自吸泵轉子動力學特性分析

呂洪燕，孫秋花，彭彥平（.遼寧輕工職業技術學院機電工程系；.大連工業大學機械工程及自動化學院，遼寧 大連 6034）

自吸泵轉子動力學特性分析

呂洪燕1，孫秋花2，彭彥平2
（1.遼寧輕工職業技術學院機電工程系；2.大連工業大學機械工程及自動化學院，遼寧 大連 116034）

對磁力自吸泵轉子系統進行了有限元模態分析，得到了葉輪轉子各階固有頻率和振形。證明葉輪轉子最低階固有頻率遠高于工作環境激振頻率，不會發生共振現象。對轉子系統進行了諧響應分析，在出現峰值情況下的頻率遠高于轉子主頻。分析時對葉輪轉子模形進行了簡化處理，實踐證明仿真的結果比較接近實際值。轉子系統的動力學分析為后續泵轉子優化設計提供了重要的參考依據。

Ansys；自吸磁力泵；模態分析；固有頻率；諧響應分析

0　引言

轉子動力學的研究理論與研究技術的迅速發展以及計算機技術發展，為離心泵葉輪轉子系統動力學特性分析的開展提供了可靠的保證。早期的旋轉機械結構比較簡單。可以把轉子看作由圓盤裝在無重的彈性轉軸上，而轉軸的兩端由完全剛性即不變形的軸承及軸承座支持。這種模型稱為剛性支撐的轉子。根據這種模型進行分析計算所得的概念和結論在轉子動力學中是最基本的東西［1］。

離心泵是一種旋轉式流體機械，以轉子為工作主體，轉軸與葉輪構成了離心泵的轉子，運動時會有各種各樣的原因導致轉子系統發生振動，它不僅會降低泵的工作效率，產生噪音，嚴重時還會造成事故，影響泵的安全經濟運行，因此對轉子系統進行動力學分析具有重要意義。許多學者對泵的振動噪聲與模態分析進行了研究，趙萬勇等采用Fluent軟件對某大型雙吸離心泵內部流場進行數值模擬，計算出不同流量下葉輪所受徑向力，作為葉輪轉子有限元分析的邊界條件，進行有限元分析，得到振動特性［2］。高新民等從離心泵產生振動噪聲的因素出發，對某型船用離心泵進行了設計制造改進，對改進后泵進行流場模擬與底板模態分析，減少了泵的振動［3］。本文根據磁力自吸泵的實際結構特點，用soildworks三維軟件進行建模，運用Ansys有限元軟件對自吸磁力泵轉子系統進行模態分析與諧響應分析，避免泵在工作時發生共振。對轉子系統進行模態分析，極大的確保了自吸泵工作時的安全性。通過對泵的轉子系統進行有限元分析得到的振動特性（固有頻率和振形），對后續轉子系統的優化設計具有一定的參考價值。

1　磁力自吸泵結構分析

磁力自吸泵是一種通過磁力傳動器來實現無接觸力矩傳遞從而以靜密封取代動密封，使泵達到完全無泄漏的目的。它由自吸泵、磁力傳動器、電動機三部分組成。由于泵軸、內磁轉子被泵體、隔離套完全封閉，從而徹底解決了“跑、冒、滴、漏”問題，消除了煉油化工行業易燃、易爆、有毒、有害介質通過泵密封泄漏的安全隱患，有力地保證了職工的身心健康和安全生產［4］。

磁力自吸泵的結構如圖1，由泵體，葉輪，滑動軸承，主軸，隔離套，內磁鋼，外磁鋼，電機和底座組成［5］。本文主要對設計的如圖1所示的小型磁力自吸泵結構進行轉子動力學分析。該泵在工作時轉速為2950r/min，主頻為49Hz，葉輪有5個葉片。

圖1　磁力自吸泵結構示意圖

2　轉子系統模態分析

2.1建模與網格劃分

利用Solidworks三維軟件建立自吸磁力泵轉子系統模形，在保證精度的前提下，為了節約計算時間對葉輪轉子進行適當合理的簡化，將轉子模形導入Ansys中作為模態分析的幾何模形。根據設計要求，葉輪材料為06Cr19Ni10，軸的材料為14Cr17Ni2，在Engineering Data中輸入材料的密度、彈性模量、泊松比，程序自動劃分網格如圖2。

