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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：
。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 =700 MPa(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：

在循环结束时，元素2的纵坐标等于。在第j步，所有的膜的节点满足以下条件：

以下的转变是加强的：

7.在元素2的区段AB和CD上相接触的节点的滑行限制（见图6）：

这些条件阻碍了隔膜与元素2在装载过程中的相互渗透。这要归功于属于装夹操作区的节点沿X方向的位移。
8.莫变形的边界条件：在膜变形过程中，作为柱塞位移的结果，图2中室2所承载的油的体积必须是不变的。在这种情况下的解析表达式可以通过考虑取决于膜的上剖面的价值获得。让我们取G0为无变形膜的剖面，G1为一般变形膜相应的剖面。由于膜在几何上关于X轴对称，很容易表达2室的体积。（见图6）
为了避免膜被元素2渗透，边界条件被应用于属于AB和CD段的节点。图7：

当膜不变形时，而作为膜变形的一种结果它变为：

由于油的体积必须是不变的，Vr1=Vr0,因此右手边的方程式（11）和（12）不得不相等：

统筹考虑在夹紧模拟的第n+1步中属于膜的上剖面的节点的坐标，我们可以这样写：
的功能是未知的。然而这个问题可以被客服，通过考虑属于膜的上剖面的一般节点的坐标为和假定在由工作压力引起的膜变形期间，它仅仅改变它的坐标从到。这一假设可以通过考虑膜的轴对称性和水平的少量位移得以证实。这一新的假设的结论是：

因此，公式（13）表达的条件可以被写成如下线性边界条件：

这种方法最有趣的方面是我们能够直接模拟图2中柱塞的运动，因此得到它在莫变形方面的影响。这是可能的，通过给在柱塞冲击过程中的移动的油的体积施加一个定值，仅仅改变公式（16）如下：

9.泵头中流体的压力可以被引进通过宣称所有朝着流体面的节点参与其运动。
4.分析模拟结果
标准设计的膜（外径255mm）的行为已经被研究当流体被注入输出回路.这发生在图2中泵头4 的压力相当于输出回路中的压力时。这一压力可以从5变化到35Mpa,取决于不同的工作条件。
在显示模拟结果之前，对模拟程序做一些评论是有价值的。在泵初步组装的操作中膜被封闭在夹紧位的过程在图8中有序的显示出来了。膜符合夹固支架的形状。由于金属支持（见图4中的2）的压缩引起压碎和橡胶的延展，这样一来它就符合支架的柱状形状并确保一个好的密封性。橡胶和聚四氟乙烯在弹性系数上的截然不同引起了橡胶和聚四氟乙烯在接口处的高应力集中。模拟给出了图9中剪应力的值。
模拟已经证实，在泵运作期间，膜在支撑环的边缘周期性的弯曲和滑移（见图4中的3）.在聚氟乙烯层上观察到的裂缝可能是由于这一运动造成的。不同几何形状的样本的模拟很明显的表明当胶层的厚度和长度增加时，它的应力和拉伸也增加了。
根据当前设计的构建膜很薄，中部又很厚。如果将一个30Mpa的压力施加到隔膜上，去除掉油的加注边界（见图4中的2），那么膜的行为就在图10中展现出来了。
随着压力运动而伸展的膜必须满足保留体积的边界条件（见图4中的8），因此中部崛起的轮廓必须补偿给被两个同心圆包围的凹下去的区域。从模拟的如下结果我们可以看到橡胶厚度最大的膜点处应力集中也高。
通过在引入图4中加注阀2的边界条件，我们可以观察到在对称轴附近的冯米塞斯指数增加超过百分之二十。作为加注阀存在的一个结果，膜不能在它的中心部分上升，因此橡胶被迫滑行。这一事实引起了聚四氟乙烯层的更大的变形和压力的增加。
次要区域的小位移降低了膜在夹紧区的弯曲度和吊环3附近的压力的减少（见图4）。
聚四氟乙烯层的特殊设计对于除了高杨氏系数的典型聚四氟乙烯层有负刚度的影响。在工作压力35Mpa的泵的运动过程中，一些聚四氟乙烯层的轮廓在图11中显现出来了。
4.1观察膜的运动
膜的中心部分的行为作为柱塞冲程的一个功能在图11中表现出来了。冲程增加的越大，凹度就变得越宽，拐点F朝着膜中心移动的就越多。仅仅当冲程达到最大值时，隔膜的中心区域跟随着其他区域的变形。这一事实的结果就是，在正常工作压力条件下，仅膜的一部分是真的活跃并且决定着泵的运动。这一行为尤其是在高压下发生。当膜从阀1上脱落，柱塞的冲程不是不变的，它随着压力增加。事实上在更高的操作压力下，膜变得越来越畸形并趋向于得到图10中的形状。
由仿真造成的应力可以分成三类：集中于橡胶和聚四氟乙烯交接处的剪切应力通过夹紧操作的分析这已经很明显了，靠近钢圈边缘的膜的弯曲产生的应力（见图4中的3）和那些位于膜的中心区域主要由于橡胶和聚四氟乙烯的不同延展产生的应力。图3显示出最高应力值已经发生的三个区域（1,2,3）。下面的评论对所有模拟的条件都很普遍。
在1区压力随着柱塞移动油的体积增加。这些变化通常很小并且发生在10Mpa的范围内。另一方面，有趣的是夹紧区域的压力似乎并不受压力上升的影响，随着密封的元素限制了在这一区域的变形，通过从隔膜的其他区域分离出它。
在2区柱塞冲程和压强都增加了压力。
在区3最高压力随着柱塞空行程发生。在这种情况下，膜朝着图4中阀1油加注的方向压缩并且将变形完全转移到聚四氟乙烯层。
5.改善膜的设计
自从当前的设计问题已经特征化，一个改进的计已经被意识到，通过使用下列标准。
1.夹紧，这一区域膜的上层形状没有改变以至于包含于夹紧操作中的其他部分的设计变化也不必要（我们特别参考图4中夹紧部分2和有节吊环3）。这就允许我们利用带有新的形状的膜作为旧的的替代物。为了避免由于支撑环的摩擦造成的聚四氟乙烯的磨损，聚四氟乙烯层被设计成带有特殊的皱褶。这些皱褶增加了聚四氟乙烯的刚度，以至于对于已设计出的出口压力和柱塞冲程它不能在支撑环边缘摩擦。
2.厚度：与传统的设计不一样的四氟乙烯层的厚度已经保持不变，然而极易变的橡胶的厚度已经尽可能制成统一。
3.形状：对于不同形状膜的模拟表明膜的剖面摆线的大量减少可以使我们得到一个“奉承”的膜：
（a） 在高低压条件下变形的膜像一个球，使得膜能够更好的适应泵头；
（b） 带有低压载荷的聚四氟乙烯层的压力的均匀分布
（c） 应力值，低于传统设计的值，在更高的出口压力下也同样、
4.褶皱：聚四氟乙烯层上的一些低振幅的褶皱已经被引进为增加膜在最关键区的弹性，例如：尤其是在高压下的中心区域，接近支撑环，在柱塞冲程的最大时压力最大。