基于有限元分析的泵送过程螺杆泵受热研究.pdf

2 0 0 9 年1 2 月基于有限元分析的泵送过程螺杆泵受热研究徐志祥等 9 基于有限元分析的泵送过程螺杆泵受热研究’ 徐志祥叶志文胡毅亭刘大斌卫延安 南京理工大学化工学院 江苏南京，2 1 0 0 9 4 [ 摘要] 文章基于有限元分析的方法，对螺杆泵在泵送乳化炸药过程中的温度分布规律进行分析，认为不同转 速下泵内的温度分布规律是一致的，并不随着转速的改变而变化；增加螺杆泵的转速虽然乳胶基质的温度没有明 显变化，但是乳胶基质的温升速率却有显著的上升。 【关键词] 乳化炸药热分析螺杆泵 [ 分类号] T D 2 3 5 ．2 自2 0 世纪6 0 年代末由美国人H ．F 布卢姆u J 发明的乳化炸药专利技术公布后，由于该炸药具有 良好的抗水和爆炸性能，很快受到世界各国的关注。 近年来发生的多起乳化炸药生产事故，其中泵 送过程的事故比较多，所以需要我们了解更多的乳 化炸药生产过程中的螺杆泵的有关性质。通常认为 炸药的爆炸是由于生成的“热点”引起的，所以了解 螺杆泵输送乳胶基质过程中热量的积累和“热点” 的形成对于乳化炸药生产过程的安全性有着重要的 意义。 近年来对于乳化炸药的受热分析研究得比较 多[ 2 ．6 】，但是由于单螺杆泵的结构特点和复杂工况， 对实际生产过程中泵内定子的温度进行实验测量有 较大的困难，因此对于泵送过程中的受热研究得较 少。文章采用有限体积法对泵内温度场的分布情况 进行数值模拟，研究螺杆泵体内的温度情况。 1 有限元模型o L 副 A N S Y S 软件是第一个通过I S 0 9 0 0 l 质量认证 的大型分析设计类软件，是美国机械工程师协会 A S M E 、美国核安全局 N Q A 及近2 0 种专业技术 协会认证的标准分析软件。A N S Y S 软件是融结构、 流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限 元分析软件，是现代产品设计中的高级C A D 工具之 一。 本文以乳化炸药实际生产中使用的泵送设备为 计算模型进行模拟分析，其螺杆泵的型号为 N M 0 4 5 S Y 0 4 S 2 4 B 型单螺杆，缸体外套外径1 2 2m m ， 壁厚7 姗，定子外径1 0 8m m ，螺杆直径4 5m m ，定 子与螺杆偏心距8m m 。由于主要关心螺杆泵定子 内轮廓线的变形规律，而且定子衬套的橡胶材料比 螺杆材料的弹性模量要低几个数量级，因而可以将 转子简化成刚体。图1 为几何模型和有限元网格 图，定子和螺杆均采用平面应变单元，二者之间的接 触界面直线段采用由点到面的接触单元，曲线段采 用线到面的接触单元。 图1 几何模型和网格图 缸体外套和螺杆材料均为4 5 ’钢，弹性模量E 。 2 0 0G P a ，泊松比m 0 ．3 ，材料模型按线弹性处 理。定子材料为丁腈橡胶，为了分析内轮廓线的变 形，沿内轮廓线建立了局部坐标系，如图2 ，位置从 A 培一C D ．E ．F G 而『_ A ，X - Y 为全局坐标系。 2 泵和材料物性的参数 下面分析所选择的螺杆泵与接触摩擦分析时的 模型一样，都采用N M 0 4 5 s Y 0 4 S 2 4 B 型单螺杆，其模 型尺寸同前，而相关材料的物性参数则如表l 所示。 3 基本假设 根据瞬态和稳态场的简化模型，对模拟计算做 收稿日期2 0 0 8 - 1 2 - 0 9 作者简介徐志祥 1 9 8 2 一 ，男。在读博士，主要从事工业炸药的安全性研究。 通讯联系人胡毅亭 1 9 7 3 一 ，男，博士，讲师，主要从事民爆器材产品开发研究和安全评价方法研究。E - m a i l h u y i t l n g h o t ．m a i l ．嗍 万方数据 爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s第3 8 卷第6 期 图2 定子内轮廓线局部坐标系 表1泵常温下的物性参数 项目意2 ， J ．燃k g - 觏t ．K ／- t 传热m 张- i ．