呂洪燕，孫秋花，彭彥平（.遼寧輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系；.大連工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 大連 6034）

自吸泵轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)特性分析

呂洪燕1，孫秋花2，彭彥平2
（1.遼寧輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系；2.大連工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 大連 116034）

對(duì)磁力自吸泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行了有限元模態(tài)分析，得到了葉輪轉(zhuǎn)子各階固有頻率和振形。證明葉輪轉(zhuǎn)子最低階固有頻率遠(yuǎn)高于工作環(huán)境激振頻率，不會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象。對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行了諧響應(yīng)分析，在出現(xiàn)峰值情況下的頻率遠(yuǎn)高于轉(zhuǎn)子主頻。分析時(shí)對(duì)葉輪轉(zhuǎn)子模形進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，實(shí)踐證明仿真的結(jié)果比較接近實(shí)際值。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析為后續(xù)泵轉(zhuǎn)子優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了重要的參考依據(jù)。

Ansys；自吸磁力泵；模態(tài)分析；固有頻率；諧響應(yīng)分析

0　引言

轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)的研究理論與研究技術(shù)的迅速發(fā)展以及計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展，為離心泵葉輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性分析的開展提供了可靠的保證。早期的旋轉(zhuǎn)機(jī)械結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單?？梢园艳D(zhuǎn)子看作由圓盤裝在無(wú)重的彈性轉(zhuǎn)軸上，而轉(zhuǎn)軸的兩端由完全剛性即不變形的軸承及軸承座支持。這種模型稱為剛性支撐的轉(zhuǎn)子。根據(jù)這種模型進(jìn)行分析計(jì)算所得的概念和結(jié)論在轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)中是最基本的東西［1］。

離心泵是一種旋轉(zhuǎn)式流體機(jī)械，以轉(zhuǎn)子為工作主體，轉(zhuǎn)軸與葉輪構(gòu)成了離心泵的轉(zhuǎn)子，運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)有各種各樣的原因?qū)е罗D(zhuǎn)子系統(tǒng)發(fā)生振動(dòng)，它不僅會(huì)降低泵的工作效率，產(chǎn)生噪音，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成事故，影響泵的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，因此對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析具有重要意義。許多學(xué)者對(duì)泵的振動(dòng)噪聲與模態(tài)分析進(jìn)行了研究，趙萬(wàn)勇等采用Fluent軟件對(duì)某大型雙吸離心泵內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算出不同流量下葉輪所受徑向力，作為葉輪轉(zhuǎn)子有限元分析的邊界條件，進(jìn)行有限元分析，得到振動(dòng)特性［2］。高新民等從離心泵產(chǎn)生振動(dòng)噪聲的因素出發(fā)，對(duì)某型船用離心泵進(jìn)行了設(shè)計(jì)制造改進(jìn)，對(duì)改進(jìn)后泵進(jìn)行流場(chǎng)模擬與底板模態(tài)分析，減少了泵的振動(dòng)［3］。本文根據(jù)磁力自吸泵的實(shí)際結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，用soildworks三維軟件進(jìn)行建模，運(yùn)用Ansys有限元軟件對(duì)自吸磁力泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析與諧響應(yīng)分析，避免泵在工作時(shí)發(fā)生共振。對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析，極大的確保了自吸泵工作時(shí)的安全性。通過(guò)對(duì)泵的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行有限元分析得到的振動(dòng)特性（固有頻率和振形），對(duì)后續(xù)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

1　磁力自吸泵結(jié)構(gòu)分析

磁力自吸泵是一種通過(guò)磁力傳動(dòng)器來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸力矩傳遞從而以靜密封取代動(dòng)密封，使泵達(dá)到完全無(wú)泄漏的目的。它由自吸泵、磁力傳動(dòng)器、電動(dòng)機(jī)三部分組成。由于泵軸、內(nèi)磁轉(zhuǎn)子被泵體、隔離套完全封閉，從而徹底解決了“跑、冒、滴、漏”問(wèn)題，消除了煉油化工行業(yè)易燃、易爆、有毒、有害介質(zhì)通過(guò)泵密封泄漏的安全隱患，有力地保證了職工的身心健康和安全生產(chǎn)［4］。

