基于流固耦合分析研究阀弹簧刚度对隔膜泵泵阀运动规律的影响

王政武

（中国有色（沈阳）泵业有限公司，辽宁 沈阳 110144）

1 前言

隔膜泵凭借其运输能力大，效率高，地形适应性强，环境污染小，安全可靠等特点被更加广泛的应用。目前正在运行的隔膜泵中，问题最为突出的就是隔膜泵泵阀的寿命问题。由于泵阀寿命不稳定，导致隔膜泵的连续运转率无法保证，造成的巨大的直接与间接的经济利益损失。本文针对影响泵阀寿命因素之一的阀弹簧刚度展开研究，采用有限元分析软件ADINA进行隔膜泵液力端流固耦合分析，从而得出泵阀的运动规律。研究不同阀弹簧刚度对于泵阀运动规律的影响，通过调整阀弹簧刚度来减小泵阀的关闭速度，减小泵阀的冲击力，从而达到提高泵阀寿命的目的。

2 流固耦合分析模型的建立

以三缸单作用隔膜泵液力端的其中一列为基础建立分析模型，由于模型为对称对称结构，因此本分析模型采用对称模型进行分析，从而降低分析计算量。模型如图1所示。左侧为流场部分，右侧为结构部分，即进料阀与出料阀。由于隔膜只是起到分离液压油与泵送浆体的作用，因此本模型将隔膜简化掉。边界条件如下：流场部分的进料管口与出料管口添加压力边界，即泵的喂料压力与工作压力；油缸端面处按照泵的实际工作状态添加移动墙边界，与结构部分相接处为流固耦合边界。结构部分按泵阀的运动规律进行限位。改变阀弹簧的弹簧刚度分别进行计算，将分析结果进行对比。

图1 分析模型

图2 出料阀运动速度对比曲线

图3 出料阀升程对比曲线

图4 出料阀阀隙流速对比曲线

3 结果对比分析

在相同工作条件下，即相同工作压力、喂料压力以及相同的冲次。改变泵阀的弹簧刚度。分别为一倍、二倍与三倍弹簧刚度。提取计算结果进行对比，结果对比如下。

出料阀运动速度如图2所示，当弹簧为一倍刚度时，出料阀与紧固导管和阀座的碰撞速度分别为1.12m/s和0.45m/s；当弹簧刚度调整为二倍时，两速度分别为0.71m/s和0.36m/s；当弹簧刚度调整为三倍时，两速度分别为0.29m/s和0.29m/s。由以上数据可以得出，随着弹簧刚度的增大，出料阀对紧固导管与阀座的碰撞速度均减小。有利于提高泵出料阀的使用寿命。同样，对比进料阀的运动速度可以得到相同的规律，即随着弹簧刚度的增大，进料阀对于导管支架与阀座的碰撞速度均较小。

提高泵阀的阀弹簧刚度有利于降低泵阀对于阀座的碰撞速度。那么，提高弹簧刚度会不会对泵运行过程中其它参数产生影响？图3为泵阀的升程对比曲线，可以看出，三种工况下，泵阀均能达到最大升程，且关闭时刻不变。但随着弹簧刚度的提高，泵阀下落时间越来越早。极限思维考虑，如果继续增大弹簧刚度，会出现泵阀无法达到升程的情况。

图4为阀隙流速对比曲线，由图中可以看出，三种工况下最大阀隙流速不变，但在泵阀下落过程中，阀隙流速随着弹簧刚度的增大而增大。

结语

通过以上分析可以得出，通过改变泵阀的阀弹簧刚度可以改变泵阀对于紧固导管（导管支架）的碰撞速度，阀弹簧刚度越大，碰撞速度越小。但是，弹簧刚度不能过大，否则阀将无法达到最大升程，阀隙流速将增大，加强了浆体对于泵阀的冲蚀，影响泵阀的使用寿命。同时，改变阀弹簧的刚度，泵阀的最终关闭时间不变，不影响阀的正常关闭。因此，可以适当增加阀弹簧的刚度从而提高阀的使用寿命。

[1]成大先.机械设计手册[D].北京：化学工业出版社， 2007.

[2]《往复泵设计》编写组.往复泵设计[M].北京：机械工业出版社， 1987

[3]马野，袁志丹，曹金凤.ADINA有限元经典实例分析[M].机械工业出版社，2011.

[4]ADINA Theory and Modeling Guide VolumeⅢ： ADINA CFD & FSI， June 2010， ADINA R&D， Inc.