K 川- t 叭 出相应的基本假设 1 定子橡胶衬套和定子钢套材料各向同性， 橡胶的材料参数和热力学参数不依赖于温度，不影 响定子橡胶衬套的力学场； 2 在工作过程中导致定子温度升高的热源是 粘弹性橡胶滞后损失产生的热量，不考虑定子橡胶 衬套与外界之间的热辐射问题； 3 定子橡胶衬套和定子钢套轴向忽略热传导 过程 即轴向无温度梯度 ，定子和转子的配合在各 个截面相同，因此螺杆泵定子的三维热传导问题可 简化为二维平面传热问题； 4 橡胶体积不可压缩，化学溶胀、热溶胀产生 的物理变化反映为材料的过盈量的变化； 5 螺杆泵连续工作一段时间后，达到热平衡 状态，即螺杆泵定子温度场分析为稳态热传导问题； 6 采用分离求解器，稳态不可压流，液体速度 为绝对速度； 7 忽略橡胶松弛的影响。 4 计算结果与分析 本文首先对泵送乳化基质的情况进行模拟，当 泵的转速为1 4 ．3r ／r a i n 时，乳胶基质在螺杆泵进口 的温度为9 0 ℃，泵出口的温度为9 3 ℃。模拟的结果 如图3 ，从图3 a 可以看出沿着内轮廓线的泵内基 质的温度最高点在圆弧段的四角，然后向两侧的温 度逐渐减小，最小温度出现在直线段的中点。温度 从9 2 ．6 0 0 ℃到9 3 ．0 0 1 。C 变化。从图3 b 可以看出 在沿着定子温度升得比较快，温度比较高的地方处 于两端的圆弧处。从图中可以看出泵内轮廓的温度 从A 点至C 点沿着轮廓线与C 至层点的温度分布 是对称的。因此，下面对A 点、B 点、C 点及温度最 高点的时间温度曲线进行分析。 t _ 、 f／if |j||lf} | fl |l | |／ 、 ＼jI ＼ f 、 r a 1 4 ．3r ／m i n 时边界上的温度分布； b 1 4 ．3r ／r a i n 时边界上的温度分布云图 图31 4 ．3r ／m i n 时的泵内温度分布 图4 是A 点、B 点、C 点和圆弧角处的温度随着 时间变化的曲线，由曲线可以估算出各点的温升速 率，温度最高处的温升速率为0 ．3 6 3 。C ／m i n ，A 点的 温升速率为0 ．3 3 8 ℃／m i n ，B 点的温升速率为 0 ．3 1 5 ℃／m i n ，C 点的温升速率为0 ．2 7 8 ℃／m i n 。 研究了不同转速下泵内基质的温度分布情况和 9 3 ．2 ’9 2 ．8 9 2 ．4 p 9 2 ．0 魁9 1 ．6 赠9 1 ．2 9 0 ．8 9 0 ．4 9 0 ．0 图4A 、B 、C 和温度最高点温度随时间变化的曲线 叭哪叭跚瞄m街吼鲫螂跚 呱旺眩舍i虼吖舍i s i 虼蛆虼 p 、趟赠 万方数据 2 0 0 9 年1 2 月基于有限元分析的泵送过程螺杆泵受热研究徐志祥等 螺杆泵内乳化炸药基质温度升高的速率。从图5 至 图8 分别是6 0r ／r a i n 、9 0r ／r a i n 、1 2 0r ／r a i n 和1 8 0 r ／r a i n 的转速下的泵内温度情况。 转速为6 0r ／r a i n 时，泵送乳化基质能达到的温 度最高为9 5 ．7 2 ℃，基质的最快温升速率为2 ．6 6 ℃／m i n ；转速为9 0 r ／r a i n 时，泵送乳化基质能达到的 温度最高为9 6 ．7 3 ℃，基质的最快温升速率为 5 ．1 l 。C ／m i n ；转速为1 2 0 r ／r a i n 时，泵送乳化基质能 达到的温度最高为9 7 ．5 8 ℃，基质的最快温升速率 为7 ．5 8 。C ／r a i n ；转速为1 8 0r ／m i n 时，泵送乳化基质 p 、 瑙 赠 a 6 0r ／r a i n 时温度分布云图； b a 、B 、C 和温度最高点温度随时问变化的曲线 图56 0r ／m i n 转速下的温度情况 p ＼ 瑙 赠 a 9 0 r ／r a i n 时的温度分布云图； b A 、B 、C 和温度最高点温度随时间变化的曲线 图69 0 r ／m i n 转速下的温度分布情况 a 1 2 0 r ／m l n 时边界上的温度分布云图； b A 、B 、C 和温度最高点温度随时问变化的曲线 图71 2 0r ／m i n 转速下的温度情况 能达到的温度最高为9 8 ．7 6 ℃，基质的最快温升速 率为1 3 ．1 4 。C ／r a i n 。 从不同转速下泵内的温度分布云图可以看出， 泵内的温度分布规律是一致的，并不随着转速的改 变而变化。