自吸泵转子动力学特性分析

吕洪燕，孙秋花，彭彦平（.辽宁轻工职业技术学院机电工程系；.大连工业大学机械工程及自动化学院，辽宁 大连 6034）

自吸泵转子动力学特性分析

吕洪燕1，孙秋花2，彭彦平2
（1.辽宁轻工职业技术学院机电工程系；2.大连工业大学机械工程及自动化学院，辽宁 大连 116034）

对磁力自吸泵转子系统进行了有限元模态分析，得到了叶轮转子各阶固有频率和振形。证明叶轮转子最低阶固有频率远高于工作环境激振频率，不会发生共振现象。对转子系统进行了谐响应分析，在出现峰值情况下的频率远高于转子主频。分析时对叶轮转子模形进行了简化处理，实践证明仿真的结果比较接近实际值。转子系统的动力学分析为后续泵转子优化设计提供了重要的参考依据。

Ansys；自吸磁力泵；模态分析；固有频率；谐响应分析

0　引言

转子动力学的研究理论与研究技术的迅速发展以及计算机技术发展，为离心泵叶轮转子系统动力学特性分析的开展提供了可靠的保证。早期的旋转机械结构比较简单。可以把转子看作由圆盘装在无重的弹性转轴上，而转轴的两端由完全刚性即不变形的轴承及轴承座支持。这种模型称为刚性支撑的转子。根据这种模型进行分析计算所得的概念和结论在转子动力学中是最基本的东西［1］。

离心泵是一种旋转式流体机械，以转子为工作主体，转轴与叶轮构成了离心泵的转子，运动时会有各种各样的原因导致转子系统发生振动，它不仅会降低泵的工作效率，产生噪音，严重时还会造成事故，影响泵的安全经济运行，因此对转子系统进行动力学分析具有重要意义。许多学者对泵的振动噪声与模态分析进行了研究，赵万勇等采用Fluent软件对某大型双吸离心泵内部流场进行数值模拟，计算出不同流量下叶轮所受径向力，作为叶轮转子有限元分析的边界条件，进行有限元分析，得到振动特性［2］。高新民等从离心泵产生振动噪声的因素出发，对某型船用离心泵进行了设计制造改进，对改进后泵进行流场模拟与底板模态分析，减少了泵的振动［3］。本文根据磁力自吸泵的实际结构特点，用soildworks三维软件进行建模，运用Ansys有限元软件对自吸磁力泵转子系统进行模态分析与谐响应分析，避免泵在工作时发生共振。对转子系统进行模态分析，极大的确保了自吸泵工作时的安全性。通过对泵的转子系统进行有限元分析得到的振动特性（固有频率和振形），对后续转子系统的优化设计具有一定的参考价值。

1　磁力自吸泵结构分析

磁力自吸泵是一种通过磁力传动器来实现无接触力矩传递从而以静密封取代动密封，使泵达到完全无泄漏的目的。它由自吸泵、磁力传动器、电动机三部分组成。由于泵轴、内磁转子被泵体、隔离套完全封闭，从而彻底解决了“跑、冒、滴、漏”问题，消除了炼油化工行业易燃、易爆、有毒、有害介质通过泵密封泄漏的安全隐患，有力地保证了职工的身心健康和安全生产［4］。

磁力自吸泵的结构如图1，由泵体，叶轮，滑动轴承，主轴，隔离套，内磁钢，外磁钢，电机和底座组成［5］。本文主要对设计的如图1所示的小型磁力自吸泵结构进行转子动力学分析。该泵在工作时转速为2950r/min，主频为49Hz，叶轮有5个叶片。

图1　磁力自吸泵结构示意图

2　转子系统模态分析

2.1建模与网格划分

利用Solidworks三维软件建立自吸磁力泵转子系统模形，在保证精度的前提下，为了节约计算时间对叶轮转子进行适当合理的简化，将转子模形导入Ansys中作为模态分析的几何模形。根据设计要求，叶轮材料为06Cr19Ni10，轴的材料为14Cr17Ni2，在Engineering Data中输入材料的密度、弹性模量、泊松比，程序自动划分网格如图2。

