王 　 琿，　彭 彥 平，　龐 桂 兵，　張 利 萍，　鄭 　 鐳

(大連工業(yè)大學(xué) 機械工程及自動化學(xué)院, 遼寧 大連　116034 )

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海水泵的振動與模態(tài)分析

王 琿，彭 彥 平，龐 桂 兵，張 利 萍，鄭 鐳

(大連工業(yè)大學(xué) 機械工程及自動化學(xué)院, 遼寧 大連116034 )

船用海水泵在工作時產(chǎn)生的振動噪聲較大，會影響泵使用性能及危害工作人員身體健康。選擇泵體、轉(zhuǎn)子系統(tǒng)、隔離套以及外轉(zhuǎn)子作為分析對象，采用有限元分析方法，利用ANSYS軟件對其進(jìn)行模態(tài)分析。通過模態(tài)分析得到泵的各個主要零部件的固有頻率及振型。對比工作中可能產(chǎn)生的振動頻率，確認(rèn)了泵的系統(tǒng)產(chǎn)生共振的可能性非常小，保證了海水泵工作時的安全性與可靠性。海水泵的模態(tài)分析方法為后續(xù)進(jìn)行泵的動力學(xué)分析及優(yōu)化設(shè)計提供了參考依據(jù)。

海水泵；振動噪聲；模態(tài)分析；固有頻率；振形

0　引　言

離心泵是將原動機的機械能利用離心力轉(zhuǎn)化為輸送介質(zhì)能量的一種通用機械設(shè)備。工作原理上海水泵屬于離心泵。海水泵制造精度要求高，耐海水腐蝕，可以抽含有顆粒和油分的液體，同時具有輸出流量穩(wěn)定、流量大、體積超小等特點，因此在海軍裝備、海洋工程、水下作業(yè)、海洋開發(fā)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。船用海水泵在使用過程中，有可能在外界激振力以及自身激振力的作用下造成泵體非正常振動，產(chǎn)生較大的噪聲，影響泵的正常運行。噪聲與振動不僅危害船上人員的身體健康，并且使泵的使用性能下降，嚴(yán)重時將導(dǎo)致泵無法正常運行甚至損壞。因此，對海水泵進(jìn)行有限元模態(tài)分析，避免其在外界或自身激振力作用下產(chǎn)生共振非常必要。

許多學(xué)者對泵的振動噪聲與模態(tài)分析進(jìn)行了研究，高新民等[1]從離心泵產(chǎn)生振動噪聲的因素出發(fā)，對某型船用離心泵進(jìn)行了設(shè)計制造改進(jìn)，對改進(jìn)后泵進(jìn)行流場模擬與底板模態(tài)分析，減少了泵的振動。黃國富等[2]基于CFD性能預(yù)報的葉片泵現(xiàn)代設(shè)計方法對某型船用立式離心泵進(jìn)行了低振動低噪聲的改型設(shè)計。杜喆華等[3]聯(lián)合采用模態(tài)分析和CFD的現(xiàn)代設(shè)計分析方法，對某船用離心泵進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計。在以前的研究中，通常只是對海水泵體單獨進(jìn)行有限元模態(tài)分析，而對外轉(zhuǎn)子和隔離套等容易變形的零件很少進(jìn)行分析。本文根據(jù)泵體的實際結(jié)構(gòu)特點,用Soildworks三維軟件進(jìn)行建模，運用ANSYS有限元軟件對泵體、轉(zhuǎn)子系統(tǒng)、外轉(zhuǎn)子和隔離套進(jìn)行模態(tài)分析，得到了固有頻率和振形。分別對泵體、轉(zhuǎn)子系統(tǒng)、外轉(zhuǎn)子和隔離套進(jìn)行了有限元分析，極大程度地確保了泵體工作時的穩(wěn)定性和安全性。對泵體模型進(jìn)行適當(dāng)合理的簡化，在保證精度的條件下節(jié)省了大量的運算時間。模態(tài)分析得到的海水泵的振動特性，對后續(xù)海水泵的動力學(xué)分析與優(yōu)化設(shè)計具有一定的參考價值。

1　ANSYS模態(tài)分析概述

模態(tài)分析是用來確定結(jié)構(gòu)的振動特性的一種技術(shù)，通過它可以確定固有頻率、振型和振型參數(shù)。模態(tài)分析是所有動力學(xué)分析類型的最基礎(chǔ)內(nèi)容[4-6]。

