基于ANSYS Workbench的葉片式機油泵軸的模態分析及優化

譚建龍　劉忠偉

（湖南工業大學機械工程學院，湖南　株洲　412007）

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基于ANSYS Workbench的葉片式機油泵軸的模態分析及優化

譚建龍劉忠偉

（湖南工業大學機械工程學院，湖南株洲412007）

摘要：采用ANSYS Woekbench有限元軟件建立了葉片式機油泵軸的有限元模型，并進行了模態分析，得到泵軸的固有頻率和振型特征。通過對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：機油泵軸；模態分析；噪聲

機油泵是發動機潤滑系統的關鍵部件，其振動和噪聲高低問題是衡量葉片泵性能的重要指標［1］。近年來，國內外專家、學者在泵的噪音方面進行了大量研究，積累了一定的經驗，但隨著葉片泵向高速、高壓方向的發展，葉片泵在工作過程中的噪音和振動還是很明顯，嚴重降低了系統效率［2］。現以泵軸為研究對象，采用ANSYS有限元法對其進行模態分析，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，從而降低泵在工作中的噪音的產生。

1　數學模型的建立

動力學的通用運動方程為：

式（1）中：M是質量矩陣；C是阻尼矩陣；K是剛度矩陣；u是節點位移矢量；是節點速度矢量；是節點加速度矢量；F（t）是節點力矢量［3］。

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

泵軸的自由振動為簡諧振動，即位移為正弦函數：

式（3）中：w為模態固有頻率。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（k=2，4）；z為葉片數（z=7）；n為泵軸旋轉速度（n=2 000～5 000）。

當諧波次數為2，4時，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入workbench進行分析模態分析，軸的材料屬性如表1所示。對軸采用自由網格劃分，并對結構重點位置進行局部細化，這樣有利于更加準確有效地進行計算。其劃分結果如圖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方法來進行分析和研究。

3.2軸的模態分析

軸的前6階模態固有頻率如表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，并且會發生共振。因此，需要對軸的結構進行改進。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

表2　軸的前6階模態固有頻率

表3　軸的優化前后固有頻率的對比

圖1　機油泵泵軸的三維模型

圖2　第1階模態圖

3.3軸的結構優化

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，因此需要對泵軸的結構進行優化。由于軸的外連接尺寸和與組件連接的尺寸的更改，會對其他相關的零件產生影響，因此對軸與軸承連接處的尺寸進行修改，由原來的12mm改為18mm，分析其各階固有頻率。優化前后各階固有頻率如表3所示。

圖3　第2階模態圖

圖4　第3階模態圖

圖5　第4階模態圖

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，不能夠發生共振，避免產生噪音。

4　結論

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

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

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。

參考文獻：

［1］黃仕彪.基于ANSYS的葉片模態分析與創新設計［J］.現代設計，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超級學習手冊［M］.北京：人民郵電出版社，2013.

中圖分類號：TK403

文獻標識碼：A

文章編號：1003-5168（2016）01-0073-03

收稿日期：2015-12-18

基金項目：湖南省2015年省市聯合基金“新型汽車發動機潤滑系統中機油泵的節能優化控制策略研究”（2015JJ5025）。

作者簡介：譚建龍（1989-），男，碩士，研究方向：機械設計及理論。

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