离心泵底座的数值模拟及试验分析

彭勇礼 宋宇 于健 董克用

摘要：本文以某型水泵为研究对象，利用Workbengch中Modal模块对离心泵的底座进行了模态分析，并进行结构改进，随后通过LMS.Test.Lab系统对两种底座的离心泵的机脚振动进行测试，得到两种底座水泵的总振级以及频谱图，通过对比试验结果，得到：改进后的底座使得水泵总振级降低了将近4dB，减振效果更加明显。

关键词：离心泵;LMS.Test.Lab;结构改进;减振

中图分类号：TB535 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）10-0112-03

0 引言

近年来，用户对泵安全性和可靠性要求越来越高，泵振动也成为了一个不可忽略的关键因素[1]。为了降低泵振动，相关学者对此进行了大量研究。王涛等[2]通过改进泵的转子和壳体的结构，降低了转子制造和装配过程中的偏心对泵振动噪声的激励，改进壳体结构降低降低泵壳体的模态频率并改变其振型。赵辉等[3]通过对叶片数量和叶轮的安装角等因素改变离心泵内水力状况进而降低离心泵的流体振动。虽然很多学者提出了很多降低泵振动的措施，一定程度上也降低了泵的振动，但在泵传递路径上的研究工作较少，底座作为整个泵的重要传递路径，其振动响应对整泵的振动影响较大。

因此本文以某型水泵底座作为研究对象，结合振动理论，提出了两种底座结构，采用预应力模态分析和实验测试，比较两种结构的优缺点，选择合理的低振动响应结构，有效降低泵组振动，同时为类似结构的泵提供参考。

1 数值分析

1.1 A型底座模态分析

本文采用Workbench中的Modal模块计算A型底座的模态，边界条件为6个螺栓孔处固定，如图1所示，A型底座模型网格划分选取四边形网格，计算模型包括552636单元，2450560个节点。

根据以往对该水泵的测试，该水泵在1/3倍频图中，以1600Hz为中心频率的频段内会出现最大的波峰，且以1600Hz为中心频率的频段内的振动能量对水泵整体的振动影响较大，因此本文主要研究中心频率为1600Hz的频段的振动情况。根据公式，[4]可得上下限频率为1795.9Hz和1425.43Hz。

为了便于分析底座的模态，本文提取了前20阶模态如表1所示。

从表1中可以得到：在1425.43Hz至1795.94Hz范围内的底座模态有第13阶到第18阶模态。如图2所示。

1.2 B型底座模态分析

通过A型底座模态可知在底座前端变形较大，为了减少底座前端的变形，通过在底座前端加筋得到结构改进的B型底座，如图3所示。

计算B型底座模態，其前20阶模态如表2所示，B型底座模态在1425.43Hz至1795.94Hz范围内有第11阶模态和第12阶模态。如图4所示。

相比A型底座，B型底座模态在1425至1795.94Hz范围内的模态数量减少，同时在1425.43Hz至1795.94Hz范围内，B型底座相比A型底座在6个机脚处的最大位移量减少了3.7mm。

2 试验分析

2.1 A型底座试验分析

本文采用LMS测试系统中的LMS.Test.Lab模块测试机脚振动，根据以往的经验，对于卧式安装的泵其主要振动为垂直地面的方向，因此本文采用ICP单向加速度传感器，灵敏度分别为：1.102mv/（m/s2），1.037mv/（m/s2），1.027mv/（m/s2），1.076mv/（m/s2），1.052mv/（m/s2），1.041mv/（m/s2）。主要测试泵在额定工况下的振动情况。底座6个机脚的测试位置如图5所示。

根据1/3倍频图可得每个机脚在各个频率的振级，根据公式RMS= 可得每个机脚的振级，6个机脚的振级具体如表3所示。

根据公式总振级=（10×Log10（100.1×D1+100.1×D2+100.1×D3+ 100.1×D4+100.1×D5+100.1×D6）/6可得：水泵的总振级为119.37dB。

虽然在1/3倍频图中得到在以1600Hz为中心频率的频带内出现尖峰，但是为了研究各个频率具体的振动情况，因此需要通过机脚振动的频谱图来分析各个频率的振动情况。6个机脚的振动频谱图如图6所示。

从图7A型底座的频谱图可得在1425Hz至1795.9Hz范围内出现了5个波峰，这5个波峰对应的频率分别为：1482.89Hz、1581Hz、1621.29Hz、1682.17Hz、1704.17Hz。这5频率所对应的加速度振级如表4所示。

2.2 B型底座试验分析

将B型底座安装到水泵上后，在额定工况下，测量底座6个机脚点的振动，机脚振动的1/3倍频图如图8所示，得各个机脚的RMS如表5所示。

计算总振级得：总振级=115.58dB。

B型底座的振动频谱图如图9所示，从图9中可以得到在1425Hz至1795.9Hz范围内出现3个波峰其对应的频率为：1486Hz、1683.47Hz、1731Hz。从图中可得这三个频率的加速度振级均小于0.12m/s2。

3 结语

（1）经过结构改进，B型底座的模态相对A型底座在1452Hz至1795Hz频率内出现模态频率数量更少，且在该频段内，底座的变形更小。

（2）通过频谱图对比可得在B型底座的泵相比于A型底座的离心泵机脚在1425Hz至1795Hz范围内各频率的加速度振级更低，同时泵总振级降低了3.8dB，减振效果明显。

参考文献

[1] 叶建平.离心泵振动噪声分析及声优化设计研究[D].武汉理工大学，2006.

[2] 王涛.叶片泵结构与声学一体化优化设计[D].西北工业大学，2007.

[3] 赵辉.基于CFD的矿用排水系统离心泵的优化设计[J].机械管理开发，2019，34（08）：46-47.

[4] 谭祥军.从这里学NVH-噪声、振动、模态分析的入门与进阶[M].北京：机械工业出版社，2018：159-162.