離心泵底座的數(shù)值模擬及試驗(yàn)分析

彭勇禮 宋宇 于健 董克用

摘要：本文以某型水泵為研究對(duì)象，利用Workbengch中Modal模塊對(duì)離心泵的底座進(jìn)行了模態(tài)分析，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，隨后通過LMS.Test.Lab系統(tǒng)對(duì)兩種底座的離心泵的機(jī)腳振動(dòng)進(jìn)行測(cè)試，得到兩種底座水泵的總振級(jí)以及頻譜圖，通過對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果，得到：改進(jìn)后的底座使得水泵總振級(jí)降低了將近4dB，減振效果更加明顯。

關(guān)鍵詞：離心泵;LMS.Test.Lab;結(jié)構(gòu)改進(jìn);減振

中圖分類號(hào)：TB535 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）10-0112-03

0 引言

近年來，用戶對(duì)泵安全性和可靠性要求越來越高，泵振動(dòng)也成為了一個(gè)不可忽略的關(guān)鍵因素[1]。為了降低泵振動(dòng)，相關(guān)學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量研究。王濤等[2]通過改進(jìn)泵的轉(zhuǎn)子和殼體的結(jié)構(gòu)，降低了轉(zhuǎn)子制造和裝配過程中的偏心對(duì)泵振動(dòng)噪聲的激勵(lì)，改進(jìn)殼體結(jié)構(gòu)降低降低泵殼體的模態(tài)頻率并改變其振型。趙輝等[3]通過對(duì)葉片數(shù)量和葉輪的安裝角等因素改變離心泵內(nèi)水力狀況進(jìn)而降低離心泵的流體振動(dòng)。雖然很多學(xué)者提出了很多降低泵振動(dòng)的措施，一定程度上也降低了泵的振動(dòng)，但在泵傳遞路徑上的研究工作較少，底座作為整個(gè)泵的重要傳遞路徑，其振動(dòng)響應(yīng)對(duì)整泵的振動(dòng)影響較大。

因此本文以某型水泵底座作為研究對(duì)象，結(jié)合振動(dòng)理論，提出了兩種底座結(jié)構(gòu)，采用預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)試，比較兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇合理的低振動(dòng)響應(yīng)結(jié)構(gòu)，有效降低泵組振動(dòng)，同時(shí)為類似結(jié)構(gòu)的泵提供參考。

1 數(shù)值分析

1.1 A型底座模態(tài)分析

本文采用Workbench中的Modal模塊計(jì)算A型底座的模態(tài)，邊界條件為6個(gè)螺栓孔處固定，如圖1所示，A型底座模型網(wǎng)格劃分選取四邊形網(wǎng)格，計(jì)算模型包括552636單元，2450560個(gè)節(jié)點(diǎn)。

根據(jù)以往對(duì)該水泵的測(cè)試，該水泵在1/3倍頻圖中，以1600Hz為中心頻率的頻段內(nèi)會(huì)出現(xiàn)最大的波峰，且以1600Hz為中心頻率的頻段內(nèi)的振動(dòng)能量對(duì)水泵整體的振動(dòng)影響較大，因此本文主要研究中心頻率為1600Hz的頻段的振動(dòng)情況。根據(jù)公式，[4]可得上下限頻率為1795.9Hz和1425.43Hz。

為了便于分析底座的模態(tài)，本文提取了前20階模態(tài)如表1所示。

從表1中可以得到：在1425.43Hz至1795.94Hz范圍內(nèi)的底座模態(tài)有第13階到第18階模態(tài)。如圖2所示。

1.2 B型底座模態(tài)分析

通過A型底座模態(tài)可知在底座前端變形較大，為了減少底座前端的變形，通過在底座前端加筋得到結(jié)構(gòu)改進(jìn)的B型底座，如圖3所示。

計(jì)算B型底座模態(tài)，其前20階模態(tài)如表2所示，B型底座模態(tài)在1425.43Hz至1795.94Hz范圍內(nèi)有第11階模態(tài)和第12階模態(tài)。如圖4所示。

相比A型底座，B型底座模態(tài)在1425至1795.94Hz范圍內(nèi)的模態(tài)數(shù)量減少，同時(shí)在1425.43Hz至1795.94Hz范圍內(nèi)，B型底座相比A型底座在6個(gè)機(jī)腳處的最大位移量減少了3.7mm。

