一种立式长轴泵转子临界转速的分析

邓孝龙，刘祥杰

（1.湖南机电职业技术学院，湖南 长沙 410151；2.湖南耐普泵业有限公司，湖南 长沙 410131）

一种立式长轴泵转子临界转速的分析

邓孝龙1，刘祥杰2

（1.湖南机电职业技术学院，湖南 长沙 410151；2.湖南耐普泵业有限公司，湖南 长沙 410131）

立式长轴泵运行中振动的产生受多种因素的影响，而转子的刚度和临界转速是影响其稳定性和产生振动的重要因素。通过对立式长轴泵转子的刚度和临界转速计算，并利用有限元软件ANYSY对其建立三维有限元模型，进行动力学模态分析，得出应力分布情况及各阶固有频率，为保证立式长轴泵在运行中的稳定性和避免发生共振现象提供了重要理论依据。

立式长轴泵；临界转速；模态分析

随着工业的飞速发展，立式长轴泵被广泛应用于钢铁、电厂、石油化工、污水处理、市政等领域，这对立式长轴泵的使用性能和寿命提出了更高的要求，而转子作为立式长轴泵的关键零部件，其刚度决定泵的稳定性和使用寿命。为精确的计算分析转子的受力情况，文章结合ANSYS软件，建立有限元模型并加以动态仿真分析，以期进一步明确转子的失效机理，为提高其使用寿命提供理论基础。

1 轴扭转强度计算

以我国建设中的某个LNG项目海水泵（立式长轴泵）转子作为研究分析对象，设计参数如下：

流量：Q=17000m3/h，扬程：H=32m，额定转速：n=495r/min，电机额定功率：2000kW

（1）计算轴所传递的扭矩：

式中：Mn为轴所传递的扭矩（N·m），［τ］为许用扭转剪应力（N/m2），轴材料为双相钢，［τ］取为55MPa。轴上设有键槽，轴径需加大5%，所以最小轴径需≥Ф160.4mm。

式中：P为配套电机额定功率（kW）；n为泵的转速（r/min）

（2）按扭转强度计算轴径：

（3）轴的强度校核

抗扭截面系数：

最大切应力：

2 轴扭转刚度计算

图1 轴扭转变形示意图

扭转角计算公式如下：

G为切变模量，G=80GPa=80×109Pa；［Φ］为许用相对转角，对于一般传动，可取［Φ］=0.5～1°/m；Iρ为截面极惯性矩cm4

所以最大扭转角

转子实际轴径最小为170mm，最大为200mm，满足扭转强度和刚度要求。

3 转子的模态分析

运用ANSYS有限元分析软件，采用相关的动力学模态分析方法，对转子进行振动时的特性计算，从而得出有关它的有限元分析结果，即振动频率及振型。模态分析时建模的几何模型、所选单元类型、及施加约束和静态时相同，经过计算处理，得到了1至4阶的固有频率，其模态分析图如图2、图3、图4、图5所示。

图2 一阶固有频率710rpm模态图

图3 二阶固有频率1140rpm模态图

图4 三阶固有频率2883pm模态图

图5 四阶固有频率2888rpm模态图

4 结语

（1）在转子的一阶、二阶振动过程中，其变形主要发生在叶轮前盖板外缘，这主要是由于一阶、二阶转速低，叶轮最大外缘处产生的扭转不平衡量较大。

（2）三阶、四阶振动过程中，变形主要集中于中轴和上轴联接段，这主要是由于三阶、四阶转速高，此处轴承跨距最大，所以变形也最大。

［1］吴腾庆，刘恒，等.高速电主轴支承刚度计算及模态分析［J］.机械设计与制造，2013，8（3）：41-45.

［2］杨康，韩涛.ANSYS在模态分析中的应用［J］.佳木斯大学学报，2005，23（1）：81-83.

［3］于慎波，王玮琦，等.基于有限元和实验的永磁同步电主轴模态分析［J］.重型机械，2016，23（9）：104-110.

Analysis of Critical Speed of Vertical Long-shaft Pump Rotor

DENG Xiao-long1，LIU Xiang-jie2
（1.School of Mechanical and Electrical Engineering，Hunan University，Changsha，Hunan 410151，China；2.Hunan Naipu Pump Co.，Ltd.，Changsha，Hunan 410131，China）

Thevibrationoftheverticallong-axispumpisaffectedbymanyfactors，andthestiffnessand critical speed of the rotor are the important factors that affect its stability and vibration.Through the calculation of the stiffness and critical speed of the rotor of the vertical long axis pump，the finite element software ANYSY is used to establish the three-dimensional finite element model，and the dynamic mode analysis is carried out.The stress distribution and the natural frequency are obtained，which provides an important theoretical basis for stability of type long axis pump in the operation and avoidance of resonance.

verticallongaxispump；criticalspeed；modalanalysis

TH133

A

2095-980X（2017）02-0079-02

2017-01-05

邓孝龙（1986-），男，湖南新邵人，硕士研究生，讲师，主要研究方向：现代制造技术与高职教育。