图2　自吸泵转子系统有限元模形

对磁力自吸泵转子系统进行网格划分时轴上设置比其他处大的网格精度，这样可以得出更多的节点应力值，使结果更加精确而又节省时间，系统对转子系统自动进行网格划分［6］。将转子系统的实体模形变为有限元模形，为后续加载与求解做准备。

2.2转子加载和求解

在这个步骤中，我们进入SOLUTION处理器来完成求解类型定义，分析选项设置，施加载荷，载荷选项设置，并最终求解的流程。加载和求解的步骤又细分为∶定义分析类型和设置分析选项、施加载荷、设置载荷选项、求解［7］。再通过后处理过程可以得到转子各阶固有频率及振形的仿真结果。

2.3结果后处理

在加载和求解这一步完成后，需要查看计算结果，此时要用后处理器来完成这项工作，观察和分析有限元的计算结果。可以在后处理器中显示各阶固有频率和振形，得到各阶固有频率如表1所示。

表1　叶轮转子前十阶固有频率

由表1可以看出，最低固有频率为1312.4Hz。根据实际工作情况，电机转速为每分钟2950转，频率为49Hz，由于叶轮有5个叶片，故外部激励频率大约是电机频率的5倍，大约为245 Hz。最低阶固有频率远高于工作环境激振频率，不会发生共振现象。

3　转子系统谐响应分析

3.1谐响应分析定义

一个持续的周期载荷必将对结构产生持续循环的相应，在动力学中通常称为谐响应分析。即分析一个线性系统的稳态动力学行为［8］。

3.2转子系统谐响应分析

根据图3、图4所示，分别在叶轮转子系统中的叶轮与内磁钢上进行激励，得到如下两个振动位移响应-频率曲线图。在图3中可以看出，在变形较大的叶轮上一点沿Y轴的旋转方向的1500～2000Hz，4000～4500Hz范围内值较大，所以与模态分析所提的二阶、八阶、九阶固有频率数据一致。在图14中可以看出，在变形较大的内磁钢上一点沿Y轴的旋转方向的3000～3500Hz范围内值较大，与模态分析所提的七阶固有频率数据一致。在出现峰值情况下的转速远高于叶轮转子系统的转速，故不会出现振动稳定性问题。

图3　叶轮振动位移响应-频率曲线图

图4　内磁钢振动位移响应-频率曲线图

4　结论

（1）利用Ansys对叶轮转子进行模态分析，得到了叶轮转子前十阶固有频率和相关振形，同时进行谐响应分析，得到振动位移响应-曲线图，进行多模态验证。证明了设计的合理性。

（2）根据仿真数据得知，叶轮转子的各阶固有频率中，最低固有频率为1312.4Hz。根据实际工作情况，电机转速为每分钟2950转，频率为49Hz，由于叶轮有5个叶片，故外部激励频率大约是电机频率的5倍，大约为245 Hz。最低阶固有频率远高于工作环境激振频率，不会发生共振现象。确保了自吸泵工作时的安全性。

（3）实践证明本文运用的计算分析方法是可行的，为今后的自吸泵的优化设计提供了一个有效的设计方法。

［1］钟一諤，何衍宗，王正，李方泽.转子动力学［M］.北京:清华大学出版社，1987:1-2.

［2］赵万勇，王磊，白双宝.大型离心泵转子动力学分析［J］.甘肃科学学报，2013，25（01）:80-82.

［3］高新民，陈冰，吕敬高等.船用离心泵减振降噪分析［J］.流体机械，2011，39（09）:50-53.

［4］刘学刚，邹立莉，苟莲香，所子明.磁力泵研究浅析［J］.通用机械制造，2011（10）:89-99.

［5］陈伟.国内磁力驱动泵的现状和发展［J］.化工部设备设计技术中心站，1994（03）:45-46.

［6］赵万勇，王磊，白双宝.大型离心泵转子动力学分析［J］.甘肃科学学报，2013，25（01）:83-84.

［7］邓凡平.ANSYS12.0有限元分析自学手册［M］.北京:人民邮电出版社，2011:41-42.

［8］徐爱杰.高速电机转子系统动力学特性分析［D］.哈尔滨:哈尔滨工业大学，2012:30-32.

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

吕洪燕（1986—），女，辽宁大连人，硕士，研究方向：机械设计及理论、气动技术。