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分析水泵转子内的结构动力学

模态是机械结构的固有振动特性(固有频率和振型),每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。模态分析(ModalAnalysis)即自由振动分析,是一种研究结构动力特性的方法。同时,模态分析也是谐响应分析、瞬态分析等其他动力学分析前期必须完成的重要环节。工程实际中,水泵产品设计之前进行模态分析可以有效避免成品使用过程中可能引起的共振。


螺杆转子分析模型的建立是螺杆转子结构动力学分析时的关键步骤。螺杆转子的模态分析中的模型导入、材料属性的设置以及网格划分与静力学分析的步骤及设置是相同的,可以借助模型。不同的是在约束及加载过程中。在对螺杆转子模态分型的过程中,由于外力对转子的固有频率无影响,物体的固有频率和主振型只与构件的刚度特性和质量分布有关,考虑到质量对螺杆转子的固有频率有一定的影响,我们进行预应力的模态分析。在结构动力学分析中,模态分析中只有“零位移”约束是有效的。本文中的双螺杆泵转子一端由圆柱滚子轴承和端盖固定,另一端由圆柱滚子轴承和推力球轴承固定,对转子进行轴向止推径向扶正。在加载边界约束时,采用固定约束和圆柱约束。水泵转子吸入端传递扭矩采用的是AB型平键,广一管道泵转子的正常工作转速为1450r/min。完成三维螺杆转子建模、网格划分及边界条件加载后,利用workbench模块分析中的Modal模态分析求解。在进行模态分析时,振动主要发生在前几阶频率,故求解器设置为前6阶模态分析,求解器控制采用程序控制(ProgramControlled),同时设置求解总变形(TotalDeformation)添加6阶模态变形,可以得到模型的6阶固有频率和振型,其结果如表1所示。

表1:螺杆转子前六阶频率

阶数

1

2

3

4

5

6

频率

184.5

184.62

546.62

548.59

660.82

932.48

通过振型的输出可以清楚的螺杆转子在各频率下的最大形变位置和形变趋势,各阶形变最大值出现的位置都不相同,通过对其频率和振型的分析,对螺杆泵电机的选择提供了参考。

图1:弯曲扭转变形图

弯曲扭转变形图

随着广一水泵厂的分析进行,可以清楚地看到随着分析阶数不同,整个螺杆转子呈现出不同的变形情况。通过振型图可以得出:五阶振型主要为轴向振动,此时螺杆泵吸油口处的变形达到最大值2.87mm。其意义在于,螺杆转子轴向收缩对转子传动轴、轴承配合、间隙以及预紧具有重要影响,但五阶时频率较高,实际工作过程中达不到如此高的频率。六阶振型主要为弯曲轴向变形,振动过程中出现了局部的变形集中,但其最大值小于五阶振动的变形。


当我们观察振型时,可以看到水泵转子与同步齿轮和电机相连接的两端发生了轻微的变形。螺杆转子两端受到同步齿轮重力、以及螺杆转子自身的重力。在工作时由于电机转动,使得整个设备受迫振动,从而致使螺杆转子轻微变形。


谐响应分析(HarmonicResponseAnalysis)是用于确定线性结构在承受一个或多个随时间按正弦(简谐)规律变化的载荷时稳态响应的一种技术。通过分析可以得到结构在特定频率下的响应并得到响应值对频率的曲线。是一种时域分析,计算结构响应的时间里程,但是局限于载荷是简谐变化的情况,只是计算结构的稳定受迫振动,而不是考虑激励开始时的瞬态振动。


求解谐响应运动方程选取模态叠加法(ModeSuperposition),其求解过程在模态坐标系中完成。广一水泵厂采用模态叠加法进行谐响应分析,首先自动进行一次模态分析,程序会自动确定获得准确结果所需的模态数。结合上步模态分析的结果,谐分析部分的求解迅速而高效。在谐响应分析中,响应的峰值与结构的固有频率相对应,由于自然频率已知,Workbench能够将结果聚敛到自然振动频率附近。


在分析树中的AnalysisSetting选项中设置最小频率范围和步长分别为0Hz至200Hz、20Hz间隔,选取模态叠加法,水泵转子传动轴的两段分别施加Z向位移约束和圆柱约束,施加载荷为由电机提供的转矩,施加面位于螺杆转子的螺旋套上。


本研究主要应用Workbench分析软件对螺杆转子进行了预压应力下的数值模拟分析。完成了水泵转子的模态分析,并得出:螺杆转子在预压应力作用下的前六阶固有频率分别为184.5Hz、184.62Hz、546.62Hz、548.59Hz、660.82Hz和932.48Hz;螺杆转子在548.59〜932.48Hz之间螺杆泵的吸油口处测得最大变形;螺杆转子前六阶振动变形主要出现在螺旋套的两端。


当螺杆转子工作转速为1450r/min时,对应的激振频率远小于水泵转子的第一阶固有频率,水泵转子在正常工况运行过程中不会出现共振现象。对水泵转子进行谐响应分析求解,根据螺杆转子在0〜200&频率下的幅值变化曲线,通过观察变形频率响应可以得出,在频率174&时被测位置出现最大位移,同时,出现较大角位移。再次验证了螺杆泵在工况下(24.17fe)不产生共振。


标签:   广一水泵,广一管道泵,广一水泵厂
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点击次数:  更新时间:2018-05-15 18:34:12  【打印此页】  【关闭