張世義 周偉 符義紅 陳平偉

摘 要：為了解決往復(fù)式隔膜泵橡膠隔膜易局部破裂或者損壞的問(wèn)題，對(duì)隔膜泵的橡膠隔膜和流體進(jìn)行流固耦合分析。建立橡膠隔膜三維模型，同時(shí)從隔膜泵模型中抽出流體模型，將流體模型加到橡膠隔膜上進(jìn)行流固耦合分析，得到不同流體速度下的橡膠隔膜的位移變化和壓力變化圖。結(jié)果表明：在流體速度較小時(shí)，橡膠隔膜易破壞的區(qū)域集中在很小的區(qū)域，而且壓力值相對(duì)較大;流體速度較大時(shí)橡膠隔膜易被破壞的區(qū)域集中在較大的區(qū)域，壓力的最大值較小。

關(guān)鍵詞：隔膜泵;橡膠隔膜;流體;流固耦合

隔膜泵的液壓油和輸送漿體被橡膠隔膜把隔離開(kāi)來(lái)，使輸送的漿體外漏較少，同時(shí)解決了漿體中的高腐蝕性、高磨礪性的顆粒性介質(zhì)對(duì)隔膜泵體造成損壞[1]。橡膠隔膜使用壽命直接影響隔膜泵的性能和工作效率，而隔膜是在封閉的隔膜室內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的，所以想要通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試隔膜工作時(shí)的受力及變形狀況不易實(shí)現(xiàn)。因此有必要采用有限元分析的方法對(duì)橡膠隔膜的工作過(guò)程進(jìn)行流固耦合分析，研究隔膜工作時(shí)所受的壓力及位移變化情況以指導(dǎo)隔膜的設(shè)計(jì)。目前，不考慮流體對(duì)隔膜作用的單純隔膜結(jié)構(gòu)件的有限元分析已有不少研究成果[2-3]，但對(duì)于考慮隔膜真實(shí)工作時(shí)候流體影響的流固耦合研究卻較少[4-8]，孫婉婷[9]等分析了往復(fù)式液壓隔膜泵系統(tǒng)流量脈動(dòng)成因，在泵的排出管線上增加脈動(dòng)緩沖裝置，并在泵的介質(zhì)吸入管線上增加吸入紊流裝置，設(shè)計(jì)了往復(fù)式液壓隔膜泵流量脈動(dòng)消減系統(tǒng);張洪生[10]等進(jìn)行了隔膜泵液力端的動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬，從而為進(jìn)一步研究隔膜泵的流體的特性提供一種方法，但是該研究對(duì)隔膜大變形特性考慮不足;舒綺偉[11]針對(duì)往復(fù)式液壓隔膜泵的流體和壓力脈動(dòng)，分析了產(chǎn)生脈動(dòng)的原因，運(yùn)用峰值分散技術(shù)對(duì)減少流體脈動(dòng)，這些研究沒(méi)有考慮到橡膠隔膜和流體的耦合對(duì)橡膠隔膜破裂的影響。本文針對(duì)隔膜腔的隔膜工作過(guò)程，建立橡膠隔膜三維模型，同時(shí)從隔膜泵模型中抽出流體模型，將流體模型加到橡膠隔膜上進(jìn)行流固耦合分析，得到不同速度下的橡膠隔膜的位移變化和壓力變化。

1 隔膜泵相關(guān)模型

往復(fù)式礦漿液壓隔膜泵采用橡膠隔膜將礦漿與液壓油隔離開(kāi)，通過(guò)活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使隔膜發(fā)生周期性變形以完成礦漿的吸入和排出[12]。這種泵不僅可以避免礦漿的泄漏，而且將礦漿與活塞等運(yùn)動(dòng)部件相互隔離，避免了礦漿中的固體顆粒磨損活塞等運(yùn)動(dòng)部件，從而大幅度延長(zhǎng)了泵的使用壽命，隔膜泵的結(jié)構(gòu)如圖1所示，橡膠隔膜結(jié)構(gòu)如圖2所示。

從隔膜泵中提取流體模型如圖3所示，將流體模型加到橡膠隔膜上，得到橡膠隔膜的位移變化和壓力變化。

2 橡膠隔膜流固耦合仿真結(jié)果及分析

隔膜泵中的橡膠隔膜的壓力和位移變化分析中涉及了流固耦合、參數(shù)化動(dòng)網(wǎng)格、湍流模型，因此計(jì)算量較大，為了便于計(jì)算，不考慮導(dǎo)桿對(duì)橡膠隔膜的作用，流體用水代替料漿，將流體模型加到橡膠隔膜上，考察不同流體速度下橡膠隔膜的應(yīng)力變化和位移變化。

流體速度為0.1m/s時(shí)的位移變化和應(yīng)力變化由圖4、圖5給出。

從圖4和圖5中可以看到，位移最大和應(yīng)力最大的位置集中在橡膠隔膜中間的一小塊區(qū)域，應(yīng)力最大為3.9671Mpa。

流體速度為0.5m/s時(shí)的位移變化和應(yīng)力變化由圖6、圖7給出。

從圖6和圖7中可以看到，位移最大和應(yīng)力最大同樣集中在橡膠隔膜中間的一小塊區(qū)域，應(yīng)力最大為18.278Mpa。

流體速度為2m/s時(shí)的位移變化和應(yīng)力變化由圖8、圖9給出。

從圖8和圖9中可以看到，位移最大的位置不僅僅集中橡膠隔膜在一個(gè)小的區(qū)域，應(yīng)力最大同樣集中在橡膠隔膜中間的一小塊區(qū)域，應(yīng)力最大值為7.4538Mpa。