磁力自吸泵的結(jié)構(gòu)如圖1，由泵體，葉輪，滑動(dòng)軸承，主軸，隔離套，內(nèi)磁鋼，外磁鋼，電機(jī)和底座組成［5］。本文主要對(duì)設(shè)計(jì)的如圖1所示的小型磁力自吸泵結(jié)構(gòu)進(jìn)行轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析。該泵在工作時(shí)轉(zhuǎn)速為2950r/min，主頻為49Hz，葉輪有5個(gè)葉片。

圖1　磁力自吸泵結(jié)構(gòu)示意圖

2　轉(zhuǎn)子系統(tǒng)模態(tài)分析

2.1建模與網(wǎng)格劃分

利用Solidworks三維軟件建立自吸磁力泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)模形，在保證精度的前提下，為了節(jié)約計(jì)算時(shí)間對(duì)葉輪轉(zhuǎn)子進(jìn)行適當(dāng)合理的簡(jiǎn)化，將轉(zhuǎn)子模形導(dǎo)入Ansys中作為模態(tài)分析的幾何模形。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，葉輪材料為06Cr19Ni10，軸的材料為14Cr17Ni2，在Engineering Data中輸入材料的密度、彈性模量、泊松比，程序自動(dòng)劃分網(wǎng)格如圖2。

圖2　自吸泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)有限元模形

對(duì)磁力自吸泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)軸上設(shè)置比其他處大的網(wǎng)格精度，這樣可以得出更多的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力值，使結(jié)果更加精確而又節(jié)省時(shí)間，系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行網(wǎng)格劃分［6］。將轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的實(shí)體模形變?yōu)橛邢拊Ｐ?，為后續(xù)加載與求解做準(zhǔn)備。

2.2轉(zhuǎn)子加載和求解

在這個(gè)步驟中，我們進(jìn)入SOLUTION處理器來(lái)完成求解類型定義，分析選項(xiàng)設(shè)置，施加載荷，載荷選項(xiàng)設(shè)置，并最終求解的流程。加載和求解的步驟又細(xì)分為∶定義分析類型和設(shè)置分析選項(xiàng)、施加載荷、設(shè)置載荷選項(xiàng)、求解［7］。再通過(guò)后處理過(guò)程可以得到轉(zhuǎn)子各階固有頻率及振形的仿真結(jié)果。

2.3結(jié)果后處理

在加載和求解這一步完成后，需要查看計(jì)算結(jié)果，此時(shí)要用后處理器來(lái)完成這項(xiàng)工作，觀察和分析有限元的計(jì)算結(jié)果。可以在后處理器中顯示各階固有頻率和振形，得到各階固有頻率如表1所示。

表1　葉輪轉(zhuǎn)子前十階固有頻率

由表1可以看出，最低固有頻率為1312.4Hz。根據(jù)實(shí)際工作情況，電機(jī)轉(zhuǎn)速為每分鐘2950轉(zhuǎn)，頻率為49Hz，由于葉輪有5個(gè)葉片，故外部激勵(lì)頻率大約是電機(jī)頻率的5倍，大約為245 Hz。最低階固有頻率遠(yuǎn)高于工作環(huán)境激振頻率，不會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象。

3　轉(zhuǎn)子系統(tǒng)諧響應(yīng)分析

3.1諧響應(yīng)分析定義

一個(gè)持續(xù)的周期載荷必將對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生持續(xù)循環(huán)的相應(yīng)，在動(dòng)力學(xué)中通常稱為諧響應(yīng)分析。即分析一個(gè)線性系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)動(dòng)力學(xué)行為［8］。

