一种潜液泵的模态分析及支撑形式改进

郑继平，傅显钧，覃刚，赵雷刚，易奇昌，白俊江

一种潜液泵的模态分析及支撑形式改进

郑继平，傅显钧，覃刚，赵雷刚，易奇昌，白俊江

为提高潜液泵的质量和性能，运用有限元法对某潜液泵进行静强度计算和模态分析，分析液泵共振，改进同心管结构的支撑形式。结果表明，改进支撑以后减少了共振阶次，在一定程度上缓解了共振带来的不良影响。

潜液泵；有限元；模态

潜液泵作为一种船用液货装载系统的配套设备，主要作为货油泵使用。此外，潜液泵还具有扫舱和船舱清洁排水的功能和作用。随着液货船的发展，对液货泵的设计和开发提出了更高的要求[1-2]。

某型号潜液泵由液压马达驱动，主要结构件为输油泵、高压管、回油管、隔离管、货油管、监测管、扫舱管等。高压管、回油管和隔离管由内到外装配在一起，形成一种同心管结构，简称同心管[3-4]。高压管回油管间隙11 mm,回油管与隔离管间隙3 mm。潜液泵的强度和模态振型直接影响潜液泵工作的可靠性、稳定性。泵振动主要由机械原因和流体作用引起，通过匹配工况与泵的选型，调整转子和静子等措施可以缓解振动[5-6]。王新海等[7]也采用数值模拟方法对对船用离心泵的振动问题进行过研究，并取得一定效果。由于潜液泵为细长结构，受力状况复杂，模态振型复杂，以潜液泵的固有频率作为研究对象，可以从改变结构的固有频率来达到改善振型的目的。本文以有限元软件为工具对潜液泵进行结构静力学分析和模态分析，针对潜液泵在工作区附近存在的共振问题进行研究，并根据现有工作条件改进了支撑结构形式，改善了振型。

1 工况分析

某型号潜液泵上部安装在甲板上，液货管、同心管和离心泵安装在液货舱里，在液货管、同心管中间设置一个支撑，离心泵壳体外设置一个支撑，这两个支撑固定在船舱里；潜液泵轴系以3 010 r/min高速运转，潜液泵受设备自重、工作叶轮对潜液泵叶轮的轴向力、横向力、转矩、高压管压力、隔离管压力、回油管压力的作用，工况十分恶劣。

2 结构有限元分析

2.1 材料

结构主体部分的材料采用Q345B，屈服强度为345 MPa；同心管、支撑圈、法兰、液货管材料为316 L，屈服强度为210 MPa; 甲板支撑为304不锈钢，屈服强度为210 MPa;轴材料为35CrMo，屈服强度为530 MPa;泵壳和叶轮部分材料，屈服强度为250 MPa，密度ρ为7 850 kg/mm3，弹性模量E为2.0×105MPa，泊松比υ为0.3。

2.2 模型处理

对三维PROE模型局部作简化处理后导入ANSYS软件，以提高有限元模型的网格质量。使用实体-壳单元“SOLSH190”和实体单元“SOLID186”模拟机架结构,见图7。坐标系：总体笛卡尔坐标系[8]。

2.3 约束和载荷

约束。潜液泵上部在甲板支撑座上，中部支撑圈和下部支撑圈约束横向平移自由度，释放轴向自由度。见图2。

载荷。潜液泵轴转速为3 010 r/min、结构重力、叶轮力矩、叶轮反力、高压管压力、回油管压力、隔离管压力。在结构相应部位施加载荷，加载见图3。

首先对潜液泵进行静力学分析。根据静力学计算公式[8]：

Kx=F

式中：K为刚度矩阵；x为位移矢量；F为力矢量。

采用有限元分析软件ANSYS对结构进行分析，按照ABS船级社规范对潜液泵结构进行强度校核(安全系数取1.5)。对于结构的静强度分析，采用第四强度理论进行校核，von-Mises(米赛斯等效应力)即σeqv应当满足以下条件：

式中：σeqv为等效应力；σ1，σ2和σ3为第1、2、3主应力；σ为许用应力。

模态分析是用来确定结构的振动特性的一种技术，通过它可以确定自然频率、振型和振型参与系数。进行模态分析可以使结构设计避免共振或以特定的频率进行振动；使设计师认识到结构对不同类型的动力载荷是如何响应的；有助于在其他动力分析中估算求解控制参数[9]。

在已有约束和载荷的状态下对潜液泵进行模态分析，预应力模态方程[10]为

式中：K为刚度矩阵，M为质量矩阵；ωi为振动频率；φi为模态。

采用有限元法进行模态分析，提取潜液泵的固有频率。

2.4 计算结果

计算结果表明，结构强度满足要求，现仅以高压管和离心泵壳体为例说明计算结果。图4、图5分别为高压管应力分布和离心泵壳体应力分布。高压管最大应力值为151.67 MPa，出现在管路内壁，强度满足；适配器最大应力185.16 MPa在外侧应力集为局部应力集中；周围应力128 MPa，强度满足；泵壳体最大应力125 MPa，强度满足；轴的最大应力234 MPa,强度满足要求，见图6。