温度最高处在长轴两侧表面中部偏内部 万方数据 爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s 第3 8 卷第6 期 p 、 链 踌 a 1 8 0r ／m i n 时边界上的温度分布云图； b A 、B 、c 和温度最高点温度随时间变化的曲线 图81 8 0r ／m i n 转速下的温度情况 分，温度梯度以长轴为中轴从最高温度处沿径向递 减液流与橡胶接触部分温升明显，其余部分温升较 小，液流的总体温升比较小，随着转速的增加，泵内 基质的温度明显增加。 当转速从1 4 ．3 r ／r a i n 增加至1 8 0 r ／m i n ，泵内基 质温度仅从9 3 ℃增加至9 8 ．8 ℃，具体情况如图9 。 但泵内基质的温升速率最高却从0 ．2 7 8 0 C ／m i n 增加 至1 3 ．1 4 ℃／m i n ，温度上升速率明显增快，如图1 0 。 即基质对泵的散热量增大，泵的系统温度仍然是比 较快地上升。 图9 不同转速下泵内基质最高温度曲线 图1 0 不同转速下泵内基质最高温升速率曲线 根据文献[ 9 ] 可得，乳化炸药基质的临界发火 温度为2 4 5 0 C 左右，因此当转速达到1 8 0r ／m i n 后， 一旦螺杆泵发生堵塞或者发生空料运转事故，将可 能在1 0m i n 左右的时间引发爆炸事故，因此对于泵 送乳化炸药基质的螺杆泵一定要限制其转速，以便 有足够长的反应时间来排除发生的故障，而且对于 实际的生产过程来说，增加螺杆泵的转速，对于输送 压力的增加有限，所以在实际的生产过程中不宜转 速过快。 5 结论 通过对乳化炸药的输送设备单螺杆泵内的乳化 基质的温度分布情况的模拟和分析，主要得出以下 结论。 1 从不同转速下泵内的温度分布云图可以看 出，泵内的温度分布规律是一致的，并不随着转速的 改变而变化。温度最高处在长轴两侧表面中部偏内 部分，温度梯度以长轴为中轴从最高温度处沿径向 递减液流与橡胶接触部分温升明显，其余部分温升 较小，液流的总体温升比较小。随着转速的增加，泵 内基质的温度明显增加。 2 当转速从1 4 ．3r ／m i n 增加至1 8 0r ／m i n 过 程中，泵内基质温度仅从9 3 ．O ℃增加至9 8 ．8 。C 。但 泵内基质的最高温升速率却从0 ．2 7 8 ℃／r a i n 增加至 1 3 ．1 4 。C ／m i n ，基质温度的温升速率要比基质温度的 升高快得多，泵的转速比较高时，基质可在短时间内 升至发火点。 3 螺杆泵的转速增加一定程度上并不能增加 螺杆泵的压力，但是却显著地增加了泵内乳胶基质 的温升速率，所以在实际生产过程中应严格控制螺 杆泵的转速，保证安全生产。 参考文献 [ 1 ] B l u mH F ．A m m o n i u mN i t r a t eE m u l s i o nB l a s t i n gA g e n t a n dM e t h e do fP r e p a r i n gS a m e ．U S P ．3 4 4 7 9 7 8 ．1 9 6 9 ． [ 2 ] D a v i dE ．G ．J o n 铭，H o n g t uF e n g ，e ta 1 ．P a r a m e t e r sa f f e c t - 万方数据 2 0 0 9 年1 2 月基于有限元分析的泵送过程螺杆泵受热研究徐志祥等 1 3 i r I gt h et h e r m a lb e h a v i o u ro fe m u l s i o ne x p l o s i v e [ J ] ． T h e r m o c h i m i c a lA c t a ，1 9 9 9 3 31 3 7 4 4 ． [ 3 ] R ．T u r c o R e ，P ．D ．L i g h t f o o t ，e ta 1 ．T h e r m a lh a z a r da s s e s s - m e n to fA Na n dA N b a s e de x p l o s i v e s [ J ] ．J o u r n a lo fh a z - a r d o u sm a t e r i a l s ，2 0 0 3 A 1 0 1 l 一2 7 ． [ 4 ] 周新利，刘祖亮，吕春绪．岩石乳化炸药绝热分解安全 性的加速量热法分析[ J ] ．火炸药学报，2 0 0 3 ，2 6 2 6 2 ～6 5 ． [ 5 ] 傅智敏，冯宏图，冯长根，等．