一種潛液泵的模態分析及支撐形式改進

鄭繼平，傅顯鈞，覃剛，趙雷剛，易奇昌，白俊江

一種潛液泵的模態分析及支撐形式改進

鄭繼平，傅顯鈞，覃剛，趙雷剛，易奇昌，白俊江

為提高潛液泵的質量和性能，運用有限元法對某潛液泵進行靜強度計算和模態分析，分析液泵共振，改進同心管結構的支撐形式。結果表明，改進支撐以后減少了共振階次，在一定程度上緩解了共振帶來的不良影響。

潛液泵；有限元；模態

潛液泵作為一種船用液貨裝載系統的配套設備，主要作為貨油泵使用。此外，潛液泵還具有掃艙和船艙清潔排水的功能和作用。隨著液貨船的發展，對液貨泵的設計和開發提出了更高的要求[1-2]。

某型號潛液泵由液壓馬達驅動，主要結構件為輸油泵、高壓管、回油管、隔離管、貨油管、監測管、掃艙管等。高壓管、回油管和隔離管由內到外裝配在一起，形成一種同心管結構，簡稱同心管[3-4]。高壓管回油管間隙11 mm,回油管與隔離管間隙3 mm。潛液泵的強度和模態振型直接影響潛液泵工作的可靠性、穩定性。泵振動主要由機械原因和流體作用引起，通過匹配工況與泵的選型，調整轉子和靜子等措施可以緩解振動[5-6]。王新海等[7]也采用數值模擬方法對對船用離心泵的振動問題進行過研究，并取得一定效果。由于潛液泵為細長結構，受力狀況復雜，模態振型復雜，以潛液泵的固有頻率作為研究對象，可以從改變結構的固有頻率來達到改善振型的目的。本文以有限元軟件為工具對潛液泵進行結構靜力學分析和模態分析，針對潛液泵在工作區附近存在的共振問題進行研究，并根據現有工作條件改進了支撐結構形式，改善了振型。

1 工況分析

某型號潛液泵上部安裝在甲板上，液貨管、同心管和離心泵安裝在液貨艙里，在液貨管、同心管中間設置一個支撐，離心泵殼體外設置一個支撐，這兩個支撐固定在船艙里；潛液泵軸系以3 010 r/min高速運轉，潛液泵受設備自重、工作葉輪對潛液泵葉輪的軸向力、橫向力、轉矩、高壓管壓力、隔離管壓力、回油管壓力的作用，工況十分惡劣。

2 結構有限元分析

2.1 材料

結構主體部分的材料采用Q345B，屈服強度為345 MPa；同心管、支撐圈、法蘭、液貨管材料為316 L，屈服強度為210 MPa; 甲板支撐為304不銹鋼，屈服強度為210 MPa;軸材料為35CrMo，屈服強度為530 MPa;泵殼和葉輪部分材料，屈服強度為250 MPa，密度ρ為7 850 kg/mm3，彈性模量E為2.0×105MPa，泊松比υ為0.3。

2.2 模型處理

對三維PROE模型局部作簡化處理后導入ANSYS軟件，以提高有限元模型的網格質量。使用實體-殼單元“SOLSH190”和實體單元“SOLID186”模擬機架結構,見圖7。坐標系：總體笛卡爾坐標系[8]。

2.3 約束和載荷

約束。潛液泵上部在甲板支撐座上，中部支撐圈和下部支撐圈約束橫向平移自由度，釋放軸向自由度。見圖2。

載荷。潛液泵軸轉速為3 010 r/min、結構重力、葉輪力矩、葉輪反力、高壓管壓力、回油管壓力、隔離管壓力。在結構相應部位施加載荷，加載見圖3。

首先對潛液泵進行靜力學分析。根據靜力學計算公式[8]：

Kx=F

式中：K為剛度矩陣；x為位移矢量；F為力矢量。

采用有限元分析軟件ANSYS對結構進行分析，按照ABS船級社規范對潛液泵結構進行強度校核(安全系數取1.5)。對于結構的靜強度分析，采用第四強度理論進行校核，von-Mises(米賽斯等效應力)即σeqv應當滿足以下條件：

式中：σeqv為等效應力；σ1，σ2和σ3為第1、2、3主應力；σ為許用應力。

模態分析是用來確定結構的振動特性的一種技術，通過它可以確定自然頻率、振型和振型參與系數。進行模態分析可以使結構設計避免共振或以特定的頻率進行振動；使設計師認識到結構對不同類型的動力載荷是如何響應的；有助于在其他動力分析中估算求解控制參數[9]。

