一种立式长轴泵转子临界转速的分析

第44卷第2期时代农机2017年2月V o l.44N o.2TIMES AGRICULTURAL M ACH INERY F e b.2017一种立式长轴泵转子临界转速的分析

邓孝龙、刘祥杰2

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

摘要：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。

关键词：立式长轴泵；临界转速;模态分析

中图分类号:TH133 文献标识码:A文章编号:2095-980X(2017)02-0079-02 Analysis of Critical Speed of Vertical Long -shaft Pump Rotor

DENG Xiao-long1，LIU Xiang-jie2

(l.School of Mechanical and Electrical Engineering,Hunan University,Changsha,Hunan 410151, China;

2.Hunan Naipu Pump Co.,Ltd.,Changsha,Hunan 410131, China)

Abstract:The vibration ofthe vertical long-axis pump is affected by manyfactors,and the stiffness and 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.

Key words:vertical long axis pump；critical speed；modal analysis

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：000kW

(1) 计算轴所传递的扭矩：

M…=9549.3 x P=9549.3 x^°°^=38583N-m

n n495

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：

d=1.72姨备=1.72姨 3855583=0.1528m=152.8mm

式中：M…为轴所传递的扭矩(N*m)，[子]为许用扭转剪应 力(N/m2)，轴材料为双相钢，[子]取为55MPa。轴上设有键槽，轴径需加大5%，所以最小轴径需& $160.4mm。

收稿日期=2017-01-05

作者简介：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。

(3)轴的强度校核

抗扭截面系数：

w t

3 3 3

仔R仔D 3.14 x0.17

R 2 16

最大切应力：

_ Mn38583

16

=9.64x10

m a x-

Wt9.64x10

2轴扭转刚度计算

6 r-I6

-=40x10 < [子]=55x10

$=Z ma^x l8^^[$]

m a x G

|仔

G为切变模量，G=80GPa=80x109Pa;[中]为许用相对转 角，对于一般传动，可取[中]=0.5 ~1°/m;I p为截面极惯性矩cm4

4 4

仔D 3.14x0.199

I =

籽32 32

所以最大扭转角

=1.5x10

代^

T J l T L

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设计研究

邓孝龙，刘祥杰：一种立式长轴泵转子临界转速的分析

180 一______38583 x 180_______0 18〇 /"V "一 80 x 109x 1.5 x 10-4x 3.14 一 .

〇腦^[〇]

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 —阶固有频率710rpm 模态图

图4

三阶固有频率2883p m 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。©

参

考文献

[1 ]吴腾庆，刘恒，等.高速电主轴支承刚度计算及模态分析[J ]援机械设

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.

(上接第78页）应用，不断的促进虚拟样机技术的完善和发

展，增强我国的企业产品开发能力。

3虚拟样机技术在工程机械上的应用以及前景

(1)虚拟样机技术在工程机械上的使用流程。虚拟样机技

术在工程机械上的应用优势主要体现在能够保证产品设计的 美观性、舒适性。安全性、可靠性、制造的简便性以及可维护性 等等。由于虚拟样机技术具备其他技术所没有的可视性特点， 因此可以再计算机虚拟现实环境中进行技术设计、产品组装 以及性能优化等,并且综合考虑产品的外观设计在虚拟的环 境中进行进一步的尺寸模型分析，利用可以被直接操纵和修 改的生成模型进行产品的不断完善。市场上一些成熟的软件， 如:

CAD 、CAE 等都可以进行虚拟工程机械设计，虚拟样机技

术主要是利用图1流程进行产品的开发利用。

系洗设计

hd 系统•成hf 虛拟期造1

图1虚拟样机开发的一般流程上述流程借助商业上的三围

CAD 软件进行构图设计分

析，进一步实现虚拟样机技术在工程机械设计上的有效利 用。

(2)虚拟样机技术在工程机械上的发展情况。虚拟样机技 术的广泛应用能够实现产品设计的低成本、高效益，并且摆脱 产品设计的物质依赖性，是一种全新的开发模式，将会给工程

机械设计带来重大影响。主要的发展前景体现在:加快产品更 新换代、引发一轮虚拟产品的销售潮，企业引发新的竞争点和 增长点、促进企业间联盟、加快技术人员的技术提高,优胜劣 汰速度。如此一来,将有利于产品的研发和企业的发展，以及 人员素质的不断提高，可见，在新时代虚拟样机技术将成为工 程机械产品开发的主流，引发全球经济新挑战。

4结语

文章讨论了虚拟样机技术在工程机械上的应用，探讨了

虚拟样机技术的特征以及该技术在国内外的应用情况，大胆 的畅想了新技术在工程机械上的开发利用情况，虚拟样机技 术的发展将有助于新产品设计开发，同时促进工程机械流程的不断改革完善，促进我国工程机械设计实现高效、资源节 约、发展迅速、人员配置合理的高效设计系统。®

参

考文献

[1 ]李寒杰.虚拟样机技术及其在工程机械领域的应用[J

].装备制造技

术，2012, (6)302-304.

[2 ]张旭，祖旭，薄瑞峰.协同虚拟样机技术及其在工程机械产品中的 应用[J

].矿山机械，2004,(2): 44-46+5.

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