一种潜液泵的模态分析及支撑形式改进.pdf

2 0 1 7年 第 1 期 郑继平 ， 等 ： 一 种潜 液泵的模态分析及支撑形式改进 船海工程 第 4 6卷 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 。 图 2 约束示意图 载荷。潜液泵轴转速 为 3 0 1 0 r m i n 、 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 。 a)泉 城 衙 b) 汗 蹄 ， I 、 载 砷 图 3 加载 示意图 首先对潜液泵进行静力学分析。根据静力学 计算公式 ： Kx = F 式中 ： 为刚度矩阵； 为位移矢量 ； F为力矢量 。 采用有限元分析软件 A N S Y S对结构进行分 析 ， 按照 A B S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 ， v o n Mi s e s ( 米赛 斯等效应力) 即 。 应 当满足以下条件 ： q v 寺 ( IT ) + ( IT ) + ( IT 3 - - ) 5 0 式中： 。 为等效应力 ； IT。 ， 2 和 3 为第 1 、 2、 3主 应力 ； 盯为许用应力。 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 。 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 为 K + S 一 ( t ) 2 M 【Pt： 0 式中： 为刚度矩阵 ， M 为质量矩阵； 为振动频 率 ； 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 1 5 1 6 7 M P a ， 出现在管路 内 壁 ， 强度满足； 适配器最大应力 1 8 5 1 6 MP a在外 侧应力集为局部应力集中； 周围应力 1 2 8 MP a ， 强 度满足； 泵壳体 最大应力 1 2 5 MP a ， 强 度满 足 ； 轴 的最大应力 2 3 4 MP a ， 强度满足要求 ， 见图 6 。 图 4 高压管应 力云 图 图 5 泵壳体应力云图 在以上静力学分析 的约束和载荷下 ， 对潜液 泵前 2 4阶模态进行分析 ， 得到如表 1 所示的模态 2 01 7盘 第 1 期 郑继平 ， 等 ： 一种潜液泉 的模 态分 析及支撑 形式改进 船海 I 程 第 4 6卷 图 6轴 应 力 云 图 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 0 1 0 r m i n ， 计算JI = ； 同有频率 为 f=n t=3 0 1 0 6 0=5 0 1 6 6 7 H z 取 激 励 频 率 接 近 同有 频 率 5 0 1 1 0 ( 2 5 0 8 3 5 5 1 8 3 H z ) 作为研 究区间。其 中常用 工作 区段为同有频率附近 1 0 范围 ， 即 ( 4 5 1 7 5 5 1 8 3 H z ) 。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 2 4阶模态和振型 阶次 频 H z 阶次 顿 H z 2 0 2 7 3 1监货 3 2 4 3 6 l隔 2 1 2 7 6 5高 3 3 4 4 5 6隔 2 2 2 7 7 6 1 高 3 4 4 5 5 2高 2 3 3 1 4 8 1 高 3 5 4 6 3 7高 2 4 3 1 6 0高 3 6 4 6 7 6扣 2 5 3 1 9 l 扫 3 7 4 9 4 3扫 2 6 3 2 ， 7 3监货 3 8 5 O 5 8监 2 7 3 4 1 4 i 寄 3 9 5 1 1 7扛 2 8 3 4 7 5高 4 0 5 1 6 3 2 9 3 5 2 1 4 1 5 3 2 4商 3 0 3 8 5 6川 4 2 5 4 5 4扫 3 1 3 8 8 8回 4 3 5 5 4 3扣 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 有 限的支撑下减少共振的阶次。 南于最外层 的隔离管与 中间层的I H 由 管问隙 只有 3 n l m， 不能安装隔套 ， 故在隔离管 表面挤 3 I I l n l 深的凹坑 ， 使隔离管与回油管局部压紧形成 接触支撑 ； 巾问层 回油管与 内层高压管之间间隙 1 l I l l lT I ， 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 构同 有频率 ， 结果见表 24 。增 加支撑的依据是 ： 尽 量避开固有频率 - _ 1 0 范围( 4 5 1 7 5 5 1 8 3 H z ) 段 ， 且频率尽量远离 同有频率( 5 0 1 6 6 7 H z ) 。 