張 洋

(中國有色(沈陽)泵業(yè)有限公司，遼寧 沈陽 110144)

0 前言

隔膜泵是管道化輸送固液兩相介質(zhì)的核心設(shè)備。電動機通過減速機驅(qū)動曲柄滑塊機構(gòu)，將旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)橹本€運動，帶動活塞往復(fù)運動，活塞借助油介質(zhì)使橡膠隔膜凹凸運動，隔膜泵的進料閥與出料閥交互的開啟與關(guān)閉，在隔膜室腔內(nèi)礦漿的容積周期性變化，完成礦漿輸送。

隨著國家經(jīng)濟發(fā)展形勢進一步向資源節(jié)約型、環(huán)境友好型轉(zhuǎn)變，具有運輸成本低、環(huán)境影響小等特點的管道化輸送行業(yè)得到迅速發(fā)展，而隔膜泵則是實現(xiàn)管道化輸送的核心設(shè)備。而各行業(yè)產(chǎn)能的不斷提高，生產(chǎn)環(huán)境復(fù)雜多樣，對于隔膜泵的流量與壓力不斷提出更高的要求。長距離管道輸送行業(yè)是管道化輸送的一種典型形式，其采用多級泵站連續(xù)泵送的形式實現(xiàn)料漿長距離輸送。由于泵站建設(shè)與維護成本的要求和管道途徑環(huán)境對泵站建設(shè)的限制，該行業(yè)提出了減少泵站建設(shè)的要求。減少泵站，意味著需提高各級泵站克服高壓力的能力才能達(dá)到運能要求。因此，發(fā)展高壓力、大流量隔膜泵是大勢所趨。

隔膜泵的動力端與液力端是隔膜泵完成漿體輸送的核心部分，想要生產(chǎn)高壓力、大流量隔膜泵必須在動力端與液力端的設(shè)計上有所突破。最直接的方法就是放大設(shè)計尺寸來滿足要求。但是，受到生產(chǎn)加工能力的限制，制造大尺寸動力端非常困難，并且加大尺寸的生產(chǎn)成本將有巨大的增高。

因此，本文提出一套應(yīng)用于重載隔膜泵設(shè)備上的液壓控制減載系統(tǒng)，通過此系統(tǒng)，在相同壓力與流量情況下，動力端的設(shè)計尺寸可以大大減小。通過這一系統(tǒng)的實現(xiàn)提高了隔膜泵的運能。不但可以滿足各個行業(yè)產(chǎn)能提高對運能的要求，而且可以減少泵站建設(shè)與設(shè)備維護的投入。除此之外，該減載系統(tǒng)有效的降低了隔膜泵動力端的生產(chǎn)難度，降低生產(chǎn)成本。

1 減載系統(tǒng)的設(shè)計

隔膜泵的工作過程為曲軸帶動連桿進行曲柄往復(fù)運動推動十字頭做水平往復(fù)運動，從而推動活塞桿與活塞的運動，而輸運漿體均具有較高壓力，活塞桿為了推動高壓漿體而承受較高的荷載，為了降低作用在活塞桿上所承受的荷載，在原有隔膜泵上加入壓力減載系統(tǒng)，如圖1所示，在傳統(tǒng)三缸單作用隔膜泵的油缸后加再加一段密封缸體，三個缸體用管道相互連接，缸體內(nèi)充入液壓油，給定一定壓強，這樣活塞的另一側(cè)施加了額外的作用力。通過補排油系統(tǒng)保持壓力減載系統(tǒng)內(nèi)的壓強值。在隔膜泵工作過程中，即活塞向前推動時，作用在活塞上的額外的壓力可降低隔膜泵動力端各部分受力。因此，在同樣的工作條件下，隔膜泵的動力端可以被設(shè)計成較小的尺寸。

圖1 減載系統(tǒng)原理示意圖

活塞的往復(fù)運動必定會引起系統(tǒng)腔內(nèi)的壓力變化。因此，本系統(tǒng)設(shè)置有蓄能器，從而降低系統(tǒng)工作過程中內(nèi)部的壓力波動。

