动态分析无堵塞吸粪泵转子特性

2013/10/16 21:47:50      点击:

摘要
应用ANSYS有限元分析无堵塞吸粪泵转子系统的动态特性。采用Solidworks建立SSRl25H型三转子无堵塞转子泵转子实体模型,导入ANSYS软件进行三维有限元模态分析。研究了支承方式和轴承刚度对转子系统固有频率影响规律,为无堵塞吸粪泵结构优化与减振降噪设计奠定理论基础。
关键词
无堵塞转子泵;转子;振动;动态特性;有限元;ANSYS; 吸粪泵 

1引言
随着现代机电装备朝着大型、高速和智能化的发展趋势,转子动力学在旋转机械结构设计、制造及运行过程中的作用愈加突出。转子振动产生噪声,降低工作效率,造成碰撞、磨损、断轴和停机事故,动力学分析是预测与控制振动危害的重要手段。
机械转子系统大多是—个较复杂的传动机构,在结构、材料、 工艺以及运动形态上均存在较大差异,使得动力学行为受到诸多因素影响,精确分析很难实现。工程中,实际转子与筒化力学模型之间有较大区别,要确保分析精度,就要将实际结构合理简化,研究动力学特性与结构参数之间的关系。基于工程结构的复杂性,有限元技术是研究转子动力学的有效工具,近20年来得到了广泛应用。文f‘利用ANSYS有限元软件对轴流通转子泵叶轮的振动特性进行了分析,计算了叶轮固有频率、振型,较手工或半手工算法更真实地反映了实际结构,提高了计算精度,计算结果与试验模态分析很接近,尤其低阶频率下的误差很小。文口利用UG、FLU—ENT软件对转子泵零件进行CAD设计,建立了三维实体模型.应用ANSYS分析转子泵振动特性,使转子泵结构设计与修改更加方便。
对无堵塞转子泵机壳进行了动力学计算与分析,采用SolidWorks 软件绘制转子泵箱体的三维实体图,调用ANSYS进行模态分析与结构强度校核。
从公开文献来看,涉及无堵塞转子泵转子动力学研究较少。本文以SSRl25H型三转子无堵塞转子泵为例,利用ANSYS分析转子动态性能,计算在刚性和弹性支撑情况下主、从动转子的模态参数,分析了转子轴承支撑刚度对固有频率影响规律,为旋塞转子泵结构动态修改与噪声预测评估奠定理论基础。


2无堵塞转子泵转子动态分析数学模型
应用模态分析方法确定无堵塞转子泵转子的动态特性,包括固有频率、振型和稳态响应,采用有限元方法求解具有不规则几何形状转子的振动模态。考虑粘性阻尼影响,有限元动态方程简化为一个n自由度的线性定常二阶微分方程组,即
[M]{x}+[C]{x}+[K]{x}={F} (1)
式中:[M]、[C]、[K]—机壳的离散化质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵;
           {x}一系统的位移列阵,即物理坐标;
           {F}一系统的激励力列阵,包括各种不平衡力、轴承反力和液体脉动力等。


3无堵塞吸粪泵转子结构模型
无堵塞转子泵转子主要由轴、叶轮、齿轮和轴承等几部分组成。
以SSRl25H型三转子无堵塞转子泵为例,主动轴转子总长516mm,三叶Ⅱt-轮外圆半径100mm,谷圆半径44mm,叶峰半径36ram,叶峰圆心到叶轮中心的距离为64mm;叶轮轴长度215mm,叶轮轴最大直径59ram,轴为阶梯状结构;齿轮模数3mm.齿数48,压力角20,分度圆直径144ram,齿宽44ram。该转子材料45钢,杨氏模量200GPa,密度7800kg/m2,泊松比k=0.3。
采用Solidworks绘制无堵塞转子泵转子三维实体结构模型,如图l所示。根据转子结构特点和计算需要,忽略了键槽、倒角等,对转子质量与刚度影响不大。
图1主动转子三维实体结构模型


4转子系统有限元力学模型
转子的有限元网格划分采用8节点四面体Solid45结构实体单元。由于转子结构的几何不规则性,采用自由网格划分功能,网格划分结果,如图2所示,计算几何坐标系以转子轴向为并轴。
图2转子系统有限元力学模型及网格划分


