陳春軒

(天恒長鷹股份有限公司，北京 100083)

0 引言

螺桿泵屬于容積式轉(zhuǎn)子泵，三螺桿泵的主要元件包括一個經(jīng)過精密加工的殼體——襯套、襯套內(nèi)部的一個主動螺桿和呈對稱分布的兩個從動螺桿，在主軸軸向方向上三螺桿泵通過三個構(gòu)件精密的配合產(chǎn)生相互密閉的腔室，使得液體產(chǎn)生壓差，從而均勻、連續(xù)的從低壓區(qū)流向高壓，完成液體的輸送[1]，三螺桿泵工作原理示意圖如下。

Fig.1 Schematic diagram of working principle of triple screw pump

三螺桿以其相對與其他類型的泵，穩(wěn)定強，振動噪音低，吸上性能好，具有自吸能力的優(yōu)點被廣泛應用于現(xiàn)代機械工業(yè)以及船舶上，但是在一些振動噪音要求較高的場合比如軍工，氣動流體力學精密制造業(yè)等也常常出現(xiàn)振動噪音不能達標的情況，針對這個問題，本文對此進行了詳細的探討。

1 振源

引起振動的原因錯綜復雜，簡單分類包括1機械振動，2水力脈動，3電磁振動三個主要方面[2]。

機械振動，引起機械振動的原因有，轉(zhuǎn)子動不平衡，機組的軸線對中差，安裝錯位，連接件以及緊固件剛度不足以及泵組本身的工作頻率和其固有頻率相近而產(chǎn)生的共振等等。

水力脈動，引起水力脈動的原因有，進出口壓力分布的不均勻，液體在襯套和泵體之間產(chǎn)生的脫流，偏流和擾流，以及由于種種原因引起的泵的氣蝕等，有時水力脈動能引起泵組或者部件的共振。

電磁振動，引起電磁振動的原因有，電機本身三相電壓的不平衡和以及其他電氣系統(tǒng)的失常等。例如三相異步電動機由于轉(zhuǎn)子，定子之間諧波磁通相互作用而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子，定子之間的交變徑向磁拉力。

2 泵組的激勵響應及模態(tài)分析

2.1 CAE先驗分析

泵的重量、安裝條件、接口尺寸及外形尺寸、進出口管路安裝等滿足實際工況的條件下對泵進行建模，泵組的三維模型見圖2。

圖2 泵組三維模型Fig.2 Three dimensional model of pump group

利用ansys軟件對泵組系統(tǒng)進行模態(tài)分析，前12階振型如圖3所示。

第1階(f1=16.8 Hz)

第2階(f1=32.1 Hz)

第3階(f1=39.6 Hz)

第4階(f1=41.5 Hz)

第5階(f1=52.8 Hz)

第6階(f1=85.4 Hz)

第7階(f1=111.2 Hz)

第8階(f1=241.9 Hz)

第9階(f1=261.3 Hz)

第10階(f1=312.5 Hz)

第11階(f1=338 Hz)

第12階(f1=395.5 Hz)

2.2 實驗驗證

在安裝狀態(tài)下，分別對底座和泵體應用錘擊法，單次錘擊方式進行模態(tài)實驗，所得結(jié)果見表1。

表1 模態(tài)實驗結(jié)果Table 1 Modal experiment results

通過對比可以發(fā)現(xiàn)，CAE分析和實驗結(jié)果相差小于8%，但是CAE分析的方法更便于進行優(yōu)化和設計，縮短研發(fā)周期。從頻率分布和振型圖可以發(fā)現(xiàn)在52 Hz處泵體入口存在局部模態(tài)，這與2940 r/min的基頻相接近，395 Hz與軸頻的8倍頻相接近，容易發(fā)生共振。

3 主從桿的激勵響應和模態(tài)分析

如果轉(zhuǎn)子存在動不平衡或者不對中的情況，將激發(fā)軸頻以及軸的2倍頻。不平衡力的值可通過式(1-1)得到。

F=mω2rcosωt[3]

(1-1)

本泵組所使用的電機實際轉(zhuǎn)速為2850 r/min，軸頻約為50 Hz，進實驗檢測在50 Hz和100 Hz處存在加速度分量，因此可以認定不平衡和不對中是存在的。

對主從桿是否會出現(xiàn)共振，可以通過實驗測量其固有頻率的分布，然后通過和振動加速度的頻譜進行對比，觀察頻譜中是否存在固有頻率，如果有則產(chǎn)生了共振，反正則沒有。

這里通過CAE分析得到主從桿的固有頻率分布及振型。

4 流場的分析

通過實驗結(jié)合fluent流場分析，可以得到泵組水力脈動的如下特點：

圖4 主桿的頻率及振型Fig.4 The frequency and mode of the main rod

圖5 從桿的頻率及振型Fig.5 From the frequency and mode of the driven rod

(a) 泵的進口處，可能發(fā)生局部氣蝕，引發(fā)較大的振動噪聲。

(b) 泵的進口和出口處發(fā)生一定程度的回流。

(c) 液體流速過大時，發(fā)生較強的湍流而引起泵組的湍振。

(d) 由于密封不嚴而造成的的泄露一定程度上會引發(fā)壓力脈動。

5 電磁場分析

1) 定子繞組磁場的極對數(shù)(不包括基波在內(nèi))

v=(6k1+1)p[4]