在已有約束和載荷的狀態下對潛液泵進行模態分析，預應力模態方程[10]為

式中：K為剛度矩陣，M為質量矩陣；ωi為振動頻率；φi為模態。

采用有限元法進行模態分析，提取潛液泵的固有頻率。

2.4 計算結果

計算結果表明，結構強度滿足要求，現僅以高壓管和離心泵殼體為例說明計算結果。圖4、圖5分別為高壓管應力分布和離心泵殼體應力分布。高壓管最大應力值為151.67 MPa，出現在管路內壁，強度滿足；適配器最大應力185.16 MPa在外側應力集為局部應力集中；周圍應力128 MPa，強度滿足；泵殼體最大應力125 MPa，強度滿足；軸的最大應力234 MPa,強度滿足要求，見圖6。

在以上靜力學分析的約束和載荷下，對潛液泵前24階模態進行分析，得到如表1所示的模態分析結果。對所有的模態振型進行整理分析，潛液泵的額定轉速為3 010 r/min，計算出固有頻率為

f=n/t=3 010/60=50.166 7Hz

取激勵頻率接近固有頻率50%～110%(25.083～55.183 Hz)作為研究區間。其中常用工作區段為固有頻率附近10%范圍，即(45.17～55.183 Hz)。經分析可知，在共振區附近的頻率有多階振型，工作區附近的頻率有9階。共振區主要振型表現在高壓管、回油管、隔離管、貨油管、監測管等管路上，其中高壓管，回油管，貨油管上的共振會嚴重影響潛液泵的正常工作，應盡量避免。為此必須在各管路之間加支撐。

表1 潛液泵前24階模態和振型

3 結構改進措施

3.1 支撐的確定

由于受結構安裝的限制，每個管之間增加支撐的數量不能超過3個，所以必須研究如何在有限的支撐下減少共振的階次。

由于最外層的隔離管與中間層的回油管間隙只有3 mm,不能安裝隔套，故在隔離管表面擠壓3 mm深的凹坑，使隔離管與回油管局部壓緊形成接觸支撐；中間層回油管與內層高壓管之間間隙11 mm,可以采用隔套支撐。

之前設計者是直接根據潛液泵整體結構的振型調整支撐，帶有一定的盲目性和隨機性，達不到明顯效果。現針對高壓管、回油管、隔離管進行單獨的模型分析，計算不同數量支撐條件下結構固有頻率，結果見表2～4。增加支撐的依據是：盡量避開固有頻率±10%范圍(45.17～55.183 Hz)區段，且頻率盡量遠離固有頻率(50.166 7 Hz)。根據分析結果，確定高壓管添加3個支撐，回油管添加2個支撐，隔離管與貨油管增加1個連接。支撐布置如圖7所示。監測管和掃艙管按1 000 mm間距布置12個管夾，管夾一端焊接在貨油管上。

表2 高壓管固有頻率匯總表 Hz

表3 回油管固有頻率匯總表 Hz

表4 隔離管固有頻率匯總表 Hz

3.2 結果的驗證

增加支撐以后在50%～110%(25.083～55.183 Hz)工作頻率范圍內，系統仍存在多階固有頻率，主要出現在監測管、隔離管、回油管、高壓管上。避開了貨油管共振。90%～110%(45.17～55.183 Hz)之間有六階振型，其中高壓管僅存在一階振型110%固有頻率頻率附近，在最常用的在90%～105%固有頻率之間,同心管避開了共振。潛液泵頻率及振型見表5。

表5 增加支撐后的頻率

4 結論

針對潛液泵共振的問題進行分解，分別對共振主要構件的振型和支撐方式進行研究，確定支撐位置，并組合在一起調整支撐位置。根據此方法調整支撐形式以后取得較顯著效果，結果表明，增加支撐后有效減少了共振階次，改善了振型。由于潛液泵為復雜細長結構，此方法也不能完全避免共振，對于共振問題還需進一步研究。共振問題的研究，對于提高產品質量和可靠性有重要的現實意義和理論價值。

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(武漢船用機械有限責任公司，武漢 430084)

Modal Analysis and Support Method Improvement of a Diving Liquid Pump

ZHENG Ji-ping, FU Xian-jun, QIN Gang, ZHAO Lei-gang, YI Qi-chang, BAI Jun-jiang

(Wuhan Marine Machinery Plant Co., Ltd, Wuhan 430084, China)

In order to improve the quality and performance of the diving liquid pump, the static strength and modal analysis of a type of diving liquid pump was carried out by finite element method. The support method of concentric pipes was improved according to the sympathetic vibration of the diving liquid pump. The numerical results showed that the sympathetic vibration ranks and adjective effect are reduced in a certain extent after improving the support method.

diving liquid pump; finite element method; modal

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.01.012

2016-09-30

國家發改委項目(發改辦高技[2015]1409號)

鄭繼平(1973—)，男，碩士，工程師研究方向:機械結構研究、設計

U664.5

A

1671-7953(2017)01-0049-04

修回日期：2016-10-31