伞形橡胶阀的性能研究

4.2.4.1 伞形橡胶阀的过流特性

图4.8为伞形阀的结构示意图。伞形阀通过伞柄安装在压电泵上,由于橡胶材料具有良好的弹性,所以伞形橡胶阀开启阻力小、阀的变形应力小、响应快,对加工精度要求不高,而且它是一种常闭阀,大大提高了阀的单向截止性能。并且橡胶阀可以通过铸造一次加工成型,成本低廉。伞形阀的工作方式可以看成中间固定的圆形板的振动,由伯努利方程和连续方程可得阀孔的出流量为

式中,r1—通流口半径,N为阀处通流孔数量,wmax为圆形阀边缘处最大挠度。

图4.8　伞形橡胶阀

4.2.4.2 伞形橡胶阀的模拟仿真

通过实验测试比较,橡胶伞形阀的工作效果在所使用三种阀中是最好的。由于阀工作在液体中,工作频率又较高,因此对阀的变形状况及开启缝隙大小的测量极为困难,通过工程分析软件对阀的工作情况进行模拟分析,以了解伞形阀的工作状态变得尤为重要。

ANSYS软件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元软件,可广泛的用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、生物医学、水利、日用家电等一般工业及科学研究。该软件提供了不断改进的功能清单,具体包括:结构高度非线性分析、电磁分析、计算流体力学分析、设计优化、接触分析、自适应网格划分及利用ANSYS参数设计语言扩展宏命令功能。

伞形阀为实体机构,应选用实体单元进行分析。选择ANSYS中的solid45号单元,该单元是用于构造三维实体结构的8结点单元,每个节点有3个沿着xyz方向平移的自由度。单元具有塑性、蠕变、膨胀、应力强化、大变形和大应变能力,适合用于模拟伞形阀的振动情况。

伞形阀在泵腔中的固定方式如图4.8(c)所示,其受力模型可以简化成中间固定周边自由振动的圆板,阀片工作部分受周期性变化的均布载荷作用,载荷可表示为PL=ΔPsin(wt),其中w为阀的工作频率。伞形阀为弹性橡胶材料,具体材料参数如表4.2。

表4.2　伞形阀的性能参数

对伞形阀建立的有限元模型如图4.9所示,该模型中共有单元7760个,结点10 693个。

通过计算,得到所有伞形阀的前10阶的固有频率,如表4.3所示。

图4.9　伞形阀的有限元模型

表4.3　伞形阀的前10阶固有频率

伞形阀工作时,阀外边缘开启缝隙随着载荷的变化而发生变化,图4.10～4.14是外边缘在不同ΔP下,频率为60Hz时的外边缘结点位移-时间图。总时间2s,步长为0.05s。

通过分析可知,伞形阀的变形高度随所承受载荷的增加而增加。但在阀在压电泵的实际工作过程中,大量的实验分析可知,伞形阀边缘的最大开启高度一般不会超过1.2mm;而当ΔP＞800Pa时,通过ANSYS计算得到的缝隙高度大于1.2mm,且结果不收敛,由此可得出结论,由振子振动而使作用在阀两侧的最大压差应该是ΔP＜800Pa,当开启压力超过此值时,会使伞形阀的工作能力失效。

图4.10　ΔP=300Pa f=60Hz

图4.11　ΔP=350Pa f=60Hz

图4.12　ΔP=400Pa f=60Hz

图4.13　ΔP=500Pa f=60Hz

图4.14　ΔP=700Pa f=60Hz

图4.15　伞形阀不同半径处的开启高度

图4.15是伞形阀不同半径处的开启高度模型图,从图中可以看出,阀的开启情况是有中心处向外边缘逐渐增大,这与实际情况是相符的,也证明了所建模型的正确性。