改善计量泵的膜片面设计

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1、改善计量泵的膜片面设计摘要由于膜不得不从隔膜计量泵的油路中分离出处理过的液体，这些机器的关键组成部分。有时,这取决于操作条件，膜可能裂纹,因而有必要拆开泵和替换该组件的一部分。因此通过改善膜的设计来避免这些的发生是很重要的。在这篇论文中，隔膜计量泵中膜的计数行为通过有限元模型进行了数值模拟。对结果进行精确的分析可以使得膜片以更加合理的方式重新设计，从而提高它的性能。@版权由爱思维尔科学出版有限公司所有。关键词:隔膜失效,泵失效,裂缝;疲劳设计1．介绍往复式计量泵有两个基本的结构方案：柱塞计量泵和隔膜柱塞计量泵。由于柱塞是由一个可变冲程的曲柄机构驱动

2、的，因此这两种模型都能产生广泛范围的流率（率(从到立方米/小时)。这两种类型泵的基本方案如图1所示。由于这些泵主要用于化工、石化、食品行业，过程中的流体有时是有腐蚀性的并且通常很费钱。对于泵来说，有一个近乎完美的密封系统来避免液体泄露和防止处理过的和工作中的液体相混合是非常必要的。在计量柱塞泵(左图1)，仅仅由一个密封的环区分开。工作流体来自处理过的液体。由于柱塞和缸桶的相对运动，磨损可能降低其密封性。另一方面，薄膜柱塞计量泵的柱塞通过隔膜的弹性变形来移动处理多液体，因此在密封区的相对运动就变得不那么重要了。计量泵的薄膜必须具备的三个主要特征是：。

3、处理过的和工作中存在的液体的化学稳定性。弹性变形。对周期性压力的强大抵抗力化学稳定性的要求通常通过运用如聚四氟乙烯的材料得意满足。如果处理过的液体的温度对于聚四氟乙烯过高，那么隔膜就要由表面经过真空镀膜的细钢丝盘制成。然而,由于其高的杨氏模量,聚四氟乙烯(PTFE)限制了弹性隔膜。因为这个原因,很有必要去运用复合隔膜：朝着工作回路的一边由NBR橡胶制成，而另一方表面则裹上了一层Te.通常设计的聚四氟乙烯橡胶隔膜都是基于实际经验。关于材料的强度和薄膜的复合性的小数量的信息使得在工作条件下评估它的真实行为和强度变得困难。市场对高性能薄膜计量泵（能在高温

4、和高压下操作的泵）的需求确定了薄膜是泵的重要组成部分，同时也确立了对设计这一部分的仿真工具组件的需要。实验室试验和实际的操作条件的经验表明,裂缝位于聚四氟乙烯的涂层上。当工作压力上升这些裂缝体积增大，并且由于它们剥夺了薄膜的完整性而干扰泵的工作性能。有一次，我们已经证实隔膜装配操作没有引起损害，于是我们决定通过有限元模拟不同工况下膜的行为来了解裂缝的起因。这一模拟的目的在于帮助设计师发现隔膜形状和它的行为的关系。2.泵运行我们已经分析了带有双球阀的活塞式计量隔膜泵。这种泵的一个基本方案显示于图2.在图2中所示方向移动的柱塞1，移动室2中的油并引起膜

5、3的运动和变形。这导致了泵头中被行进流体占据的空间体积的减少。室4中压力上升使得阀6能被打开。因此，当柱塞朝相反方向运动时，隔膜变形增加了4的体积。此外，泵头的压力少量减少，这引起阀门6的关闭和入口阀5的打开。每次循环中流体的数量明显是隔膜变形引起的4室体积变化的活动。这取决于2室中体积的变化，而这一变化是直径和柱塞1冲击的一个功能。隔膜3是复合的并关于X轴对称（见图3）.面对工作回路的一面由橡胶制成，而面对过程流体的一面均匀的涂上了一层具有自我保护功能的聚四氟乙烯（PTFE）。仿真是基于假设材料变形是在线性弹性行为范围内的。如果我们认为每种材料都

6、是均匀和各向同性的，那么只有两个物理常数被需要去表达胡克定律的所有系数：杨氏模量E和泊松系数.我们已经假设,（见聚四氟乙烯(PTFE)西德国家工业标准53457）和ETeflon=700MPa(见标准53504)。作为低加速度和抽吸作用中隔膜的小移位的结果—直径为255mm的膜大约2-4mm的位移—模拟是在静态条件下进行的。多亏了关于X轴对称的几何学膜，我们先捕捉到了径向界面隔膜，紧接着通过在膜对称轴[2,3].旋转二维网格获得三维网格。3.有限元模拟边界条件为了在抽吸作用中通过有限元法模拟膜的行为，由于泵的这些部分直接或间接影响隔膜所有的行动已经

7、变为了关于二维网格节点【4】的分析条件。图4显示了边界条件的一个方案，它允许我们模拟泵的工作条件。各项物理边界条件因此可以转变为解析公式如下：1.为了尊重隔膜关于X轴对称的假设，隔膜对称轴上的节点在径向不能移动这点很必要，也就是节点不能改变它的横坐标:2.油膜和加注阀1之间无渗透的条件3.膜和泵头4的盖帽之间无渗透的条件4.接触边缘吊环3的所有节点的接触和依附条件5.为了避免元素2在装配操作中渗透进入夹紧区，限制边界膜上节点的滑动6.在装配操作过程中，由元素2和4引起的夹紧导致边界膜的压碎，所以。这部分是完全变形(见图5)。装配操作不得不通过将迭代

8、周期分为n步的方式进行模拟。由于夹紧，让s成为位移数。第一步，元素2和隔膜是相切的，2的纵坐标等于。一般的第j步的纵坐标为