一種潛液泵結構支撐方式的優化

，，，，

(1.武漢船用機械有限責任公司，武漢 430084；2.中交一公局三公司，北京 100000)

目前，我國液貨船上使用的潛液泵主要依賴進口，沒有掌握核心技術，成本過高，潛液泵系統亟待國產化[1-2]。基于中海油流花油田開發的15萬t級FPSO,國內相關單位正積極開展液壓潛液泵系統國產化推廣與應用。然而潛液泵細長的主管路系統在泵高速運轉時會引起共振，這對潛液泵系統的可靠性產生嚴重影響[3-5]。已有的研究多集中于單層管道[6-8]，對于潛液泵多層同心管路的振動研究報道較為少見。為此，針對某型號潛液泵研發過程中同心管路在工作頻率附近存在共振的問題，采用有限元軟件對潛液泵進行結構模態進行分析，從振型上分析產生共振的原因，并對管路的支撐方式進行優化設計。

1 潛液泵模態分析

1.1 潛液泵結構、工況及材料屬性

圖1 潛液壓主管路

某型號潛液泵頂部甲板連接部件安裝在液貨船體上，主管路部件和泵頭部件安裝在液貨艙里。主管路和泵頭部分通過3個支撐圈與艙體內壁連接[4]。受液貨船的結構限制，主管路分為5段，各段之間通過法蘭連接。主管路由同心管和液貨管組成，見圖1。同心管內層為高壓管，通液壓馬達高壓腔；中間層為回油管，通液壓馬達回油腔；最外層為隔離管，與外界隔離，起密封監測作用；貨油管輸送液貨。隔離管、回油管在分段處法蘭連接；各段高壓管之間有套管；回油管與高壓管之間有置導向支撐環。在主管路外部布置監測管和掃艙管，通過管夾連接于貨油管外壁。潛液壓載泵葉輪軸系轉速1 850 r/min，潛液泵載荷為重力、葉輪軸轉矩、葉輪軸向力和徑向力、高壓管壓力、回油管壓力、監測管應力、液貨管壓力等。

各部分的材料屬性見表1。

表1 材料屬性

1.2 劃分網格施加約束載荷

采用前處理軟件SpaceClaim對三維模型進行幾何清理和簡化以后導入ANSYS軟件，劃分網格。得到的有限元模型見圖2。

圖2 潛液泵有限元模型

采用笛卡爾座標系，X、Z方向為潛液泵橫向，Y方向為縱向[9]。潛液泵的甲板連接部件和支撐圈的下表面全約束；支撐圈內部隔套板僅約束橫向平移自由度，釋放軸向平移自由度和軸向轉動自由度；葉輪傳動軸部分與軸承座之間以轉動副連接，見圖3。

圖3 邊界條件示意

潛液壓泵葉輪軸轉速為1 850 r/min，載荷為結構部分的重力，葉輪力矩1 018 N·m， 葉輪載荷為Fx=229.67 N，Fz=57.05 N,Fy=9 051 N，高壓管壓力30 MPa,回油管壓力1.5 MPa,隔離管壓力0.15 MPa，見圖4。

圖4 加載示意

1.3 模態計算

有載荷作用的工況下，結構處于應力狀態，此時計算的模態成為預應力模態，預應力模態為

式中：K為剛度矩陣；M為質量矩陣；ωi為振動頻率；φi為模態。[10]

用有限元法計算潛液泵的模態，得到固有頻率和振型結果。

由于驅動馬達的額定轉速為1 850 r/min，此轉速下的工作頻率為30.833 Hz。

額定工作頻率±10%(27.75～33.916 7 Hz)范圍內潛液泵結構可能發生共振。取潛液泵在額定工作頻率附近的10階振型進行對比，得到振型結果見表2。

表2 潛液壓載泵共振模態

注：高-高壓管；監-監測管；掃-掃艙管；貨-貨油管。 為了突出重點，表中列出頻率數值和產生振動的部位，振型部位采用零部件的首字作為簡稱。經分析可知，在額定工作頻率±10%范圍內潛液泵有8階振型，高壓管上有2階振型，貨油管有1階振型，監測管有5階振型。監測管振型對潛液泵正常運轉影響很小，不予考慮。但高壓管和貨油管的共振會可能會對潛液泵正常運行產生不利影響，應盡量避免。

頻率為30.48 Hz和31.48 Hz時，同心管的振型發生在高壓管上；頻率為 32.91 Hz時，雖然監測管振動位移最大，但同時在管夾部位的貨油管局部位移較大，該現象是由于監測管通過管夾將振動傳遞給貨油管產生的。高壓管、監測管、貨油管振型見圖5。

2 支撐形式優化

2.1 優化支撐圈位置

管柱支撐圈共3個，從下到上序號依次為1、2、3，對應距泵吸口的距離分別h1、h2、h3,支撐圈的尺寸基準為支撐隔板下表面；為抑制額定頻率范圍內的同心管和貨油管的共振，對支撐圈的位置進行優化。為避免同心管內外層振型干擾，盡量將支撐圈靠近各管路分段處，根據貨油管處振型結果，將貨油管振幅最大處的管夾(第1支撐圈上方的第3個管夾)去掉，隔離監測管對貨油管的影響。優化方案見圖6。

第2次對潛液泵進行模態計算，結果見表3。

表3 支撐圈優化的振型

經調整支撐圈的位置，振型得到改善。在額定頻率±10%(27.75～33.916 7)范圍內，高壓管有1階振型，監測管有6階振型，液貨管沒有振型。結果表明去掉1個管夾后監測管的振型被有效隔離。

2.2 優化隔離套位置

由于頻率為30.51 Hz時，潛液泵振型發生在高壓管上。為抑制高壓管振型，須在每段高壓管和回油管之間設置隔套以增加高壓管和回油管的橫向剛度。受裝配條件的限制，每段高壓管與回油管之間只能布置1個隔套。根據振型中高壓管變形圖，調整隔離套位置，見圖7。

圖7 潛液壓載泵支撐的位置示意

加隔套以后再次對潛液泵進行模態計算。分析結果見表4。結果表明，在額定頻率±10%(27.75 Hz～33.916 7 Hz)范圍內，監測管有6階振型，同心管和貨油管沒有振型。

表4 隔套優化振型

2.3 總結

將支撐圈和隔離套的布置的位置總結見表5。經仿真分析，優化支撐圈和隔套的支撐方式以后，消除了潛液泵共振區內同心管和貨油管振型。在性能試驗中，泵運行在額定轉速附近時潛液泵管路部分未出現共振。

表5支撐圈和隔套的布置

m

支撐圈距泵吸口距離隔套距泵吸口距離h15.43 L12.68h211.09L26.89h317L312.48L418.04L523.76

3 結論

1)在保證各支撐跨度相差不懸殊的情況下，支撐圈應盡量布置在各段管路的分段處附近，避免同心管路的相互干擾。

2)高壓管隔離套的布置應參考高壓管的振型，有針對性地進行布置。在優化布置過程中可能出現反復，以最大限度抑制同心管的振型。

3)雖然在性能試驗中管路未出現共振，但試驗條件與實際船載環境存在一定差異，在潛液泵系列化過程中應結合實際工況進行深入分析。