張 偉

(中國有色(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)動液壓油隔離開，避免了礦漿固體顆粒對活塞缸的磨損，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)運轉(zhuǎn)率指標(biāo)，進而影響企業(yè)產(chǎn)能高低，隔膜使用壽命長則隔膜泵連續(xù)運轉(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)運轉(zhuǎn)率，進而導(dǎo)致企業(yè)產(chǎn)能可能達(dá)不到要求。

隔膜工作時，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)桿推動下做往復(fù)運動，實現(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。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)計的一個技術(shù)風(fēng)險點。隔膜破壞的原因為：(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)計不合理，例如30°隔膜、45°隔膜等結(jié)構(gòu)型式，造成隔膜在運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)場破裂事故圖見圖1。

圖1 隔膜破裂事故圖

針對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，盡量降低隔膜泵運行過程中隔膜兩側(cè)壓差，維持隔膜兩側(cè)動態(tài)壓力平衡，這些措施包括：(1)采用自動補排油控制系統(tǒng)，自動檢測油缸內(nèi)油壓，進行自動補排油，維持油缸內(nèi)壓力穩(wěn)定；(2)采用超壓保護系統(tǒng)，當(dāng)隔膜一側(cè)壓力超過許用值時，使隔膜泵直接斷電，避免隔膜破裂；(3)隔膜行程控制系統(tǒng)，自動檢測隔膜運動位置，避免隔膜運動距離超出許用行程，保證隔膜不產(chǎn)生張力及附加內(nèi)應(yīng)力；(4)提高活塞滑動密封圈的耐磨性，保證導(dǎo)桿運動過程中對中性，保證隔膜運行平穩(wěn)。針對引起隔膜破壞原因中的第三條，可采用以下幾點措施提高隔膜使用壽命：(1)改善隔膜材質(zhì)，提高隔膜對礦漿固體顆粒的耐磨性，同時保證隔膜具有要求的強度和韌性；(2)針對不同的隔膜泵規(guī)格，選用不同規(guī)格的隔膜，并對隔膜直徑、偏斜角度、隔膜頭尺寸及鐵芯尺寸等參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計，以減小隔膜工作過程中的撓曲變形量和應(yīng)力值，進而提高隔膜的使用壽命。

本文正是針對引起隔膜破壞原因中第三條的第二點改善措施，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)。本文就是針對如何確定隔膜在工作過程中的變形和應(yīng)力的方法進行研究。由于隔膜工作環(huán)境惡劣，采用測試方法獲得隔膜運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)，測試成本也相對較高，本文提出了一種實用、有效的隔膜運動過程數(shù)值模擬方法，能較為準(zhǔn)確的模擬隔膜泵運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隔膜的作用、隔膜變形對礦漿和液壓油的作用、分析進出料泵閥的開啟和關(guān)閉對隔膜變形影響，使分析工況接近隔膜泵運行實際工況，保證隔膜變形和應(yīng)力求解結(jié)果更符合實際。相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者們對隔膜強度數(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)或隱式動力學(xué)分析，未考慮流體對隔膜變形的影響。

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算精度和計算效率方面具有較強的優(yōu)勢，深得同行專家的認(rèn)可。因此本文采用ADINA軟件進行分析。

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)為研究對象，分析該隔膜泵運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，與隔膜室連接的進出料閥內(nèi)礦漿；結(jié)構(gòu)部分包括：隔膜、鐵芯、進出料錐閥。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算時間在可接受的范圍內(nèi)，由于模型對稱，采用1/2模型進行分析，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

隔膜運動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墻，模擬活塞的往復(fù)運動，移動墻位移函數(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 隔膜泵活塞運動位移曲線

(2)固體邊界條件：進料閥與其上端剛性面之間建立接觸對，限制進料閥升程，出料閥與其上端剛性面之間建立接觸對，限制出料閥升程；分別設(shè)置進出料閥開啟和關(guān)閉條件；對隔膜頭施加全約束，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；約束進出料閥x方向和z方向位移，使進出料閥只能豎直上下運動；結(jié)構(gòu)部分對稱面施加對稱約束；隔膜和進出料閥均施加重力。

1.3 計算結(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)進行求解，模擬隔膜泵的液力端工作過程。分析時間為活塞往復(fù)運動一個周期，即一個推程和一個回程，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)鐵芯的運動位移直接關(guān)系著隔膜腔內(nèi)腔形狀設(shè)計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)計中較為關(guān)注的設(shè)計參數(shù)。傳統(tǒng)的方法是通過隔膜行程實驗來確定某型號隔膜泵中隔膜鐵芯的運動位移，實驗方法需要搭建實驗平臺，制作實驗工裝，實驗過程耗時耗力，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動位移曲線，如圖7所示。

圖7 鐵芯位移隨時間變化曲線

2 結(jié)論

通過對隔膜泵(型號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)計奠定基礎(chǔ)。通過本文分析可初步得到如下幾點結(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，計算結(jié)果較為符合實際，隔膜變形和應(yīng)力結(jié)果可為隔膜結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

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，隔膜長時間運行在隔膜邊緣位置更易發(fā)生疲勞失效，造成破裂。公司對以往客戶現(xiàn)場的故障隔膜發(fā)生破裂位置進行統(tǒng)計分析，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)測的隔膜最易失效位置是吻合的，進一步驗證了仿真方法定性分析的正確性。

(3)通過對隔膜內(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而不斷向前運動，而是當(dāng)鐵芯達(dá)到一定位移時，活塞再向前推進，鐵芯開始發(fā)生往復(fù)抖動，從結(jié)果看出，鐵芯的最大位移并不是發(fā)生在活塞達(dá)到最大行程時刻，為進一步掌握鐵芯抖動對隔膜壽命的影響提供了有用數(shù)據(jù)。