在以上静力学分析的约束和载荷下，对潜液泵前24阶模态进行分析，得到如表1所示的模态分析结果。对所有的模态振型进行整理分析，潜液泵的额定转速为3 010 r/min，计算出固有频率为

f=n/t=3 010/60=50.166 7Hz

取激励频率接近固有频率50%～110%(25.083～55.183 Hz)作为研究区间。其中常用工作区段为固有频率附近10%范围，即(45.17～55.183 Hz)。经分析可知，在共振区附近的频率有多阶振型，工作区附近的频率有9阶。共振区主要振型表现在高压管、回油管、隔离管、货油管、监测管等管路上，其中高压管，回油管，货油管上的共振会严重影响潜液泵的正常工作，应尽量避免。为此必须在各管路之间加支撑。

表1 潜液泵前24阶模态和振型

3 结构改进措施

3.1 支撑的确定

由于受结构安装的限制，每个管之间增加支撑的数量不能超过3个，所以必须研究如何在有限的支撑下减少共振的阶次。

由于最外层的隔离管与中间层的回油管间隙只有3 mm,不能安装隔套，故在隔离管表面挤压3 mm深的凹坑，使隔离管与回油管局部压紧形成接触支撑；中间层回油管与内层高压管之间间隙11 mm,可以采用隔套支撑。

之前设计者是直接根据潜液泵整体结构的振型调整支撑，带有一定的盲目性和随机性，达不到明显效果。现针对高压管、回油管、隔离管进行单独的模型分析，计算不同数量支撑条件下结构固有频率，结果见表2～4。增加支撑的依据是：尽量避开固有频率±10%范围(45.17～55.183 Hz)区段，且频率尽量远离固有频率(50.166 7 Hz)。根据分析结果，确定高压管添加3个支撑，回油管添加2个支撑，隔离管与货油管增加1个连接。支撑布置如图7所示。监测管和扫舱管按1 000 mm间距布置12个管夹，管夹一端焊接在货油管上。

表2 高压管固有频率汇总表 Hz

表3 回油管固有频率汇总表 Hz

表4 隔离管固有频率汇总表 Hz

3.2 结果的验证

增加支撑以后在50%～110%(25.083～55.183 Hz)工作频率范围内，系统仍存在多阶固有频率，主要出现在监测管、隔离管、回油管、高压管上。避开了货油管共振。90%～110%(45.17～55.183 Hz)之间有六阶振型，其中高压管仅存在一阶振型110%固有频率频率附近，在最常用的在90%～105%固有频率之间,同心管避开了共振。潜液泵频率及振型见表5。

表5 增加支撑后的频率

4 结论

针对潜液泵共振的问题进行分解，分别对共振主要构件的振型和支撑方式进行研究，确定支撑位置，并组合在一起调整支撑位置。根据此方法调整支撑形式以后取得较显著效果，结果表明，增加支撑后有效减少了共振阶次，改善了振型。由于潜液泵为复杂细长结构，此方法也不能完全避免共振，对于共振问题还需进一步研究。共振问题的研究，对于提高产品质量和可靠性有重要的现实意义和理论价值。

[1] 施卫东，王洪亮，余学军,等，深井泵的研究现状与发展趋势[J].排灌机械，2009,27(1):64-65.

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[3] 李品友.液化气船液货泵及卸货操作管理[J].航海技术，1996(3):42-44.

[4] 关醒凡.现代泵理论与设计[M].北京：中国宇航出版社，2011.

[5] 史首宏，戴侃.高速泵振动问题的研究[J].当代化工，2004,33(2):104-107.

[6] 刘秦龙,马宏宇.输油泵振动原因分析与处理措施研究[J].内蒙古石油化工，2011，37(22)：31-32.

[7] 王新海.船用离心泵减振改进数值模拟分析研究[J].船舶工程，2011(增刊2):72-75.

[8] 王新荣，蒋永波.有限元法基础及Ansys应用[M].北京：科学出版社，2008.

[9] 王勖成，邵敏.有限元基本原理和数值方法[M].2版.北京：清华大学出版社，2003.

[10] 商跃进.有限元原理与ANSYS应用指南[M].北京：清华大学出版社，2005.

(武汉船用机械有限责任公司，武汉 430084)

Modal Analysis and Support Method Improvement of a Diving Liquid Pump

ZHENG Ji-ping, FU Xian-jun, QIN Gang, ZHAO Lei-gang, YI Qi-chang, BAI Jun-jiang

(Wuhan Marine Machinery Plant Co., Ltd, Wuhan 430084, China)

In order to improve the quality and performance of the diving liquid pump, the static strength and modal analysis of a type of diving liquid pump was carried out by finite element method. The support method of concentric pipes was improved according to the sympathetic vibration of the diving liquid pump. The numerical results showed that the sympathetic vibration ranks and adjective effect are reduced in a certain extent after improving the support method.

diving liquid pump; finite element method; modal

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.01.012

2016-09-30

国家发改委项目(发改办高技[2015]1409号)

郑继平(1973—)，男，硕士，工程师研究方向:机械结构研究、设计

U664.5

A

1671-7953(2017)01-0049-04

修回日期：2016-10-31