外表面建立流體墻，液壓油入口截面施加移動(dòng)墻，模擬活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，移動(dòng)墻位移函數(shù)近似為正弦函數(shù)，如圖3所示；隔膜和液壓油之間、隔膜和礦漿之間、進(jìn)料閥和礦漿之間、出料閥和礦漿之間分別建立流固耦合邊界條件[5]。

圖3 隔膜泵活塞運(yùn)動(dòng)位移曲線

(2)固體邊界條件：進(jìn)料閥與其上端剛性面之間建立接觸對(duì)，限制進(jìn)料閥升程，出料閥與其上端剛性面之間建立接觸對(duì)，限制出料閥升程；分別設(shè)置進(jìn)出料閥開啟和關(guān)閉條件；對(duì)隔膜頭施加全約束，約束鐵芯y方向和z方向位移，使鐵芯只能發(fā)生水平方向位移；約束進(jìn)出料閥x方向和z方向位移，使進(jìn)出料閥只能豎直上下運(yùn)動(dòng)；結(jié)構(gòu)部分對(duì)稱面施加對(duì)稱約束；隔膜和進(jìn)出料閥均施加重力。

1.3 計(jì)算結(jié)果

將建立的隔膜泵液力端流固耦合分析模型在ADINA軟件中，調(diào)用流固耦合求解模塊(FSI Analysis)進(jìn)行求解，模擬隔膜泵的液力端工作過程。分析時(shí)間為活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)一個(gè)周期，即一個(gè)推程和一個(gè)回程，獲得了隔膜在推程和回程階段的應(yīng)力云圖和變形云圖，提取了隔膜在推程和回程階段的最大應(yīng)力值和最大變形值，如圖4～圖6所示。

圖4 隔膜推程階段最大應(yīng)力云圖

圖5 隔膜回程階段出現(xiàn)上下不對(duì)稱翻轉(zhuǎn)及較大應(yīng)力

圖6 隔膜回程階段的最大應(yīng)力云圖

由于隔膜內(nèi)鐵芯的運(yùn)動(dòng)位移直接關(guān)系著隔膜腔內(nèi)腔形狀設(shè)計(jì)及隔膜行程控制系統(tǒng)中探頭位置的設(shè)定，是隔膜泵設(shè)計(jì)中較為關(guān)注的設(shè)計(jì)參數(shù)。傳統(tǒng)的方法是通過隔膜行程實(shí)驗(yàn)來確定某型號(hào)隔膜泵中隔膜鐵芯的運(yùn)動(dòng)位移，實(shí)驗(yàn)方法需要搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，制作實(shí)驗(yàn)工裝，實(shí)驗(yàn)過程耗時(shí)耗力，成本高，本文通過上述隔膜流固耦合分析方法，可直接獲得隔膜鐵芯的運(yùn)動(dòng)位移曲線，如圖7所示。

圖7 鐵芯位移隨時(shí)間變化曲線

2 結(jié)論

通過對(duì)隔膜泵(型號(hào)DGMB650/9)液力端整體流固耦合分析，較為準(zhǔn)確的模擬了該隔膜泵工作過程中隔膜的變形狀態(tài)和應(yīng)力狀態(tài)，獲得了隔膜變形和應(yīng)力結(jié)果，為隔膜泵隔膜結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。通過本文分析可初步得到如下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)提出了隔膜泵液力端流固耦合分析方法，該分析方法是以商業(yè)有限元軟件ADINA為平臺(tái)的涉及橡膠材料幾何大變形和材料非線性問題的流固耦合分析問題，計(jì)算收斂難度大，通過反復(fù)的模型修改、調(diào)試，基本掌握了該種分析的規(guī)律和方法，為今后其他型號(hào)隔膜的結(jié)構(gòu)定型分析打下良好的基礎(chǔ)。

(2)通過第1節(jié)分析結(jié)果可以看出，該隔膜在推程階段最大應(yīng)力為2.967 MPa，最大應(yīng)力出現(xiàn)位置是隔膜下邊緣，回程階段最大應(yīng)力為3.962 MPa，最大應(yīng)力出現(xiàn)位置也是隔膜下邊緣，隔膜應(yīng)力較小，說明隔膜兩側(cè)流體壓力處于平衡狀態(tài)，隔膜未發(fā)生由于兩側(cè)流體壓差導(dǎo)致的撓曲變形，計(jì)算結(jié)果較為符合實(shí)際，隔膜變形和應(yīng)力結(jié)果可為隔膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

隔膜最大應(yīng)力發(fā)生在隔膜邊緣位置，分析原因可能是隔膜回程過程中出現(xiàn)了隔膜邊緣的翻轉(zhuǎn)，會(huì)一定程度的拉扯隔膜頭部位，造成隔膜邊緣應(yīng)力的陡升，隔膜長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在隔膜邊緣位置更易發(fā)生疲勞失效，造成破裂。公司對(duì)以往客戶現(xiàn)場(chǎng)的故障隔膜發(fā)生破裂位置進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)大部分故障隔膜發(fā)生破裂的位置在隔膜邊緣處，與仿真方法預(yù)測(cè)的隔膜最易失效位置是吻合的，進(jìn)一步驗(yàn)證了仿真方法定性分析的正確性。

(3)通過對(duì)隔膜內(nèi)鐵芯位移結(jié)果分析可以看出，鐵芯并非隨著活塞的推進(jìn)而不斷向前運(yùn)動(dòng)，而是當(dāng)鐵芯達(dá)到一定位移時(shí)，活塞再向前推進(jìn)，鐵芯開始發(fā)生往復(fù)抖動(dòng)，從結(jié)果看出，鐵芯的最大位移并不是發(fā)生在活塞達(dá)到最大行程時(shí)刻，為進(jìn)一步掌握鐵芯抖動(dòng)對(duì)隔膜壽命的影響提供了有用數(shù)據(jù)。