隔膜泵橡膠隔膜和流體的流固耦合分析

1、隔膜泵橡膠隔膜和流體的流固耗合分析摘要：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)行流固耦合分析彳導(dǎo)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：隔膜泵擒膠隔膜;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

2、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工作效率，而隔膜是在封的隔膜室內(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(xiàn)上增加脈動(dòng)緩沖裝置，并在泵的介質(zhì)吸入管線(xiàn)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

3、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，閨是供一種方法，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

4、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)力變每口位移變化。流體速度為O.lm/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、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供區(qū)域,應(yīng)力最大為3.9671Mpao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18.278Mpao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7.4538Mpao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

6、隔膜的一供區(qū)域,應(yīng)力最大為9.5521Mpao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

7、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?，鄭英臣環(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

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