高压水泵轴系扭振建模与仿真计算

高压水泵轴系扭振建模与仿真计算

摘要：文章以某高压水泵为系统当量模型，分析了其轴系的扭振计算特点；给出了水泵轴系振动计算建模的详细过程和简化方法，通过计算可以得出水泵轴系扭振的各阶固有频率以及关键点的振型。

关键词：高压水泵；轴系扭振；固有频率；振型

本文依据轴系振动的基本原理和简化，计算高压水泵轴系扭转振动。基于集总参数的方法，将实际模型简化成当量系统，该当量系统集中了质量因素，整个系统为弹性系统[1]。使用系统矩阵法求出该轴系的固有频率及振型，并进一步进行系统的响应计算。以验证轴系振动交变应力在许用范围内。

1 轴系扭振计算数学模型

1.1 轴系扭振计算简化方法

在轴系扭转振动的计算中，通常采用集总参数法进行简化建模。其基本思想是将质量集中于一点，质点与质点之间由无质量的弹簧元件连接，并考虑阻尼的影响。转化的基本要求要能代表实际轴系的扭振特性，自由振动计算固有频率与实际固有频率基本相同，振型与实际的基本相似。当实测固有频率与计算值相差大于5%时，应对当量系统进行修正。由于轴系由多个部分组成，因此将分别介绍响应部件的简化方法[1-3]：

1.1.1 传动齿轮、链轮、飞轮、推力盘、螺旋桨、发电机转子、干摩擦片离合器都作为绝对刚体简化为均质圆盘元件，该元件放在

各部件重心或几何中心位置。

1.1.2 弹性联轴器、弹性扭振减振器：主动与从动部件分别简化为匀质圆盘元件，他们之间的连接弹簧刚度等于联轴器弹性元件刚度。

1.1.3 轴：按需要适当等分后简化为若干匀质圆盘元件，各元件之间的连接弹簧刚度等于他们之间轴段的刚度。对于短轴，可将其转动惯量简化为两个圆盘分别放在两端法兰端面位置即可。

1.1.4 齿轮箱：相啮合的两个齿轮简化为一个圆盘元件。并根据能量守恒原理，将从动齿轮的转动惯量等效为主动齿轮转速下的转动惯量。同时，其输出端连接的所有部件转动惯量及刚度也要相应等效到变速前的转动惯量及刚度。

1.2 轴系扭振计算简化方法[4-5]

如图1所示为推进轴系扭转振动一般模型，根据前述基本原理，第k质量的运动方程可表示为：

2 高压水泵轴系扭振计算

高压水泵轴系包含有电动机、高弹联轴器、齿轮箱、鼓形齿式联轴器及泵。轴系以电机带动旋转，通过弹性联轴器与齿轮箱连接。齿轮箱输出端通过鼓形齿式联轴器与轴相连，最后连接叶轮。其基本参数为电机的额定功率（kw）为1200；电机额定转速（r/min）为1500；高弹联轴器扭矩（kn.m）为20；高弹联轴器最大扭矩（kn.m）为30；泵的叶轮直径为（mm）为1500。根据1.1中的简化方法，分别计算高压水泵轴系各部件的惯量及刚度，其简化结果如图2所

示：

采用matlab软件，对式（16）、（17）、（18）进行编程计算，可就求高压水泵轴系扭振的固有频率个图2中各个关键节点的阵型参数，固有频率计算结果图表1、表2、表3、表4所示，振动相应计算结果图3、图4、图5、图6所示：

3 结束语

经扭振计算分析：在正常运行情况下，轴系在工作转速范围内（1rpm～504 rpm）均可安全可靠，地运行。但是工作转速超过1.1倍的额定转速时，有一个激增的过程，建议不超速运行。

参考文献

[1]陈之炎.船舶推进轴系振动[m].上海：上海交通大学出版社，1986.

[2]王平.船舶轴系扭振计算方法的研究[d].大连海事大学，2002.

[3]周瑞平，杨建国，张升平.船舶推进轴系扭转振动应用软件开发研究[j]：2003，25（3）69-72.

[4]朱军超，朱汉华，严新平，蒋平.艉轴承有效接触长度对轴系振动的影响研究[j].润滑与密封：2012.37（2）：25-28.

[5]周春良.船舶轴系振动研究[d]，哈尔滨工程大学博士论文，2006.4.