若結(jié)構(gòu)中沒有阻尼系統(tǒng)，通?？捎梅匠?1)表示結(jié)構(gòu)振動。

(1)

自由振動在線性系統(tǒng)中滿足方程

(2)

式中：φi為第i階模態(tài)形狀的特征向量，ωi為第i階自然振動頻率，t為時間。

將方程(2)代入(1)中得

(3)

從式(3)中得到特征方程

(4)

通過式(4)可以求得ωi，將ωi帶入式(3)可以求出第i階模態(tài)形狀的特征向量φi。

通過上述算法計算即可得出固有頻率ωi和振形φi。

在ANSYS中提取模態(tài)的方法有Block Lanczos法、子空間法、Power Dynamics法、減縮法等。使用何種模態(tài)提取方法主要取決于模型大小和具體的應(yīng)用場合。

2　海水泵的模態(tài)分析

本文所分析的海水泵泵體與電機連接方式是通過電機軸帶動外轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，外轉(zhuǎn)子與內(nèi)轉(zhuǎn)子中間有一層磁材料，外轉(zhuǎn)子通過磁力作用帶動內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，內(nèi)轉(zhuǎn)子通過鍵使泵軸旋轉(zhuǎn)進(jìn)而帶動葉輪工作。

2.1海水泵殼體的模態(tài)分析

海水泵的殼體是重要的過流部件，泵殼體運行時的不穩(wěn)定，會造成整個泵產(chǎn)生劇烈振動，嚴(yán)重影響泵的正常工作，降低泵的使用性能。海水泵殼體尺寸相對較大，振動的同時會伴隨噪聲，對環(huán)境帶來影響[7-9]。

2.1.1泵體前處理

運用Solidworks三維軟件對海水泵殼體進(jìn)行建模，泵體上存在的倒角以及非定位的小尺寸孔對模態(tài)分析結(jié)果影響不大，劃分網(wǎng)格時可能出現(xiàn)不規(guī)則形狀并且增加單元數(shù)量，降低計算的運行速度，因此將其省略，將修改后的模型導(dǎo)入ANSYS中作為模態(tài)分析的幾何模型[10-11]。綜合海水泵殼體的結(jié)構(gòu)特點，選擇實體單元SOLID187 作為分析時的單元類型。根據(jù)泵體實際中所選擇的材料，定義分析中的材料屬性，彈性模量2×1011N/m2，泊松比為0.3。在模態(tài)分析中須定義密度，為7.85×103kg/m3，然后對實體模型的網(wǎng)格進(jìn)行劃分，殼體實體模型劃分成453 632個單元，為后續(xù)加載與求解作準(zhǔn)備。

2.1.2泵體加載和求解

進(jìn)入求解器，定義求解類型為模態(tài)分析。選擇Block Lanczos方法作為模態(tài)提取方法。ANSYS 模態(tài)分析中不存在力的運算，因此不需要在泵體上施加載荷。海水泵殼體在實際安裝中，底腳是通過4個螺栓與底板相連，因此對泵體底腳的4個螺紋孔全部自由度進(jìn)行約束。檢查操作無誤后進(jìn)行求解，并將求解的結(jié)果擴展，以便觀察殼體振形及對結(jié)果進(jìn)行后處理。

2.1.3泵體后處理

通過求解過程，可以在后處理器中得到泵體的各階固有頻率以及相對應(yīng)的振形圖，得到海水泵泵體前6階固有頻率，如表1所示，泵體的前兩階振形圖，如圖1和圖2所示。

模態(tài)分析得到的泵體的前六階固有頻率均在650 Hz以上，海水泵運行時轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動頻率為50 Hz，遠(yuǎn)低于泵體的第一階固有頻率，不會使泵體發(fā)生共振現(xiàn)象。圖1、圖2表明泵體在一、二階固有頻率振動下變形最大的位置在泵的出口位置，泵的進(jìn)口和出口變形較小，不會因為振動使進(jìn)出口管路連接松動，避免了泄漏。

表1泵體、隔離套子和外轉(zhuǎn)子前六階固有頻率

Tab.1Firsttosixordernaturalfrequencyofpumpbody,shaftsleeveandouterrotor

階數(shù)f/Hz泵體隔離套外轉(zhuǎn)子一階667.27985.44930.34二階810.22986.85931.41三階916.231433.70953.84四階1005.901646.60953.60五階1201.901647.402116.00六階1261.801721.602116.30

