海水泵的振动与模态分析

王 　 珲，　彭 彦 平，　庞 桂 兵，　张 利 萍，　郑 　 镭

(大连工业大学 机械工程及自动化学院, 辽宁 大连　116034 )



海水泵的振动与模态分析

王 珲，彭 彦 平，庞 桂 兵，张 利 萍，郑 镭

(大连工业大学 机械工程及自动化学院, 辽宁 大连116034 )

船用海水泵在工作时产生的振动噪声较大，会影响泵使用性能及危害工作人员身体健康。选择泵体、转子系统、隔离套以及外转子作为分析对象，采用有限元分析方法，利用ANSYS软件对其进行模态分析。通过模态分析得到泵的各个主要零部件的固有频率及振型。对比工作中可能产生的振动频率，确认了泵的系统产生共振的可能性非常小，保证了海水泵工作时的安全性与可靠性。海水泵的模态分析方法为后续进行泵的动力学分析及优化设计提供了参考依据。

海水泵；振动噪声；模态分析；固有频率；振形

0　引　言

离心泵是将原动机的机械能利用离心力转化为输送介质能量的一种通用机械设备。工作原理上海水泵属于离心泵。海水泵制造精度要求高，耐海水腐蚀，可以抽含有颗粒和油分的液体，同时具有输出流量稳定、流量大、体积超小等特点，因此在海军装备、海洋工程、水下作业、海洋开发等领域有着广阔的应用前景。船用海水泵在使用过程中，有可能在外界激振力以及自身激振力的作用下造成泵体非正常振动，产生较大的噪声，影响泵的正常运行。噪声与振动不仅危害船上人员的身体健康，并且使泵的使用性能下降，严重时将导致泵无法正常运行甚至损坏。因此，对海水泵进行有限元模态分析，避免其在外界或自身激振力作用下产生共振非常必要。

许多学者对泵的振动噪声与模态分析进行了研究，高新民等[1]从离心泵产生振动噪声的因素出发，对某型船用离心泵进行了设计制造改进，对改进后泵进行流场模拟与底板模态分析，减少了泵的振动。黄国富等[2]基于CFD性能预报的叶片泵现代设计方法对某型船用立式离心泵进行了低振动低噪声的改型设计。杜喆华等[3]联合采用模态分析和CFD的现代设计分析方法，对某船用离心泵进行了改进设计。在以前的研究中，通常只是对海水泵体单独进行有限元模态分析，而对外转子和隔离套等容易变形的零件很少进行分析。本文根据泵体的实际结构特点,用Soildworks三维软件进行建模，运用ANSYS有限元软件对泵体、转子系统、外转子和隔离套进行模态分析，得到了固有频率和振形。分别对泵体、转子系统、外转子和隔离套进行了有限元分析，极大程度地确保了泵体工作时的稳定性和安全性。对泵体模型进行适当合理的简化，在保证精度的条件下节省了大量的运算时间。模态分析得到的海水泵的振动特性，对后续海水泵的动力学分析与优化设计具有一定的参考价值。

1　ANSYS模态分析概述

模态分析是用来确定结构的振动特性的一种技术，通过它可以确定固有频率、振型和振型参数。模态分析是所有动力学分析类型的最基础内容[4-6]。

若结构中没有阻尼系统，通常可用方程(1)表示结构振动。

(1)

自由振动在线性系统中满足方程

(2)

式中：φi为第i阶模态形状的特征向量，ωi为第i阶自然振动频率，t为时间。

将方程(2)代入(1)中得

(3)

从式(3)中得到特征方程

(4)

通过式(4)可以求得ωi，将ωi带入式(3)可以求出第i阶模态形状的特征向量φi。

通过上述算法计算即可得出固有频率ωi和振形φi。

在ANSYS中提取模态的方法有Block Lanczos法、子空间法、Power Dynamics法、减缩法等。使用何种模态提取方法主要取决于模型大小和具体的应用场合。

2　海水泵的模态分析

本文所分析的海水泵泵体与电机连接方式是通过电机轴带动外转子旋转，外转子与内转子中间有一层磁材料，外转子通过磁力作用带动内转子转动，内转子通过键使泵轴旋转进而带动叶轮工作。

2.1海水泵壳体的模态分析

海水泵的壳体是重要的过流部件，泵壳体运行时的不稳定，会造成整个泵产生剧烈振动，严重影响泵的正常工作，降低泵的使用性能。海水泵壳体尺寸相对较大，振动的同时会伴随噪声，对环境带来影响[7-9]。