2 試驗(yàn)分析

2.1 A型底座試驗(yàn)分析

本文采用LMS測(cè)試系統(tǒng)中的LMS.Test.Lab模塊測(cè)試機(jī)腳振動(dòng)，根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于臥式安裝的泵其主要振動(dòng)為垂直地面的方向，因此本文采用ICP單向加速度傳感器，靈敏度分別為：1.102mv/（m/s2），1.037mv/（m/s2），1.027mv/（m/s2），1.076mv/（m/s2），1.052mv/（m/s2），1.041mv/（m/s2）。主要測(cè)試泵在額定工況下的振動(dòng)情況。底座6個(gè)機(jī)腳的測(cè)試位置如圖5所示。

根據(jù)1/3倍頻圖可得每個(gè)機(jī)腳在各個(gè)頻率的振級(jí)，根據(jù)公式RMS= 可得每個(gè)機(jī)腳的振級(jí)，6個(gè)機(jī)腳的振級(jí)具體如表3所示。

根據(jù)公式總振級(jí)=（10×Log10（100.1×D1+100.1×D2+100.1×D3+ 100.1×D4+100.1×D5+100.1×D6）/6可得：水泵的總振級(jí)為119.37dB。

雖然在1/3倍頻圖中得到在以1600Hz為中心頻率的頻帶內(nèi)出現(xiàn)尖峰，但是為了研究各個(gè)頻率具體的振動(dòng)情況，因此需要通過機(jī)腳振動(dòng)的頻譜圖來分析各個(gè)頻率的振動(dòng)情況。6個(gè)機(jī)腳的振動(dòng)頻譜圖如圖6所示。

從圖7A型底座的頻譜圖可得在1425Hz至1795.9Hz范圍內(nèi)出現(xiàn)了5個(gè)波峰，這5個(gè)波峰對(duì)應(yīng)的頻率分別為：1482.89Hz、1581Hz、1621.29Hz、1682.17Hz、1704.17Hz。這5頻率所對(duì)應(yīng)的加速度振級(jí)如表4所示。

2.2 B型底座試驗(yàn)分析

將B型底座安裝到水泵上后，在額定工況下，測(cè)量底座6個(gè)機(jī)腳點(diǎn)的振動(dòng)，機(jī)腳振動(dòng)的1/3倍頻圖如圖8所示，得各個(gè)機(jī)腳的RMS如表5所示。

計(jì)算總振級(jí)得：總振級(jí)=115.58dB。

B型底座的振動(dòng)頻譜圖如圖9所示，從圖9中可以得到在1425Hz至1795.9Hz范圍內(nèi)出現(xiàn)3個(gè)波峰其對(duì)應(yīng)的頻率為：1486Hz、1683.47Hz、1731Hz。從圖中可得這三個(gè)頻率的加速度振級(jí)均小于0.12m/s2。

3 結(jié)語

（1）經(jīng)過結(jié)構(gòu)改進(jìn)，B型底座的模態(tài)相對(duì)A型底座在1452Hz至1795Hz頻率內(nèi)出現(xiàn)模態(tài)頻率數(shù)量更少，且在該頻段內(nèi)，底座的變形更小。

（2）通過頻譜圖對(duì)比可得在B型底座的泵相比于A型底座的離心泵機(jī)腳在1425Hz至1795Hz范圍內(nèi)各頻率的加速度振級(jí)更低，同時(shí)泵總振級(jí)降低了3.8dB，減振效果明顯。

參考文獻(xiàn)

[1] 葉建平.離心泵振動(dòng)噪聲分析及聲優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[D].武漢理工大學(xué)，2006.

[2] 王濤.葉片泵結(jié)構(gòu)與聲學(xué)一體化優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].西北工業(yè)大學(xué)，2007.

[3] 趙輝.基于CFD的礦用排水系統(tǒng)離心泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械管理開發(fā)，2019，34（08）：46-47.

[4] 譚祥軍.從這里學(xué)NVH-噪聲、振動(dòng)、模態(tài)分析的入門與進(jìn)階[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2018：159-162.