基于ANSYS的葉片泵軸的建模與模態分析

【摘 要】采用ANSYS有限元軟件建立了葉片泵軸的實體模型，并進行了模態分析，得到葉片泵軸的固有頻率和振型特征。通過對葉片泵軸結構參數進行修改，使其固有頻率遠離葉片泵噪音頻率范圍，避免噪聲的產生，為葉片泵的進一步研究提供了參考依據。

【關鍵詞】葉片泵；模態分析；噪音

Modeling and modal analysis of vane pump shaft based on FEM

WU Wei

（LiaoningTiger Leap fast Yatung Bus Inc Fuxin Management Office Liaoning Fuxin 123000 China）

【Abstract】Entity model of vane pump shaft and modal analysis were done by using ANSYS finite element software. Then the natural frequency and characteristics of mode types were gained.The natural frequency of vane pump shaft were out of the frequency range of noise by modifying the structure parameters of vane pump shaft. Noise was avoided. Reference basis for the further study on vane pump is provided.

【Key words】Vane pump shaft；Modal analysis；Noise

目前葉片泵成為各行各業液壓系統中一種重要的輔助工作泵。隨著科技的快速發展，葉片泵正朝著高速、低噪音、大功率以及高壓的趨勢發展[1]。在50 年代，國外的葉片泵工作壓力為14.0MPa，其噪音可達到75dB（A）。到60年代，噪音的影響得到國外的重視，并相繼進行研究，一些性能優良低噪音的葉片泵相繼問世，其噪音范圍小于65dB（A）。到70～80年代，日本油研公司研發出一款新型葉片泵，其噪聲值范圍為55～63dB（A）。美國也研制出低噪音性能優良的葉片泵，典型的產品：Denison“T6”系列及Vickers系列葉片泵[2-5]。在國內，葉片泵的噪音值還處在高范圍內，所以降低噪音成為亟待解決的問題。如今一些國內學者開始研究降低噪音這一課題。如降低葉片泵的裝配誤差以及其零件的制造誤差。而從振動學角度分析，零件的剛度影響著振動體的固有頻率范圍，所以提高避免葉片泵各零件的剛度，避免各零件的固有頻率接近噪音的頻率。本文以葉片泵軸為研究對象，采用ANSYS有限元方法，找出葉片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，從而降低葉片泵在工作中的噪音的產生。

1.葉片泵噪聲的范圍

葉片泵噪聲的頻率一般可由下式給出：

f■=kzn60 HZ （1）

式中：k—諧波次數，k=1，2，…；

z—葉片數，z=10；

n—泵軸旋轉速度，泵的工作范圍 n=600～1800r/min。

葉片泵噪聲諧波次數為2或4。且諧波次數為2、4時葉片泵噪聲的頻率分別為：

f■=2*12（600～1800）60=（240～720）HZ （2）

f■=4*12（600～1800）60=（480～1440）HZ （3）

由此可知葉片泵的噪聲范圍為（240～1440）HZ。

2.軸有限元模型建立與模態分析

2.1泵體模型的建立

選擇Solid/10 node 92單元，葉片材料為40Cr，其材料特性參數為：彈性模量：EX=2.06e5MPa、泊松比：μ=0.3、密度：ρ=7.9e-9tonne/（mm）3。對軸采用自由網格劃分，其結果如圖1所示。在轉子內花鍵處施加x、y、z三個方向的自由度約束。采用Block Lanczos 分析方法來進行分析。為保證分析精確，定義輸出10階固有頻率和振型結果。

圖1 軸網格劃分

Fig. 1 The draft mesh

2.2 模態分析

軸的前10階模態如圖2所示。

圖2 軸各階頻率

Fig.2 The draft frequency bands

葉片泵的噪聲范圍為（240～1440）HZ。由圖2分析可知：軸的1、2階固有頻率處于葉片泵的噪聲頻率范圍內，會發生共振，所以需要對其進行改進。選取軸前6階振型位移變化云圖如圖3所示。

第一階模態 第二階模態

第三階模態 第四階模態

第五階模態 第六階模態

圖3 軸有限元振動特性分析

Fig.3 Daft finite element analysis of the vibration characteristics

2.3 軸的結構改進

軸的各部分結構中最容易更改的是與軸承和密封圈連接處的尺寸，因其他的如外連接尺寸一般涉及到用戶的連接尺寸，而與組件連接的部分若更改會涉及到相當復雜的各個零件的更改。所以更改軸的與軸承和密封圈連接處的尺寸由原來的直徑25mm改為35mm。

葉片泵軸改進前后前10階固有頻率對比分析如表1所示：

表1 改進前后對比

Tab.1 Natural frequency of ten mode shapes

從表1改進前后軸的前10階頻率值分析可知：軸的第1、2階模態的振動頻率超出了1440Hz，離開了葉片泵噪聲的頻率范圍。且6～10階模態的振動頻率也遠遠超出噪聲頻率范圍。從而避免了噪音的產生。

3.結論

本文以葉片泵軸為研究對象，采用有限元方法對其進行模態分析，并對軸的剛度進行了調整，得到如下結論：葉片泵軸的1、2階模態的固有頻率在葉片泵噪聲頻率范圍內；通過調整軸的剛度，使葉片泵軸1、2階固有頻率遠離葉片泵噪聲的頻率范圍，從而避免葉片泵軸的噪音產生。

【參考文獻】

[1]胡陽.葉片泵噪聲及研究[J].液壓與氣動，2004.2.

[2]黎克英，陸祥生著.葉片式液壓泵和馬達[M].北京：北京工業出版社，1993.

[3]A.W.NEASE，A.C.MORSE.“A Solution to pump ripple in the space shuttle flight control system”.PaP.Am.Soc.Mech.Eng，[80-C2-AERO-5]，1980.

[4]BECKA.Hydraulic mufflers for noise and vibration control[J].Proc.natl.conf.Fluid power，vol.36，1982.

[5][美]R.H.萊昂著.盛元生，顧偉豪等譯.機器噪聲和診斷學[M].北京：科學出版社，1987.9.