其中齒諧波的極對數(shù)

v=k1*z1+p=36k1+1=-35 37 -71 73

2) 轉(zhuǎn)子鼠籠繞組磁場的極對數(shù)(不包括基波在內(nèi))

μ=k2z2+p=28k2+1=-27 29 -57 59

-83 85

k2=±1,±2,±3,……

然后，依據(jù)振動力波階數(shù)公式：n=|v±μ|，計算得出振動力波階數(shù)n。對于中小型電機，只需要計算n<5即可。因此下中只給出了n<5的數(shù)據(jù)。

表2 電動立式三螺桿泵拖動電機振動力波階數(shù)Table 2 Electric force vertical triple screw pump vibration motor vibration force order

由表2可知，當n=4，說明電磁振動不大(電磁力的大小大致與階數(shù)的平方成反比)，這里僅計算對電磁力影響較大的低階力。只選取n<4時對應的數(shù)據(jù)，由波頻率計算公式：

×50

(v,u異號時m為0，同號時m為+2)[5]

計算得出結(jié)果：

(1)k2=-1,Z2=28,S=0.67%,A=0，f=695(Hz)

(2)k2=-1,Z2=28,S=0.67%,A=0，f=595(Hz)

(3)k2=1,Z2=28,S=0.67%,A=0，f=795(Hz)

(4)k2=-2,Z2=28,S=0.67%,A=0，f=

1290(Hz)

(5)k2=-2,Z2=28,S=0.67%,A=0，f=1390(Hz)

(6)k2=2,Z2=28,S=0.67%,A=0，f=1490(Hz)

(7)k2=-3,Z2=28,S=0.67%,A=0，f=2086(Hz)

(8)k2=3,Z2=28,S=0.67%,A=0，f=2086(Hz)

(9)k2=3,Z2=28,S=0.67%,A=0，f=2086(Hz)

(10)k2=3,Z2=28,S=0.67%,A=0，f=2186(Hz)

經(jīng)過上文中的計算，電動立式三螺桿泵拖動電機各階點此頻率如表3所示。

表3 電機頻率分布Table 3 Motor frequency distribution

6 改進方案

6.1 底座拓撲優(yōu)化

針對前面論述的泵組低頻和高頻和軸頻有部分耦合的現(xiàn)象以及底座剛度不足的等缺陷，現(xiàn)對泵底座進行拓撲優(yōu)化，產(chǎn)出設計方案如圖6所示。

圖6 底座設計方案Fig.6 Base design

針對方案1的不足，設計出方案2。

設計要點如下：

1 提高底座的剛度，防止其變形，并控制其質(zhì)量；

2 保存油路；

3 經(jīng)過載荷的核算，發(fā)現(xiàn)泵組的中心位于中后偏下位置，中間的減振器懸空，因此可以取消前面兩個減振器，保留六個減振器，力學性能符合要求；

4 減少泵軸和電機軸之間的軸兼具，重新設計連接架。

經(jīng)過試驗驗證

發(fā)現(xiàn)使用方案2比方案1在低頻區(qū)間取得更好的振動指標，相比改進前振動加速度級降低了5-8 db，詳細測試過程比較復雜，這里不再論述。

6.2 水力模型的優(yōu)化設計

對水力模型的優(yōu)化設計主要包括以下幾個方面：

1.運用cfd軟件對泵的內(nèi)部流場進行分析，使螺桿上的壓力分布相對均勻，減少泵的回流；

2.優(yōu)化設計密封環(huán)，減少泄露；

3.優(yōu)化泵體進口，使得液體進入襯套的流速相對均勻。

4.在保證外形尺寸，水力性能和重量的條件下，降低襯套內(nèi)部的液體流速。

6.3 電機振動性能的優(yōu)化

首先對電機的振動傳播路徑進行測試。測點分布如圖7所示。

圖7 測點分布圖Fig.7 Distribution map of measuring point

然后對電機進行空載測試。

結(jié)合前面的實驗以及分析結(jié)果可以對電機振動做出初步的診斷。

然后結(jié)合電機供應廠商進行結(jié)構(gòu)和工藝的改進。

另外，經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)對供電電纜等部件進行電磁隔離可以有效降低電磁振動等級。

6.4 其他優(yōu)化

包括添加主動吸振裝置，關鍵部件的加工工藝的優(yōu)化等等，這里不在一一論述。

7 結(jié)語

本文采用實驗，理論推導，仿真模擬相結(jié)合的方式系統(tǒng)論述了三螺桿泵振動的振源，振動的分析以及對振動的控制和優(yōu)化。主要包括以下幾個方面。

1 振源確定，主要包括機械，電磁，水力脈動引起的振動；

2.泵組振動響應和模態(tài)分析；

3.關鍵件的振動響應和模態(tài)分析；

4.電機振動的分析；

5.一系列優(yōu)化改進的方案。