圖1　泵殼體一階振形圖

圖2　泵殼體二階振形圖

2.2隔離套的模態(tài)分析

隔離套在海水泵中固定在泵體上，泵在運行時泵軸及內(nèi)轉(zhuǎn)子中充滿液體，隔離套主要起到密封的作用，將內(nèi)轉(zhuǎn)子與外轉(zhuǎn)子分開。由于隔離套壁厚較薄，同時與內(nèi)外轉(zhuǎn)子間隔距離較小，若產(chǎn)生振動變形時隔離套可能與內(nèi)轉(zhuǎn)子外轉(zhuǎn)子接觸，加劇隔離套的磨損并會影響泵的正常工作。因此對隔離套需要進(jìn)行模態(tài)分析。由于隔離套與液體直接接觸，選擇材料時選擇耐腐蝕材料。根據(jù)實際選擇的材料定義材料的密度、彈性模量和泊松比。隔離套通過8個螺栓固定在泵體上，對隔離套的8個螺紋孔全部自由度施加零位移約束。檢查無誤后進(jìn)行求解，在后處理中得到隔離套的前六階固有頻率(表1)，隔離套的前二階振形圖，如圖3、圖4所示。

圖3　隔離套的一階振形圖

圖4　隔離套的二階振形圖

模態(tài)分析后得到隔離套前六階固有頻率，最低固有頻率為985.44 Hz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于轉(zhuǎn)軸的頻率50 Hz，因此泵軸轉(zhuǎn)動時不會引發(fā)隔離套發(fā)生共振。如果轉(zhuǎn)子不對中，頻率為轉(zhuǎn)軸頻率2倍的激振頻率振動較大。如果基礎(chǔ)松動時，頻率為轉(zhuǎn)軸頻率3～5倍的激振頻率振動較大。隔離套的最低階固有頻率也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于上述情況可能產(chǎn)生的最大激振頻率250 Hz，保證了隔離套的工作安全性。圖 3、圖4表明了隔離套子在一、二階固有頻率下共振時的變形情況，變形最大處在隔離套前段，不會與內(nèi)外轉(zhuǎn)子接觸。

2.3外轉(zhuǎn)子的模態(tài)分析

海水泵的外轉(zhuǎn)子尺寸較小、厚度較薄，發(fā)生振動時會產(chǎn)生較大變形，與磁性材料接觸，接觸處摩擦嚴(yán)重，影響泵正常工作且會降低外轉(zhuǎn)子與磁體材料的使用壽命，須對其進(jìn)行分析[12]。

采用對泵體、隔離套分析方法對外轉(zhuǎn)子進(jìn)行模態(tài)分析，得到外轉(zhuǎn)子的前六階固有頻率(如表1所示)，外轉(zhuǎn)子的前二階振形圖如圖5、圖6所示。

仿真得到的外轉(zhuǎn)子一階固有頻率為930.34 Hz，若轉(zhuǎn)軸和基礎(chǔ)發(fā)生振動時，振動頻率不會引起外轉(zhuǎn)子共振。從圖5和圖6可以看出，外轉(zhuǎn)子共振時，圓周方向尺寸減小，可能與磁體材料接觸。

圖5　外轉(zhuǎn)子的一階振形圖

圖6　外轉(zhuǎn)子的二階振形圖

2.4轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的模態(tài)分析

海水泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)由轉(zhuǎn)軸、葉輪、軸承組成，是海水泵重要的工作部件。若轉(zhuǎn)軸系統(tǒng)發(fā)生振動，將會使海水泵揚程降低并且效率下降，因此對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析 。

葉輪建模時，由于葉片為三維空間扭轉(zhuǎn)葉片，劃分網(wǎng)格時不易劃分，因此將葉輪的質(zhì)量等效的加到葉輪前蓋板上[13]。在Solidworks中將轉(zhuǎn)軸、葉輪、軸承組成裝配體，再導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行模態(tài)分析。得到裝配體的前六階固有頻率，如表2所示，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的前兩階振形圖如圖7、圖8所示。

通過表2可以看出轉(zhuǎn)子系統(tǒng)第一階固有頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速，不會使轉(zhuǎn)子系統(tǒng)發(fā)生共振，確保了轉(zhuǎn)子系統(tǒng)工作的安全性。