5刚性支承转子模态分析
首先讨论刚性支承情况,将轴承支座视为刚性联接,在对应支承位置的轴节点处施加全约束,即位移为零,施加约束后的有限元计算模型:如图3所示。为简化计算,调用ANSYS的子空间迭代法对转子泵转子进行模态分析,子空间迭代法运算稳定,易与计算机内存相匹配。如表1所示,列出了刚性支承转子系统前6阶固有频率计算结果以及对应的模态振型形态网。
图3刚性支承转子有限元计算模型
SSRl25H型无堵塞转子泵转子工作转速为1480r/min,由于三叶转子旋转频率为z=告拄』等i(/=1,2,…)
式中:凡—转子的工作转速;
             z—埘‘轮叶片的个数。
得到转子工作基频为24.7Hz。转子的一阶固有频率为1057.4Hz,远高于转子工作基频24.7Hz,故不会引起转子系统的低频共振。
表1刚性支承转子前6阶固有频率计算结果
阶次 1 2 3 4 5 6 1.0x108 604.7 1763.6 1783.6 1799.5 1836.9 2038.8
固有频率(Hz)1060.5 1999.7 2049.3 2062.9 2239.8 2252.6
振型形态 弯曲 弯曲 弯曲扭转、拉压弯曲、拉压弯曲、拉压


6弹性支承转子模态分析
6.1滚动轴承弹性支撑简化模型
根据工程实际应用情况,滚动轴承支座并非完全刚性,应考虑轴承的弹性影响。轴承的弹性支撑简化模型,如图4所示,假设每个弹性支座由4个均布弹簧组成图4轴承的弹性支撑简化模型参照图4,在弹性支撑模型弹簧与底座连接点处添加4个节点8。~曰。,分别与转轴有限元模型的对应节点A。-,4。联接。采用ANSYS中的3一D弹簧单元Combinl4对弹簧进行网格划分,该单元由两端节点定义,适用于一维、二维或三维空间的纵向或扭转振动。当考虑弹簧的纵向振动时,该弹簧单元是轴向受拉或压缩,每个节点具有x,y和;三个位移,忽略弹簧的单元质量,也不考虑弹簧弯曲及扭转。
在ANSYS分析软件中每个弹簧元件用一个Combinl4模拟。
为了限制转子在主轴石方向的移动,在转子I二与弹簧连接的4个节点(图4中A.J:4,4。四个节点)加上弹性约束,在弹簧的另外一端(图4中B.、B:、岛、玩四个节点)为完全固接。弹性支承转子有限元计算模型及网格划分,如图5所示。
图5弹性支承转子有限元计算模型
6。2轴承刚度对转子系统动态特性的影响
要研究弹性支承转子系统的固有振动特性,首先需要确定弹簧单元Combinl4的刚度,涉及底座连接方式、轴套材料、结构形状等诸多因素。要保证转子工作转速符合设计要求,必须了解轴承剐度对系统固有特性的影响规律。以SSRl25H型三转子无堵塞转子泵转子为例,改变弹簧单元Combinl4的刚度计算相应固有振动频率,计算转子系统固有频率,分析其影响规律,结果,如表2所示。一般滚动轴承弹性支承刚度约(107—10B)kN/m15l。
表2支承刚度对转子系统固有频率的影响
弹簧刚度1阶固有2阶固有3阶固有4阶固有5阶固有6阶固有
kN/m 频率(i-lz)频率(Hz)频率(I-lz)频率(Hz)频率(Hz)频率(1{z)
1.O×107 426.8 869.5 880.5 915.2 947.3 1043.6
5.0x107 533.5 1374.3 1392.2 1434.1 1483.2 1563.2
5.0x108 609.4 1788.5 1795.8 1852.3 1915.0 2103.1
1.0x109 613.1 1790.3 1802.1 1958.4 2087.1 2210.4
5.0x109 621.6 】793.6 1827.3 2043.7 2135.9 2241.1

由表2可以看出,弹性支承作用降低了转子系统的固有频率,并且随着弹簧刚度的不断增加,转子固有频率逐渐接近刚性支承转子的固有频率。如图6所示,根据表2数据绘制前两阶固有频率随支承刚度变化曲线。
图6前两阶固有频率随刚度变化规律


7结语
研究结果表明,当把轴承约束看作弹性支承时,转子系统的低阶固有频率显著降低。一般转子的弹性支承刚度约为107~ 10SkN/m,此时转子泵转子固有频率远高于转子的工作转速,符合设计要求。通过改变弹性单元刚度对转子进行模态分析,得出轴承刚度对固有频率的影响,对转子的设计有重要指导意义。基于ANSYS有限元技术的旋塞转子泵转子系统动态计算与设计,方法简便,节省时间,便于与整机动态分析与结构设计接口,为转子泵整机设计与模态分析提供理论基础。


参考文献
1用ANSYS软件研究轴流通吸粪泵叶轮的振动特性.转子泵技术,2001(5):29-30,14
2CAD/CAE技术在转子泵设计中的应用转子泵技术,2001(5):37-39
3 Or—namie analy§ison Roots blower ease.June4--6,2008.Dalian,P.R.ofChina.
4ANSYS工程应用教程—机械篇.北京:中国铁道出版社。2003:233—235
5高等转子动力学—理论、技术及应用.北京:机械工业出版社,2000;1,4


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