第 1 章 绪论
1.1 选题的背景
浆体输送泵是浆体管道输送系统的心脏[1]，按扬程的不同，可将浆体输送泵分为三类：低扬程的离心泵，高扬程的往复泵，介于离心泵和往复泵之间的隔离泵[2]。在有色金属矿山中，出于对资源再利用的需要以及对环境的保护，统一将其产生的尾矿集中存放于尾矿库，而尾矿库与选矿厂的距离一般比较远，特别是在非平原的山高地少地区，尾矿库地点相比选矿厂来说，越建越远、越建越高，大大的加大了尾矿输送的难度，基于此种情况，旧式的低扬程多级泵站输送效果不再理想。而且这种输送方式，管理极不方便，泄漏现象频发，严重的污染环境[3]。于是，沈阳大学从 80 年代开始承接国家课题，研制了高效且节能环保的水隔离浆体泵[4]，如图1.1 和 1.2 所示，并在 1997 年通过部级审核。当前，该泵已被广泛应用于有色金属矿山及化工矿山中，是替代传统低扬程多级泵站的理想泵种[5]之一。水隔离泵是一种高扬程、高效率、大流量的浆体泵，其功能是输送固体颗粒直径在 4mm[6]以下的两相流介质，如尾矿、精粉矿、水煤浆、污水处理厂污泥、电厂灰渣等，其投资低、管理方便、不占或少占农田、污染低、维护简单，深得相关企业的喜爱。目前水隔离泵具有：（1）扬程与效率极高，备件磨损少，水可以多次循环的使用[7]，大大缩减了运行成本。在隔离罐内，水与浆体被浮球上下分开，且水可以传递动力，避开运动部件与浆体的直接接触，从而处理了运动部件的磨损问题；（2）流量和扬程可以根据需要进行调整，水隔离泵的动力是由离心清水泵提供的，由于型号比较多，其流量范围比较宽，在调整范围内，不需要更换水隔离泵所有的设备[8]，而只需要替代清水泵，便可以调整水隔离泵的输送量及扬程；（3）水隔离泵运行频率低，各部件寿命比较长，隔离罐的容积较大，泵内各阀门开关的频率较低，延长了过流部件的使用时间，结构简单，便于维修[9]；（4）为方便实现流量的自动控制，根据厂家要求，可以使用变频调速装置[10]；（5）上位机操作台可以对现场设备运行的实时情况进行远程控制与显示，方便厂家了解实时的设备输送量与管路系统的压力[11]；（6）从经济方面来讲，相对而言，水隔离泵更加经济实惠，目前得到众多相关企业的广泛使用。
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1.2 国内外研究现状
近几十年，国内外都在致力于研究符合以下四个方面的浆体输送泵：（1）运行性能方面：大流量、高扬程、满足管道梯度大和距离远的要求[13]；（2）抗腐蚀与磨损方面：设备和执行部件抗磨损与腐蚀，安全使用时间长，可以输送高浓度浆体；（3）效率方面：输送效率高，能耗低，运行费用低；（4）其它方面：整体质量轻、结构简单、管理方便、操作简单可靠。水隔离泵是由清水泵、清水阀、止回阀、隔离设备、控制设备等构成的，其优良的特点非常适用于国内矿山行业、化工行业等领域的需求，经过近几十年的改进发展，水隔离泵现在已经成为具备运行可靠平稳、智能化水平高、管理极为简单方便的尾矿输送泵种，已在我国浆体管道输送领域中占有绝对优势，国内外的企业越来越多的重视水隔离泵的研究与创新[14]。目前，已在许多选矿厂中被广泛的推广使用。
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第 2 章 LSGB1000/64 水隔离泵清水阀的特性
2.1 LSGB1000/64 水隔离泵简介
LSGB1000/64 水隔离泵主要由 PLC 控制系统、液压站、六个清水阀、隔离罐、六个逆止阀等装置构成。LSGB1000/64 水隔离泵是一种高扬程、大流量与运行效率极高的浆体输送泵。它是由喂料泵 18 向三个隔离罐甲、乙、丙的浮球下部提供矿浆，同时，用高压清水泵向隔离罐甲、乙、丙的浮球上部供清水，利用清水作为动力，通过浮球 13-15，把清水压力传递给矿浆，将矿浆通过排浆管道输送到指定的统一储存库。由微机控制系统 22 控制的液压站 21 驱动六个清水阀 1-6 交替的开启和关闭，保证甲、乙、丙三个隔离罐循环不间断的排浆与吸浆。而通过管道压力检测器 16、17 反馈的信息，企业相关工作人员可以通过微机控制系统 22实时的对其进行信号监测。
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2.2 LSGB1000/64 水隔离泵清水阀的构成
水隔离泵清水阀是水隔离泵系统中的重要控制阀门，该系统中有 6个清水阀。水隔离泵清水阀主要由下阀体、阀芯、阀座、阀杆、上阀体、液压缸、法兰以及密封圈、密封盖、压板、挡块等启闭装置组成，其结构简图如图 2.2 所示。因为水隔离泵的运行是循环交替、不间断的进浆和排浆，其水隔离泵隔离罐与清水阀都在交变压力下运行，此时，罐以及阀内的液体被高压压缩，即处于高压下弹性变形状态，一旦开启清水阀，瞬间释放罐内和阀内的能量，将会直接导致隔离罐和清水阀内巨大的液压冲击[28]，此时，清水阀阀杆极易断裂，罐体和管路设备都会在瞬间产生巨大的振动，噪音非常大[29-30]。所以，为了满足水隔离泵清水阀在高压下的正常使用以及泵系统由于振动引起的巨大噪声，需要对水隔离泵清水阀进行结构改进和优化，并研究水隔离泵清水阀的振动机理，以降低振动带来的负面影响。