圖2為活塞位置的理論計算結(jié)果，虛線為三個活塞隨曲軸旋轉(zhuǎn)角度變化的位置曲線，活塞運動到最后端為-1，運動到最前端為1，實線為三個活塞位置值的加和?？梢钥闯?，隨著曲軸的旋轉(zhuǎn)角度，三個活塞的位置值的加和為定值，也就是說，隔膜泵在運行過程中，減載系統(tǒng)內(nèi)的承壓介質(zhì)的總體積不變。

圖2 活塞運動位置理論計算結(jié)果圖

2 減載系統(tǒng)液力端流固耦合分析

為了明確減載系統(tǒng)的工作過程，針對其原理進行流固耦合分析，通過這一過程，驗證減載系統(tǒng)的可行性，并以此得到減載系統(tǒng)的各運行參數(shù)。

2.1 分析模型的建立

根據(jù)減載系統(tǒng)的原理，建立流固耦合分析模型，如圖3所示，在現(xiàn)在的液力端基礎(chǔ)上后面加上減載系統(tǒng)模型，減載系統(tǒng)相互連通，并安裝一個蓄能器。

圖3 減載系統(tǒng)流固耦合模型

邊界條件如下：流體部分除進料口、出料口、蓄能器隔板接觸面以及活塞接觸面以外，其它外邊界均為固定墻，活塞接觸面設(shè)置為移動墻，移動墻按活塞運動規(guī)律設(shè)置的函數(shù)運動，蓄能器隔板接觸面為流固耦合邊界，與閥接觸面設(shè)置為流固耦合接觸邊界，減載系統(tǒng)部分設(shè)置初始壓力。結(jié)構(gòu)部分設(shè)置流固耦合邊界，閥的上下表面設(shè)置剛性接觸面，用于限位，每個閥均有閥彈簧。

2.2 減載系統(tǒng)流固耦合分析結(jié)果

通過本分析可以得出腔體和減載系統(tǒng)內(nèi)的壓力變化，通過兩側(cè)的壓力與活塞面積的計算，得出活塞桿、動力端所受到的活塞力。

提取壓力結(jié)果繪制活塞力曲線，曲線圖如圖4所示，此模型在額定工況下的最高活塞力96T，而通過減載系統(tǒng)的作用可以將活塞力減至70T。而由于減載系統(tǒng)的存在，活塞力存在最高30T的負(fù)值，即曲軸受拉力為30T?？梢钥闯?，該減載系統(tǒng)可以有效的降低隔膜泵動力端的活塞力。通過本仿真可論證得出，由于減載系統(tǒng)內(nèi)的液壓油壓力有一定的限制，因此，在大流量中等壓力水平工況下該系統(tǒng)效果更佳顯著。

圖4 有無減載系統(tǒng)活塞力對比曲線

3 減載系統(tǒng)壓力及串管流速分析

通過以上分析可以得出減載系統(tǒng)可以起到很好的減小荷載的作用，但就系統(tǒng)本身而論仍存在很多的問題，由于系統(tǒng)的三個腔由串管連接，且內(nèi)部為液壓油，系統(tǒng)須控制串管內(nèi)的最高流速，以保證串管內(nèi)快速串油過程中油品的品質(zhì)，同時，串管的管徑也將影響影響各腔內(nèi)的壓力波動變化。因此本節(jié)主要計算減載系統(tǒng)內(nèi)的壓力波動及串管內(nèi)的流速。

3.1 壓力減載系統(tǒng)分析計算

為了研究減載系統(tǒng)內(nèi)的壓力變化以及串管的液壓油流速，將整體模型中的減載系統(tǒng)部分單獨建模進行研究，分析模型如圖5所示。確定分析型模型，分別計算在不同沖次下的工況，沖次為35、40、47、55和60。得出串管內(nèi)的流速和腔內(nèi)壓力變化。