3.2轉(zhuǎn)子系統(tǒng)諧響應(yīng)分析

根據(jù)圖3、圖4所示，分別在葉輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中的葉輪與內(nèi)磁鋼上進(jìn)行激勵(lì)，得到如下兩個(gè)振動(dòng)位移響應(yīng)-頻率曲線圖。在圖3中可以看出，在變形較大的葉輪上一點(diǎn)沿Y軸的旋轉(zhuǎn)方向的1500～2000Hz，4000～4500Hz范圍內(nèi)值較大，所以與模態(tài)分析所提的二階、八階、九階固有頻率數(shù)據(jù)一致。在圖14中可以看出，在變形較大的內(nèi)磁鋼上一點(diǎn)沿Y軸的旋轉(zhuǎn)方向的3000～3500Hz范圍內(nèi)值較大，與模態(tài)分析所提的七階固有頻率數(shù)據(jù)一致。在出現(xiàn)峰值情況下的轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)高于葉輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速，故不會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)穩(wěn)定性問(wèn)題。

圖3　葉輪振動(dòng)位移響應(yīng)-頻率曲線圖

圖4　內(nèi)磁鋼振動(dòng)位移響應(yīng)-頻率曲線圖

4　結(jié)論

（1）利用Ansys對(duì)葉輪轉(zhuǎn)子進(jìn)行模態(tài)分析，得到了葉輪轉(zhuǎn)子前十階固有頻率和相關(guān)振形，同時(shí)進(jìn)行諧響應(yīng)分析，得到振動(dòng)位移響應(yīng)-曲線圖，進(jìn)行多模態(tài)驗(yàn)證。證明了設(shè)計(jì)的合理性。

（2）根據(jù)仿真數(shù)據(jù)得知，葉輪轉(zhuǎn)子的各階固有頻率中，最低固有頻率為1312.4Hz。根據(jù)實(shí)際工作情況，電機(jī)轉(zhuǎn)速為每分鐘2950轉(zhuǎn)，頻率為49Hz，由于葉輪有5個(gè)葉片，故外部激勵(lì)頻率大約是電機(jī)頻率的5倍，大約為245 Hz。最低階固有頻率遠(yuǎn)高于工作環(huán)境激振頻率，不會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象。確保了自吸泵工作時(shí)的安全性。

（3）實(shí)踐證明本文運(yùn)用的計(jì)算分析方法是可行的，為今后的自吸泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一個(gè)有效的設(shè)計(jì)方法。

［1］鐘一諤，何衍宗，王正，李方澤.轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，1987:1-2.

［2］趙萬(wàn)勇，王磊，白雙寶.大型離心泵轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析［J］.甘肅科學(xué)學(xué)報(bào)，2013，25（01）:80-82.

［3］高新民，陳冰，呂敬高等.船用離心泵減振降噪分析［J］.流體機(jī)械，2011，39（09）:50-53.

［4］劉學(xué)剛，鄒立莉，茍蓮香，所子明.磁力泵研究淺析［J］.通用機(jī)械制造，2011（10）:89-99.

［5］陳偉.國(guó)內(nèi)磁力驅(qū)動(dòng)泵的現(xiàn)狀和發(fā)展［J］.化工部設(shè)備設(shè)計(jì)技術(shù)中心站，1994（03）:45-46.

［6］趙萬(wàn)勇，王磊，白雙寶.大型離心泵轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析［J］.甘肅科學(xué)學(xué)報(bào)，2013，25（01）:83-84.

［7］鄧凡平.ANSYS12.0有限元分析自學(xué)手冊(cè)［M］.北京:人民郵電出版社，2011:41-42.

［8］徐愛(ài)杰.高速電機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性分析［D］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2012:30-32.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.18.176

呂洪燕（1986—），女，遼寧大連人，碩士，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)及理論、氣動(dòng)技術(shù)。