流體速度為5m/s時(shí)的位移變化和應(yīng)力變化由圖10、圖11給出。

從圖10和圖11中可以看到，位移最大和應(yīng)力最大集中不在集中在橡膠隔膜的一小塊區(qū)域，應(yīng)力最大為9.5521Mpa。

將流體不同速度下的橡膠隔膜的應(yīng)力最大值提取出來(lái)，如圖12所示。

從圖12可以看出，流體速度在0.5m/s時(shí)，橡膠隔膜的最大應(yīng)力比流體速度為5m/s時(shí)的最大應(yīng)力反而較大，說(shuō)明在流體速度較小時(shí)，橡膠隔膜易破壞的區(qū)域集中在很小的區(qū)域，而且壓力值相對(duì)較大;流體速度較大時(shí)橡膠隔膜易被破壞的區(qū)域集中在較大的區(qū)域，壓力的最大值較小。

在橡膠隔膜制造時(shí)，在流體速度較小時(shí)，需要考慮較小區(qū)域和較大的壓力值;在流體速度較大時(shí)，需要考慮較大區(qū)域和較小的壓力值。

3 結(jié)論

流體速度在0.5m/s時(shí)，橡膠隔膜的最大應(yīng)力比流體速度為5m/s時(shí)的最大應(yīng)力反而較大，說(shuō)明在流體速度較小時(shí)，橡膠隔膜易破壞的區(qū)域集中在很小的區(qū)域，而且壓力值相對(duì)較大;流體速度較大時(shí)橡膠隔膜易被破壞的區(qū)域集中在較大的區(qū)域，壓力的最大值較小。

因此，隔膜腔隔膜三維流固耦合分析方法能充分反映隔膜運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的變形、位移、受力情況，對(duì)于隔膜的形狀尺寸設(shè)計(jì)以及橡膠隔膜的設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]印嘉，吳建德，王曉東，范玉剛，黃國(guó)勇.基于小波包能量譜的往復(fù)式隔膜泵故障診斷研究[J].傳感器與微系統(tǒng)，2012，31（10）：45-47+50.

[2]鄧?guó)櫽ⅲ瑥埳?，鄭英?環(huán)狀U型隔膜應(yīng)力分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2012，30（05）：578-582.

[3]凌學(xué)勤，張偉.大型隔膜泵橡膠隔膜的有限元分析[J].中國(guó)機(jī)械工程，2011，22（15）：1819-1822.

[4]王國(guó)權(quán)，劉萌，姚艷春，姜立嫚，段衛(wèi)潔.不同本構(gòu)模型對(duì)橡膠制品有限元法適應(yīng)性研究[J].力學(xué)與實(shí)踐，2013，35（04）：40-47.

[5]芮驥才，謝榮建，王仕越.隔膜泵驅(qū)動(dòng)兩相流體散熱回路實(shí)驗(yàn)研究[J].低溫與超導(dǎo)，2018，46（07）：7-12.

[6]Giovanni A.Longo，Simone Mancin.Flow dynamic and energetic assessment of a commercial micro-pump for a portable/wearable artificial kidney： Peristaltic vs.diaphragm pumps[J].International Journal of Mechanical Sciences，2017：31-36.

[7]Yuxin Yang，Hongguang Zhang，Yonghong Xu.Experimental study and performance analysis of a hydraulic diaphragm metering pump used in organic Rankine cycle system[J].Applied Thermal Engineering，2018：605-612.

[8]Shi-Min Lee，Yean-Der Kuan，Min-Feng Sung.A modeling and vibration analysis of a piezoelectric micro-pump diaphragm[J].Comptes Rendus Mécanique，2014：692-699.

[9]孫婉婷，唐秀麗.往復(fù)式液壓隔膜泵系統(tǒng)流量脈動(dòng)控制分析研究[J].科技通報(bào)，2015，31（12）：125-127+149.

[10]張洪生，史有程，徐波.隔膜泵液力特性的數(shù)值模擬[J].排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014，32（11）：984-989.

[11]舒琦偉.往復(fù)式液壓隔膜泵的流量脈動(dòng)分析及消振系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].水泵技術(shù)，2014（05）：45-48+10.

[12]Menéndez Blanco Alberto，F(xiàn)ernández Oro Jesús Manuel.Numerical methodology for the CFD simulation of diaphragm volumetric pumps[J].International Journal of Mechanical Sciences，2019：322-336.

[13]王喜軍，宗智，趙勇，鄒麗.液壓蓄能器隔膜在動(dòng)荷載下應(yīng)力響應(yīng)研究[J].大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，54（04）：391-396.

[14]何雙源.往復(fù)式液壓隔膜泵推進(jìn)液補(bǔ)排油系統(tǒng)在生產(chǎn)中的運(yùn)用[J].中國(guó)礦業(yè)，2019，28（S1）：311-314.

[15]Gianluca Carraro，Platon Pallis，Aris D.Leontaritis.Experimental performance evaluation of a multi-diaphragm pump of a micro-ORC system[J].International Journal of Mechanical Sciences，2017：1018-1025.

[16]潘毅，饒明航，周祎，王雙旭，林擁軍.流固耦合作用下膜結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻率研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2019（08）：136-144[2019-07-15].

[17]Eiichi Shoji.Fabrication of a diaphragm micropump system utilizing the ionomer-based polymer actuator[J].Sensors and Actuators，2016：660-665.