用加速量热仪研究乳化 炸药的热稳定性[ J ] ．安全与环境学报，2 0 0 1 ，1 3 2 2 ．2 5 ． [ 6 ] X ．H ．W a n g ，X ．J ．L i ，e ta 1 ．R e s e a r c ho f t h e r m a ld e c o m p o - s i t i o nk i n e t i cc h a r a c t e r i s t i co fe m u l s i o n e x p l o s i v eb a s e c o n t a i n i n gF ea n dM nd e m e n t s [ J ] ．J o u r n a ldt h e r m a l8 ． n a l y 8 i 8a n dc a l o r r i m e t r y ．2 0 0 7 ．1 6 ． 【7 ] 商跃进．有限元原理与A N S Y S 应用指南[ M ] ．北京清 华大学出版社。2 0 0 5 ． [ 8 ] 周宁．A N S Y S 机械工程应用实例[ M ] ．北京中国水 利水电出版社，2 0 0 6 ． [ 9 ] 汪旭光．乳化炸药 第2 版 [ M ] ．北京冶金工业出版 社。2 0 0 8 ． S t u d yo fS c r e wP u m pH e a t e di nP u m p i n gP r o c e s sB a s e do nF i n i t eE l e m e n tM e t h o d X UZ h i x i a n g ，Y EZ h i w e n ，H UY i t i n g ，L I UD a b i n ，W E IY a n ’a n S c h o o lo fC h e m i c a lE n g i n e e r i n g ，N a n j i n gU n i v e r s i t y0 fS c i e n c e ＆T e c h n o l o g y J i a n g a nN a n j i n g ，2 1 0 0 9 4 [ A B S T R A C T ] B a s e do nt h e n i t ee l e m e n tm e t h o d ，t h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o nr u l eo f8 c r e wp u m pu s e di np u m p i n g p r o c e s so fe m u l s i o ne x p l o s i v eW a Ss t u d i e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o nr u l eo fp u m pi sc o n s i s t e n tw t hd i f - f e r e n t8 p e e d ，a n dd o e sn o tc h a n g e 船r o t a t i n gs p e e dc h a n g e s ．W i t ht h ei n c r e a s eo fr o t a t i n gs p e e d 。t h et e m p e r a t u r eo fe m u l - s i o nm a t r i xh a sr i os i g n i f i c a n tc h a n g e ，b u tt h et e m p e r a t u r er i s er a t ei n c r e a s e do b v i o u s l y ． [ K E YW O R D S ] e m u l s i o ne x p l o s i v e ，t h e r m a la n a l y s i s ，s c r e wp u m p 中国兵工学会民用爆破器材专业委员会 第五届委员名单 共3 4 人 主任委员吕春绪 副主任委员汪旭光张嘉浩夏京宁牛京考颜事龙刘晓苗 总干事宋敬埔 按姓氏笔画为序 委员戈鹤川毛益松王运敏王连军 I 付海峰l龙源 任流润刘大斌刘以钢张同来杨孚多杨祖一 沈兆武邱朝阳陈寿如周瑶周智明范小雄 段昆生赵杰徐天桂徐天瑞郭子庭高晓莉 曹晓宏覃光明 万方数据