張恩龍 齊東杰 李文明 陳揚(yáng),2*

(1、中國有色(沈陽)泵業(yè)有限公司,遼寧 沈陽 110144 2、沈陽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110870)

1 實(shí)驗(yàn)條件

某臺(tái)套高壓煤漿隔膜泵液力端隔膜室部裝的剖視圖如圖1所示,圖中的隔膜直徑為620mm,對(duì)應(yīng)的油缸直徑210mm,活塞行程350mm,因此需要計(jì)算隔膜行程,以設(shè)計(jì)補(bǔ)排油信號(hào)裝置距離。以往通常采用的方法是進(jìn)行隔膜行程實(shí)驗(yàn),利用工業(yè)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方式來確定油缸結(jié)構(gòu)。隔膜行程實(shí)驗(yàn)的原理如下：注水口高于隔膜腔,依靠勢(shì)能差不斷注水使隔膜向外鼓出,隔膜發(fā)生一定變形后,橡膠內(nèi)表面壓力與水勢(shì)能達(dá)到平衡,此時(shí)注水量為隔膜最大容積,隔膜鐵芯最大位移為隔膜最大行程。這一手段效率低且成本高,因此亟待探索一種適用于該實(shí)驗(yàn)的有限元計(jì)算與模擬方案,實(shí)現(xiàn)隔膜行程實(shí)驗(yàn)的數(shù)字化、規(guī)范化和流程化。

2 流固耦合分析

由于計(jì)算模型具有對(duì)稱性,因此建立隔膜及推進(jìn)液油的1/4 模型(如圖2 所示)。具體邊界條件的設(shè)定如下：圖2 中的左側(cè)端面為移動(dòng)壁面邊界條件,對(duì)稱面法向速度設(shè)定為零,與隔膜接觸面施加流固耦合邊界條件,圖中其余各個(gè)表面均設(shè)定為非滑移壁面邊界條件；隔膜和鐵芯共節(jié)點(diǎn),對(duì)稱面對(duì)稱約束,橡膠隔膜的頭部全約束,與推進(jìn)油接觸面施加FSI 邊界條件。

圖2 隔膜行程分析有限元模型

隔膜在工作中往復(fù)變形,瞬態(tài)分析需要考慮沖次、料漿粘度等很多參數(shù),因此,隔膜行程分析簡(jiǎn)化為準(zhǔn)靜態(tài)過程,總的計(jì)算時(shí)間取100 秒；設(shè)計(jì)活塞行程350mm,分析中最大活塞行程約1000mm。

分析結(jié)果如圖3 所示。

圖3 活塞推進(jìn)350mm 時(shí)隔膜行程分析結(jié)果

圖4 鐵芯的位移曲線

鐵芯位移和鐵芯行程如圖4 所示。由圖可知,鐵芯位移曲線在活塞行程330mm 時(shí)發(fā)生躍變,這是因?yàn)楦裟ふ诜D(zhuǎn)；活塞推進(jìn)350mm 時(shí),隔膜鐵芯位移為108mm。實(shí)際上,隔膜并不是從初始狀態(tài)開始工作的,經(jīng)驗(yàn)是隔膜向外移動(dòng)15mm 左右,從上圖鐵芯行程曲線可知,隔膜的準(zhǔn)靜態(tài)工作行程大概為110mm。

圖5 是隔膜最大行程的仿真分析結(jié)果。

圖5 隔膜位移和油壓分析結(jié)果

圖6 隔膜應(yīng)力分析結(jié)果

圖7 隔膜位移和應(yīng)力分析結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中,注水口與隔膜腔軸心高度差不超過1 米,1 米水壓約為0.01MPa。分析中未考慮重力,將截止壓強(qiáng)放大到0.02MPa,考察流場(chǎng)中頸部中心位置的節(jié)點(diǎn)壓強(qiáng)。

從圖中可知,活塞行程590mm 時(shí),油壓達(dá)到0.02MPa,對(duì)應(yīng)隔膜位移為159mm,取整為160mm。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn),相同直徑的隔膜行程實(shí)驗(yàn)最大行程約為210mm,仿真與實(shí)驗(yàn)存在很大的差異,除了方法不同,隔膜材料不同是主要的影響因素。

隔膜行程實(shí)驗(yàn)中,橡膠應(yīng)力較小,而實(shí)際工作中,橡膠也可以承受一定的應(yīng)力(應(yīng)變),圖6 分析隔膜行程和應(yīng)力關(guān)系。

圖7 中取了幾個(gè)有代表性的單元(覆蓋了任意時(shí)刻最大應(yīng)力位置),繪制出行程和應(yīng)力曲線。

隔膜最大行程,理解成隔膜本身能夠承受的最大變形更為貼切。補(bǔ)強(qiáng)硫化丁腈橡膠拉伸強(qiáng)度為15～30MPa(機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)),借鑒金屬材料靜強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn),可以得到隔膜最大許用應(yīng)力,查圖7 得到隔膜最大行程(表1)。

(經(jīng)過橡膠材料試驗(yàn)及計(jì)算)假設(shè)隔膜最大許用應(yīng)力為4MPa,可以得出,隔膜最大行程為175mm。

3 結(jié)論

根據(jù)上文對(duì)隔膜行程實(shí)驗(yàn)的數(shù)值模擬仿真結(jié)果可知,該臺(tái)套隔膜泵橡膠隔膜正常工作的行程約為110mm,模擬行程實(shí)驗(yàn)(注水)的行程約為160mm,隔膜可承受行程約為175mm。后經(jīng)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可知,數(shù)值模擬結(jié)果真實(shí)可信。