2.1.1泵体前处理

运用Solidworks三维软件对海水泵壳体进行建模，泵体上存在的倒角以及非定位的小尺寸孔对模态分析结果影响不大，划分网格时可能出现不规则形状并且增加单元数量，降低计算的运行速度，因此将其省略，将修改后的模型导入ANSYS中作为模态分析的几何模型[10-11]。综合海水泵壳体的结构特点，选择实体单元SOLID187 作为分析时的单元类型。根据泵体实际中所选择的材料，定义分析中的材料属性，弹性模量2×1011N/m2，泊松比为0.3。在模态分析中须定义密度，为7.85×103kg/m3，然后对实体模型的网格进行划分，壳体实体模型划分成453 632个单元，为后续加载与求解作准备。

2.1.2泵体加载和求解

进入求解器，定义求解类型为模态分析。选择Block Lanczos方法作为模态提取方法。ANSYS 模态分析中不存在力的运算，因此不需要在泵体上施加载荷。海水泵壳体在实际安装中，底脚是通过4个螺栓与底板相连，因此对泵体底脚的4个螺纹孔全部自由度进行约束。检查操作无误后进行求解，并将求解的结果扩展，以便观察壳体振形及对结果进行后处理。

2.1.3泵体后处理

通过求解过程，可以在后处理器中得到泵体的各阶固有频率以及相对应的振形图，得到海水泵泵体前6阶固有频率，如表1所示，泵体的前两阶振形图，如图1和图2所示。

模态分析得到的泵体的前六阶固有频率均在650 Hz以上，海水泵运行时转子的转动频率为50 Hz，远低于泵体的第一阶固有频率，不会使泵体发生共振现象。图1、图2表明泵体在一、二阶固有频率振动下变形最大的位置在泵的出口位置，泵的进口和出口变形较小，不会因为振动使进出口管路连接松动，避免了泄漏。

表1泵体、隔离套子和外转子前六阶固有频率

Tab.1Firsttosixordernaturalfrequencyofpumpbody,shaftsleeveandouterrotor

阶数f/Hz泵体隔离套外转子一阶667.27985.44930.34二阶810.22986.85931.41三阶916.231433.70953.84四阶1005.901646.60953.60五阶1201.901647.402116.00六阶1261.801721.602116.30

图1　泵壳体一阶振形图

图2　泵壳体二阶振形图

2.2隔离套的模态分析

隔离套在海水泵中固定在泵体上，泵在运行时泵轴及内转子中充满液体，隔离套主要起到密封的作用，将内转子与外转子分开。由于隔离套壁厚较薄，同时与内外转子间隔距离较小，若产生振动变形时隔离套可能与内转子外转子接触，加剧隔离套的磨损并会影响泵的正常工作。因此对隔离套需要进行模态分析。由于隔离套与液体直接接触，选择材料时选择耐腐蚀材料。根据实际选择的材料定义材料的密度、弹性模量和泊松比。隔离套通过8个螺栓固定在泵体上，对隔离套的8个螺纹孔全部自由度施加零位移约束。检查无误后进行求解，在后处理中得到隔离套的前六阶固有频率(表1)，隔离套的前二阶振形图，如图3、图4所示。

图3　隔离套的一阶振形图

图4　隔离套的二阶振形图

模态分析后得到隔离套前六阶固有频率，最低固有频率为985.44 Hz，远远高于转轴的频率50 Hz，因此泵轴转动时不会引发隔离套发生共振。如果转子不对中，频率为转轴频率2倍的激振频率振动较大。如果基础松动时，频率为转轴频率3～5倍的激振频率振动较大。隔离套的最低阶固有频率也远远高于上述情况可能产生的最大激振频率250 Hz，保证了隔离套的工作安全性。图 3、图4表明了隔离套子在一、二阶固有频率下共振时的变形情况，变形最大处在隔离套前段，不会与内外转子接触。

2.3外转子的模态分析

海水泵的外转子尺寸较小、厚度较薄，发生振动时会产生较大变形，与磁性材料接触，接触处摩擦严重，影响泵正常工作且会降低外转子与磁体材料的使用寿命，须对其进行分析[12]。

采用对泵体、隔离套分析方法对外转子进行模态分析，得到外转子的前六阶固有频率(如表1所示)，外转子的前二阶振形图如图5、图6所示。

仿真得到的外转子一阶固有频率为930.34 Hz，若转轴和基础发生振动时，振动频率不会引起外转子共振。从图5和图6可以看出，外转子共振时，圆周方向尺寸减小，可能与磁体材料接触。