表2　轉(zhuǎn)子系統(tǒng)前六階固有頻率

圖7　轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的一階振形圖

圖8　轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的二階振形圖

3　振動測試數(shù)據(jù)及分析

對設(shè)計制作的泵進(jìn)行了實際振動測試，得到了泵各個測試點的振動烈度數(shù)據(jù)。由于各個測試點的數(shù)據(jù)分布相似，圖9是某點的數(shù)據(jù)圖形，橫坐標(biāo)為頻率，縱坐標(biāo)為振動烈度。從圖中可以看出：

①在50 Hz頻帶處，加速度有一峰值，實際是工頻(2 900 r/min，約48.33 Hz)引起的振動，說明轉(zhuǎn)子動平衡精度不高；

②100 Hz頻帶約為2倍工頻，此處振動加速度較大，說明電機軸與泵軸對中精度不高；

③783、821 Hz頻帶處，分析認(rèn)為振動加速度較大，是由于軸承精度、配合面軸精度不高，軸承間隙變化等引起的振動。

在1 000 Hz以下并未發(fā)生較大的共振現(xiàn)象，說明模態(tài)分析的結(jié)果是可信的。

圖9　振動烈度測試數(shù)據(jù)

4　結(jié)　語

利用ANSYS對泵體、轉(zhuǎn)子系統(tǒng)、外轉(zhuǎn)子和隔離套進(jìn)行模態(tài)分析，得到了它們前六階固有頻率和相關(guān)振形。根據(jù)仿真數(shù)據(jù)得知，泵體、轉(zhuǎn)子系統(tǒng)、外轉(zhuǎn)子和隔離套的各階固有頻率中，最低固有頻率為667.27 Hz,避免了由于轉(zhuǎn)軸或者基礎(chǔ)松動導(dǎo)致其發(fā)生共振的可能性，確保了泵工作時的安全性。從振形圖得知，隔離套振動時不會與內(nèi)外轉(zhuǎn)子相接觸，提高了隔離套的使用壽命，保證了密封的可靠性。外轉(zhuǎn)子振動時圓周徑向尺寸減小，可能與磁體材料接觸，設(shè)計時改變隔離套的結(jié)構(gòu)，使外轉(zhuǎn)子能夠安全平穩(wěn)的帶動內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。海水泵測試結(jié)果，表明海水泵工作運行平穩(wěn)，不存在較大的振動及噪聲，沒有發(fā)生共振現(xiàn)象，從而證明了模態(tài)分析的可靠性。利用ANSYS對零件進(jìn)行模態(tài)分析，具有良好的求解精度，振形圖直觀易懂，為后面進(jìn)行的諧響應(yīng)分析與瞬態(tài)分析做了充分的準(zhǔn)備。

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Vibration and modal analysis of seawater hydraulic pump

WANGHui,PENGYanping,PANGGuibing,ZHANGLiping,ZHENGLei

(School of Mechanical Engineering and Automation, Dalian Polytechnic University, Dalian 116034, China )

Marineseawaterhydraulicpumpproduceslargervibrationandnoisewhenitisworking,whichaffectsperformanceofthepumpsandharmshealthofbodyandmindoftheworkers.Thepumpbody,rotorsystem,outerrotorandshaftsleevewerechosenasanalysisobject,usingthefiniteelementmethodandANSYSonthemodalanalysis.Comparingthenaturalfrequencyandvibrationshapeofthepartsoftheseawaterhydraulicpumpobtainedbymodalanalysiswithvibrationfrequencyproducedwhenitisworking.Itwasverifiedthatpumpsystemhadlittlepossibilitycausingresonance,ensuringthesecurityandreliabilityofseawaterhydraulicpumpwhenitwasworking.Modalanalysisofthepumpprovidedreferentialbasisforthedynamicsanalysisandoptimizationdesign.

seawater hydraulic pump; vibration noise; modal analysis; natural frequency; vibration shape

王琿,彭彥平,龐 桂 兵,張利萍,鄭鐳.海水泵的振動與模態(tài)分析[J].大連工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2016,35(4):308-312.

WANG Hui, PENG Yanping, PANG Guibing, ZHANG Liping, ZHENG Lei. Vibration and modal analysis of seawater hydraulic pump[J]. Journal of Dalian Polytechnic University, 2016, 35(4): 308-312.

2015-03-16.

王 琿(1990-)，男，碩士研究生；通信作者：彭彥平(1962-)，男，教授.

TH113.1

A

1674-1404(2016)04-0308-05