圖2　自吸泵轉子系統有限元模形

對磁力自吸泵轉子系統進行網格劃分時軸上設置比其他處大的網格精度，這樣可以得出更多的節點應力值，使結果更加精確而又節省時間，系統對轉子系統自動進行網格劃分［6］。將轉子系統的實體模形變為有限元模形，為后續加載與求解做準備。

2.2轉子加載和求解

在這個步驟中，我們進入SOLUTION處理器來完成求解類型定義，分析選項設置，施加載荷，載荷選項設置，并最終求解的流程。加載和求解的步驟又細分為∶定義分析類型和設置分析選項、施加載荷、設置載荷選項、求解［7］。再通過后處理過程可以得到轉子各階固有頻率及振形的仿真結果。

2.3結果后處理

在加載和求解這一步完成后，需要查看計算結果，此時要用后處理器來完成這項工作，觀察和分析有限元的計算結果。可以在后處理器中顯示各階固有頻率和振形，得到各階固有頻率如表1所示。

表1　葉輪轉子前十階固有頻率

由表1可以看出，最低固有頻率為1312.4Hz。根據實際工作情況，電機轉速為每分鐘2950轉，頻率為49Hz，由于葉輪有5個葉片，故外部激勵頻率大約是電機頻率的5倍，大約為245 Hz。最低階固有頻率遠高于工作環境激振頻率，不會發生共振現象。

3　轉子系統諧響應分析

3.1諧響應分析定義

一個持續的周期載荷必將對結構產生持續循環的相應，在動力學中通常稱為諧響應分析。即分析一個線性系統的穩態動力學行為［8］。

3.2轉子系統諧響應分析

根據圖3、圖4所示，分別在葉輪轉子系統中的葉輪與內磁鋼上進行激勵，得到如下兩個振動位移響應-頻率曲線圖。在圖3中可以看出，在變形較大的葉輪上一點沿Y軸的旋轉方向的1500～2000Hz，4000～4500Hz范圍內值較大，所以與模態分析所提的二階、八階、九階固有頻率數據一致。在圖14中可以看出，在變形較大的內磁鋼上一點沿Y軸的旋轉方向的3000～3500Hz范圍內值較大，與模態分析所提的七階固有頻率數據一致。在出現峰值情況下的轉速遠高于葉輪轉子系統的轉速，故不會出現振動穩定性問題。

圖3　葉輪振動位移響應-頻率曲線圖

圖4　內磁鋼振動位移響應-頻率曲線圖

4　結論

（1）利用Ansys對葉輪轉子進行模態分析，得到了葉輪轉子前十階固有頻率和相關振形，同時進行諧響應分析，得到振動位移響應-曲線圖，進行多模態驗證。證明了設計的合理性。

（2）根據仿真數據得知，葉輪轉子的各階固有頻率中，最低固有頻率為1312.4Hz。根據實際工作情況，電機轉速為每分鐘2950轉，頻率為49Hz，由于葉輪有5個葉片，故外部激勵頻率大約是電機頻率的5倍，大約為245 Hz。最低階固有頻率遠高于工作環境激振頻率，不會發生共振現象。確保了自吸泵工作時的安全性。

（3）實踐證明本文運用的計算分析方法是可行的，為今后的自吸泵的優化設計提供了一個有效的設計方法。

［1］鐘一諤，何衍宗，王正，李方澤.轉子動力學［M］.北京:清華大學出版社，1987:1-2.

［2］趙萬勇，王磊，白雙寶.大型離心泵轉子動力學分析［J］.甘肅科學學報，2013，25（01）:80-82.

［3］高新民，陳冰，呂敬高等.船用離心泵減振降噪分析［J］.流體機械，2011，39（09）:50-53.

［4］劉學剛，鄒立莉，茍蓮香，所子明.磁力泵研究淺析［J］.通用機械制造，2011（10）:89-99.

［5］陳偉.國內磁力驅動泵的現狀和發展［J］.化工部設備設計技術中心站，1994（03）:45-46.

［6］趙萬勇，王磊，白雙寶.大型離心泵轉子動力學分析［J］.甘肅科學學報，2013，25（01）:83-84.

［7］鄧凡平.ANSYS12.0有限元分析自學手冊［M］.北京:人民郵電出版社，2011:41-42.

［8］徐愛杰.高速電機轉子系統動力學特性分析［D］.哈爾濱:哈爾濱工業大學，2012:30-32.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.18.176

呂洪燕（1986—），女，遼寧大連人，碩士，研究方向：機械設計及理論、氣動技術。