图5　外转子的一阶振形图

图6　外转子的二阶振形图

2.4转子系统的模态分析

海水泵转子系统由转轴、叶轮、轴承组成，是海水泵重要的工作部件。若转轴系统发生振动，将会使海水泵扬程降低并且效率下降，因此对转子系统进行模态分析 。

叶轮建模时，由于叶片为三维空间扭转叶片，划分网格时不易划分，因此将叶轮的质量等效的加到叶轮前盖板上[13]。在Solidworks中将转轴、叶轮、轴承组成装配体，再导入ANSYS中进行模态分析。得到装配体的前六阶固有频率，如表2所示，转子系统的前两阶振形图如图7、图8所示。

通过表2可以看出转子系统第一阶固有频率远远高于转轴转速，不会使转子系统发生共振，确保了转子系统工作的安全性。

表2　转子系统前六阶固有频率

图7　转子系统的一阶振形图

图8　转子系统的二阶振形图

3　振动测试数据及分析

对设计制作的泵进行了实际振动测试，得到了泵各个测试点的振动烈度数据。由于各个测试点的数据分布相似，图9是某点的数据图形，横坐标为频率，纵坐标为振动烈度。从图中可以看出：

①在50 Hz频带处，加速度有一峰值，实际是工频(2 900 r/min，约48.33 Hz)引起的振动，说明转子动平衡精度不高；

②100 Hz频带约为2倍工频，此处振动加速度较大，说明电机轴与泵轴对中精度不高；

③783、821 Hz频带处，分析认为振动加速度较大，是由于轴承精度、配合面轴精度不高，轴承间隙变化等引起的振动。

在1 000 Hz以下并未发生较大的共振现象，说明模态分析的结果是可信的。

图9　振动烈度测试数据

4　结　语

利用ANSYS对泵体、转子系统、外转子和隔离套进行模态分析，得到了它们前六阶固有频率和相关振形。根据仿真数据得知，泵体、转子系统、外转子和隔离套的各阶固有频率中，最低固有频率为667.27 Hz,避免了由于转轴或者基础松动导致其发生共振的可能性，确保了泵工作时的安全性。从振形图得知，隔离套振动时不会与内外转子相接触，提高了隔离套的使用寿命，保证了密封的可靠性。外转子振动时圆周径向尺寸减小，可能与磁体材料接触，设计时改变隔离套的结构，使外转子能够安全平稳的带动内转子转动。海水泵测试结果，表明海水泵工作运行平稳，不存在较大的振动及噪声，没有发生共振现象，从而证明了模态分析的可靠性。利用ANSYS对零件进行模态分析，具有良好的求解精度，振形图直观易懂，为后面进行的谐响应分析与瞬态分析做了充分的准备。

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Vibration and modal analysis of seawater hydraulic pump

WANGHui,PENGYanping,PANGGuibing,ZHANGLiping,ZHENGLei

(School of Mechanical Engineering and Automation, Dalian Polytechnic University, Dalian 116034, China )

Marineseawaterhydraulicpumpproduceslargervibrationandnoisewhenitisworking,whichaffectsperformanceofthepumpsandharmshealthofbodyandmindoftheworkers.Thepumpbody,rotorsystem,outerrotorandshaftsleevewerechosenasanalysisobject,usingthefiniteelementmethodandANSYSonthemodalanalysis.Comparingthenaturalfrequencyandvibrationshapeofthepartsoftheseawaterhydraulicpumpobtainedbymodalanalysiswithvibrationfrequencyproducedwhenitisworking.Itwasverifiedthatpumpsystemhadlittlepossibilitycausingresonance,ensuringthesecurityandreliabilityofseawaterhydraulicpumpwhenitwasworking.Modalanalysisofthepumpprovidedreferentialbasisforthedynamicsanalysisandoptimizationdesign.

seawater hydraulic pump; vibration noise; modal analysis; natural frequency; vibration shape

王珲,彭彦平,庞 桂 兵,张利萍,郑镭.海水泵的振动与模态分析[J].大连工业大学学报,2016,35(4):308-312.

WANG Hui, PENG Yanping, PANG Guibing, ZHANG Liping, ZHENG Lei. Vibration and modal analysis of seawater hydraulic pump[J]. Journal of Dalian Polytechnic University, 2016, 35(4): 308-312.

2015-03-16.

王 珲(1990-)，男，硕士研究生；通信作者：彭彦平(1962-)，男，教授.

TH113.1

A

1674-1404(2016)04-0308-05