譚建龍　劉忠偉

（湖南工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖南　株洲　412007）

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基于ANSYS Workbench的葉片式機(jī)油泵軸的模態(tài)分析及優(yōu)化

譚建龍劉忠偉

（湖南工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖南株洲412007）

摘要：采用ANSYS Woekbench有限元軟件建立了葉片式機(jī)油泵軸的有限元模型，并進(jìn)行了模態(tài)分析，得到泵軸的固有頻率和振型特征。通過對泵軸結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行修改，使其固有頻率遠(yuǎn)離葉片泵噪音頻率范圍，避免噪聲的產(chǎn)生，為葉片泵的進(jìn)一步研究提供了參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：機(jī)油泵軸；模態(tài)分析；噪聲

機(jī)油泵是發(fā)動機(jī)潤滑系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其振動和噪聲高低問題是衡量葉片泵性能的重要指標(biāo)［1］。近年來，國內(nèi)外專家、學(xué)者在泵的噪音方面進(jìn)行了大量研究，積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，但隨著葉片泵向高速、高壓方向的發(fā)展，葉片泵在工作過程中的噪音和振動還是很明顯，嚴(yán)重降低了系統(tǒng)效率［2］?，F(xiàn)以泵軸為研究對象，采用ANSYS有限元法對其進(jìn)行模態(tài)分析，找出泵軸與噪音頻域接近的固有頻率，通過提高其剛度，避免這些頻率的出現(xiàn)，從而降低泵在工作中的噪音的產(chǎn)生。

1　數(shù)學(xué)模型的建立

動力學(xué)的通用運(yùn)動方程為：

式（1）中：M是質(zhì)量矩陣；C是阻尼矩陣；K是剛度矩陣；u是節(jié)點(diǎn)位移矢量；是節(jié)點(diǎn)速度矢量；是節(jié)點(diǎn)加速度矢量；F（t）是節(jié)點(diǎn)力矢量［3］。

在計(jì)算泵軸的固有頻率時(shí)，一般是無阻尼的自由振動。所以，令F（t）=0，則運(yùn)動方程為：

泵軸的自由振動為簡諧振動，即位移為正弦函數(shù)：

式（3）中：w為模態(tài)固有頻率。將（3）式代入（2）式可得

求解方程式（4）得到泵軸的各階固有頻率和相應(yīng)的振型。

2　葉片泵噪音的范圍

葉片泵噪音的頻率一般可由式（5）給出：

式（5）中：k為諧波次數(shù)（k=2，4）；z為葉片數(shù)（z=7）；n為泵軸旋轉(zhuǎn)速度（n=2 000～5 000）。

當(dāng)諧波次數(shù)為2，4時(shí)，葉片泵噪聲的頻率分別為：

可得，葉片泵噪音的頻率范圍是466.7～2 333.3HZ。

3　軸的有限元模型建立與模態(tài)分析

3.1軸有限元模型建立

將proe軟件建立軸的三維模型導(dǎo)入workbench進(jìn)行分析模態(tài)分析，軸的材料屬性如表1所示。對軸采用自由網(wǎng)格劃分，并對結(jié)構(gòu)重點(diǎn)位置進(jìn)行局部細(xì)化，這樣有利于更加準(zhǔn)確有效地進(jìn)行計(jì)算。其劃分結(jié)果如圖1所示，為了研究軸周向的振動，約束軸的x，y，z三個方向的自由度和軸向方向的自由度，約束施加在花鍵位置。采用Block Lanczos方法來進(jìn)行分析和研究。

3.2軸的模態(tài)分析

軸的前6階模態(tài)固有頻率如表2所示。

葉片泵的噪聲范圍為466.7～2 333.3HZ，由表2可知軸的2、3階固有頻率在葉片泵噪聲頻率范圍之間，并且會發(fā)生共振。因此，需要對軸的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。本文選取軸的前四階振型位移變化云圖，如圖2～5所示。

表1　泵軸的材料參數(shù)

表2　軸的前6階模態(tài)固有頻率

表3　軸的優(yōu)化前后固有頻率的對比

圖1　機(jī)油泵泵軸的三維模型

圖2　第1階模態(tài)圖

3.3軸的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由上述分析可知，泵軸的2、3階固有頻率在噪音頻率的范圍內(nèi)，因此需要對泵軸的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。由于軸的外連接尺寸和與組件連接的尺寸的更改，會對其他相關(guān)的零件產(chǎn)生影響，因此對軸與軸承連接處的尺寸進(jìn)行修改，由原來的12mm改為18mm，分析其各階固有頻率。優(yōu)化前后各階固有頻率如表3所示。

圖3　第2階模態(tài)圖

圖4　第3階模態(tài)圖

圖5　第4階模態(tài)圖

由表3分析可知：軸的2、3階固有頻率由2 247.2、2 264.3HZ分別提高到2 389.3、2 402.4HZ，離開了葉片泵噪聲的頻率范圍，不能夠發(fā)生共振，避免產(chǎn)生噪音。

4　結(jié)論

①通過分析得到軸的各階固有頻率，可知軸的2、3階的固有頻率在產(chǎn)生噪音的頻率之內(nèi)。

②本文通過調(diào)整軸的剛度，使軸的2、3階固有頻率不在泵噪聲的范圍之內(nèi)，可以有效的避免產(chǎn)生噪音。

③本文提出了一種新的泵的降噪理論方法，為其他的降噪研究提供了參考依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

［1］黃仕彪.基于ANSYS的葉片模態(tài)分析與創(chuàng)新設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代設(shè)計(jì)，2010（6）：50-52.

［2］胡陽.葉片泵噪聲及其研究［J］.液壓與氣動，2004（2）：26-28.

［3］黃志新，劉成柱.ANSYS Workbench14.0超級學(xué)習(xí)手冊［M］.北京：人民郵電出版社，2013.

中圖分類號：TK403

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-5168（2016）01-0073-03

收稿日期：2015-12-18

基金項(xiàng)目：湖南省2015年省市聯(lián)合基金“新型汽車發(fā)動機(jī)潤滑系統(tǒng)中機(jī)油泵的節(jié)能優(yōu)化控制策略研究”（2015JJ5025）。

作者簡介：譚建龍（1989-），男，碩士，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)及理論。

Modal Analysis and Optimization of Oil Pump Shaft Based on Workbench ANSYS

Tan JianlongLiu Zhongwei
（College of Mechanical Engineering,Hunan University of Technology,Zhuzhou Hunan 412007）

Abstract:The finite element model of vane type oil pump shaft was establish by using finite element software AN?SYS Woekbench,and the modal analysis was carried out to obtain the natural frequency and vibration characteristics of the pump shaft.By modifying the structural parameters of the pump shaft,making the natural frequency is far away from the noise frequency range of the vane pump,which can avoid the generation of noise,and provide a reference for the further research of the vane pump.

Keywords:oil pump shaft;modal analysis;noise