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 0 0 0 h i m 间距布置 1 2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 H z 支撑数 固有频率 n 1 60， 4 42， 86 6， 1 4 31， 2I 3 7， 2 98 3， 3 9 71， 5 0 98， 6 3 6 6 4 4 2， 6 41 ， 1 4 31 ， l 7 6 5， 2 9 8 3， 3 4 5 8， 5 0 9 8 571 1 61 6，1 41 1，1 645， 2 227， 38 97， 4 671， 一 510 9 7 1 6 3 3 9 52， 1 3 8 9， 2 9 79， 3 3 8 5， 4 O 62， 45 26， 71 3 9 0 2 3 2， 6 38， 1 2 5 0， 2 0 6 4， 30 8 0， 4 2 9 5， 5 7 09 1 6 3 8， 9 2 5， 20 64 ， 2 5 4 4， 42 95， 49 71， 73 2 0 2 8 9 0， 2 0 3 6， 2 3 71， 32 06， 5 6 0 4， 6 7 02 3 1 3 7 3， 2 0 O 2， 4 2 9 0， 4 8 6 5， 5 8 2 7 图 7 潜液泵支撑 的位置简 图 51 20t 7拄 第 1 期 郑继平， 等 ： 一种潜液泵的模态分析及支撑形式改进 船海工程 第4 6卷 3 2结果的验证 增加 支撑 以后 在 5 0 1 1 0 ( 2 5 0 8 3 5 5 1 8 3 S z ) 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。9 0 一1 1 0 ( 4 5 1 7 5 5 1 8 3 Hz ) 之间有六阶振 型， 其 中高压管仅存 在一阶振型 1 1 0 固有频 率频 率附近 ， 在最 常用 的在 9 0 1 0 5 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 阶次 固频 H z 阶次 固频 Hz 1 5 2 7 6 8 8高 2 4 3 7 8 5 3回 l 6 2 8 8 8 3高 2 5 4 1 1 8 9回 1 7 3 0 3 1 3隔 2 6 4 1 5 4 2回 1 8 3 0 9 1 7隔 2 7 4 8 7 7监 1 9 3 1 6 6 8高 2 8 5 0 2 4 6监 2 0 3 1 8 5 4高 2 9 5 1 8监 2 1 3 3 6 3 1高 3 O 5 3 0隔 2 2 3 3 9 6 2高 3 l 5 4 3 1 8监 2 3 3 7 6 2 4回 3 2 5 5 1 3高 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 。 参考文献 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， 2 0 0 9 ， 2 7 ( 1 ) ： 6 4 - 6 5 2 王建平 ， 赵冬冬 基于有限元分析的泥浆泵泵体结构 优化设计 J 湖南科技大学学报 (自然科学版) ， 2 0 1 4 ( 1 ) ： 2 9 3 2 3 李品友 液化气船液货泵及卸货操作管理 J 航海 技术， 1 9 9 6 ( 3 ) ： 4 2 4 关醒凡 现代泵理论与设计 M 北京： 中国宇航 出 版社 ， 2 0 1 1 5 史首宏， 戴侃 高速泵振动问题 的研究 J 当代化 工 ， 2 0 0 4 ， 3 3 ( 2 ) ： 1 0 4 1 0 7 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， 2 0 1 1 ， 3 7 ( 2 2 ) ： 3 1 3 2 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， 2 0 1 1 ( 增刊 2 ) ： 7 2 7 5 8 王新荣 ， 蒋永波 有限元法基础及 A n s y s 应用 M 北 京： 科学出版社， 2 0 0 8 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 ， 2 0 0 3 1 0 商跃进 有限元原理与 A N S Y S应用指南 M 北京： 清华 大学出版社 ， 2 0 0 5 Mo d a l An a l y s i s a n d S u p p o r t Me t h o d I mp r o v e me n t o f a Di v i n g L i q u i d P u mp Z HE N G J i - p i n g ， F U Xi a n - j u n， QI N Ga n g ， Z H AO L e i g a n g ， Y I Qi - c h a n g ， B AI J u n q i a n g ( Wu h a n Ma ri n e M a c h i n e r y P l a n t C o ，L t d ， Wu h a n 4 3 0 0 8 4， C h i n a ) Ab s t r a c t ：I n o r d e r t O i mp r o v e t h e q u ali a n d p e r f o r ma n c e o f t h e d i v i n g l i q u i d p u mp，t h e s t a t i c s t r e n g t h a n d mo d a l a n a l y