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第 3 章 LSGB1000/64 水隔离泵清水阀主要零件..........13
3.1 法兰的尺寸 .....13
3.2 无缝管的尺寸 ........14
3.3 阀体及密封副的尺寸 ..........15
3.4 确定阀杆的设计及校核...... 19
3.5 液压缸的设计........ 23
3.6 水隔离泵清水阀主要零件的建模.... 26
3.7 本章小结......... 32
第 4 章 水隔离泵清水阀振动分析和结构改进..........33
4.1 水隔离泵清水阀振动机理......... 33
4.2 水隔离泵清水阀振动噪声来源........ 34
4.3 水隔离泵清水阀的振动改进措施.... 34
4.4 本章小结......... 37
第 5 章 清水阀阀体结构优化设计.........39
5.1 有限元法理论概述....... 39
5.2 ANSYS Workbench 软件简介 .... 41
5.3 阀体结构有限元分析.......... 42
5.4 阀体的结构优化分析 ..........48
5.5 本章小结 .........51
第 6 章 阀杆的结构分析
阀杆是水隔离泵清水阀非常重要的零件之一，上端连接执行件，下端提起阀芯，不仅仅要承受工作介质的压力、冲蚀及腐蚀，而且在其端部要设置连接机构，以满足清水阀与管道设备的安装要求。由于清水阀开启非常频繁，每分钟需要开启两次或三次，每天不间断的运行，清水阀内高压、低压是循环交变的，在清水阀开启时，阀内高压、低压瞬间接通，此时清水阀阀杆极易断裂。尽管第三章对清水阀结构设计时，进行了强度校核和剪切力校核，但是在实际运行工况中，清水阀开启时，阀杆仍然容易断裂，本文采取有限元法和理论强度校核方法[47]分别对设计的阀杆进行强度验证。
6.1 阀杆的结构设计分析
由于阀杆头部与阀芯 T 型槽部分的接触面积比较小，是阀杆极容易断裂的部位，第二章中已经对阀杆进行了结构设计，且进行了强度校核，尽管阀杆的设计符合常规设计标准，但是因为水隔离泵清水阀是非标阀门，在清水阀设计过程中使用的计算公式并不成熟，存在一定的设计盲目性，往往借鉴过去使用的设计方法会导致阀杆头部与阀芯 T 型槽部分的直径尺寸不合理，不符合实际使用，见图 6.1 与图6.2 中Ⅰ与Ⅱ横截面[48]。 更重要的是，在清水阀开启时，阀杆受最大轴向拉力，由于阀内高低压的循环交变，更加剧了清水阀断裂的脆变可能性。在实际运行工况中，一般采取将高压清水阀理论计算的最大轴向力乘以 1.2 的安全系数，以防止阀杆在交变循环压力下的突变而产生的脆断现象，但是尽管这样，我们仍然发现清水阀的阀杆仍然会在使用一定时间后，产生脆断现象，如图 6.3 与图 6.4 所示。在阀杆加速度等变量难以求解而难以进行有限元动力学分析的情况下，本文根据材料力学冲击应力动荷系数求解方程[49]和借鉴近几年的高压清水阀阀杆改良经验[50]，取其安全系数为 1.35。
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结论
本文研究 LSGB1000/64 水隔离泵清水阀开启特性，更好的解决水隔离泵清水阀门开启时，阀内高低压液体瞬间接通而产生的强烈冲击与振动问题，提高清水阀的寿命。本文对 LSGB1000/64 水隔离泵清水阀开启时的特性进行了研究，对清水阀进行了结构设计，完成结构设计之后，在其阀芯部分设计了先导卸荷阀，其次以UG 为建模工具，建立了上阀体、阀杆的参数化模型，以 ANSYS Workbench 为优化分析平台，对上阀体壁厚进行了优化分析，其优化结果达到 16.7%，最后对阀杆进行了有限元法校核和理论强度校核，结果证明阀杆符合清水阀开启时对于试验工况下的需求。
（1）对于公称压力 PN=6.4MPa、公称通径 DN=300mm 的 LSGB1000/64 水隔离泵清水阀进行结构分析和设计，满足 LSGB1000/64 水隔离泵对于清水阀的结构要求，并对设计的清水阀各零部件进行建模，绘制其装配图与爆炸图。
（2）设计先导卸荷阀，采取在阀芯中间位置设计锥形卸荷孔，在清水阀开启时，提前释放高压能量，防止高低压瞬间接通而产生剧烈的振动以及损害。
（3）对设计的上阀体进行结构静力学分析，满足其强度、刚度要求，符合试验工况下的使用需求，并对阀体壁厚进行优化，优化率达到了 16.7%；对之前的阀体壁厚设计公式进行了修正，其修正系数为 0.83。
（4）对设计的阀杆分别采用有限元法校核和理论强度校核的方法对其进行分析，经过两个方面的分析，该阀杆满足清水阀开启时高压与低压往复循环交变的使用环境。
（5）对上阀体和阀杆的有限元分析，为水隔离泵系统中的非标准阀门未来的设计提供了较为实际和成熟的方法，为其提供了借鉴性的意见，使产品的可靠性得到保证，可以看出，有限元技术在未来清水阀的设计中，可以大大的提高设计的水平。
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参考文献（略）