圖5 串管流速分析模型

分別提取不同沖次下蓄能器內(nèi)氣體和三個腔內(nèi)的壓力，繪制出壓力曲線。如圖6所示，每張圖中有四條曲線，分別為蓄能器內(nèi)氣體壓力、腔一、腔二和腔三內(nèi)的壓力，以沖次為35工況為例可以看出，蓄能器內(nèi)的壓力波動最低最高壓與最低壓分別為6.008 MPa和6.000 MPa，腔一、腔二和腔三內(nèi)的最高壓與最低壓分別為6.071 MPa和5.931 MPa、6.028 MPa和5.948 MPa、6.009 MPa和5.982 MPa。由以上數(shù)據(jù)可以得出，由于腔三距蓄能器比較近，所以壓力波動較小，而腔二和腔一隨著距離蓄能器越來越遠(yuǎn)壓力波動越來越大。其它沖次下同樣可以得出相同的結(jié)論。

圖6 減載系統(tǒng)內(nèi)部壓力曲線圖

將所有工況的最高壓與最低壓匯總為表1，隨著沖次的增大，相同腔內(nèi)的的壓力波動逐漸增大。因此，在設(shè)計減載系統(tǒng)時需根據(jù)沖次調(diào)整串管的管徑，保證腔內(nèi)的壓力波動不會過大。

由表1可以看出，任一沖次下，蓄能器內(nèi)的壓力波動最小，距離蓄能器較近的腔內(nèi)的壓力波動與蓄能器內(nèi)的壓力波動接近，隨著腔距離蓄能器的距離變大，腔內(nèi)的波動不斷增大；在沖次的變化上，隨著沖次不斷的增大，各腔內(nèi)的壓力波動不斷增大。因此，在減載系統(tǒng)的設(shè)計時，需根據(jù)壓力變化要求調(diào)整相關(guān)的設(shè)計參數(shù)。

3.2 串管流速計算

假設(shè)在無限長等截面直圓管中充滿不可壓縮的粘性流體，并且沿管軸防線在流體內(nèi)作用一個壓強梯度，流體在壓力差驅(qū)動下發(fā)生運動。

取一個柱坐標(biāo)系(x,r,φ)，使得x軸與管軸重合，x的正方向沿壓強梯度的反方向，于是有：

由對稱性得知：

vx=v(r)，vr=vφ=0

上述方程在柱坐標(biāo)下化為：

解此方程需要兩個邊界條件，在管壁上仍用無滑移條件，管軸上則須是速度保持有界，即：

表1 壓力極值匯總表

r=a，v=0；r=0，v<∞

其中，a為圓管半徑，積分后給出：

這一結(jié)果是由哈根和泊肖葉研究得出的。

由速度分布很容易求得管流的流量。

由3.1中的計算結(jié)果可得出不同沖次下串管內(nèi)的流速分布，從而可以得出不同沖次下串管內(nèi)的最大流速。圖7為減載系統(tǒng)在沖次為60時串管內(nèi)流速分布云圖。

圖7 減載系統(tǒng)串管流速分布云圖

將不同工況的仿真與理論計算的串管管內(nèi)流速匯總為表2。將不同沖次下的最高速度擬合為線性曲線，與理論值進行對比如圖8所示?？梢钥闯隼碚撆c仿真均呈線性關(guān)系，只是斜率略有不同，理論略大于仿真值。那么在設(shè)計階段，可以按照理論數(shù)值進行設(shè)計，降低設(shè)計風(fēng)險。

表2 串管管內(nèi)流速匯總表

圖8 串管沖次與流速對比關(guān)系

4 結(jié)論

隨著隔膜泵流量壓力的不斷提高，隔膜泵動力端的生產(chǎn)制造難度不斷加大，制造成本也大大提高。本文提出了一套減載系統(tǒng)的設(shè)計方案，從而降低動力端的載荷，降低設(shè)計噸位。通過理論和三維流固耦合仿真手段論證了此套減載系統(tǒng)的可行性。特別在大流量中等壓力水平，本系統(tǒng)效果顯著。特別對系統(tǒng)內(nèi)壓力和串管流速兩個重要參數(shù)進行了重點論證，得出了系統(tǒng)內(nèi)不同腔內(nèi)壓力的變化規(guī)律，給出了串管選型的設(shè)計方法。