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      基于SAMCEF Rotor的高速泵轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速分析

      2016-03-23 00:54:21段小輝孔繁余馮子政宋艷文江蘇大學(xué)國家水泵及系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心江蘇鎮(zhèn)江03哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司哈爾濱50040
      中國農(nóng)村水利水電 2016年3期
      關(guān)鍵詞:振型葉輪部件

      段小輝,孔繁余,馮子政,黃 丹,宋艷文( 江蘇大學(xué)國家水泵及系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心,江蘇 鎮(zhèn)江 03; 哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司,哈爾濱 50040)

      0 引 言

      為確保機(jī)器在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)不致發(fā)生共振,臨界轉(zhuǎn)速應(yīng)適當(dāng)偏離工作轉(zhuǎn)速。盡量避免轉(zhuǎn)子在受到某種激勵(lì)之后產(chǎn)生的共振給轉(zhuǎn)子帶來的嚴(yán)重?fù)p壞。國內(nèi)外很多學(xué)者在轉(zhuǎn)子動(dòng)力特性研究領(lǐng)域進(jìn)行過大量的探索,內(nèi)容十分廣泛[1-4]。王海朋[5]等針對(duì)某小型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的實(shí)際結(jié)構(gòu),在ANSYS中建立了三維有限元模型,計(jì)算了前兩階固有模態(tài)和振型,并對(duì)轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速進(jìn)行了計(jì)算;在熱度場對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)臨界轉(zhuǎn)速的影響上,朱向哲[6]等利用熱-結(jié)構(gòu)-動(dòng)力學(xué)耦合理論,對(duì)某汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速的影響進(jìn)行了探討;葉大慶[7]等應(yīng)用影響系數(shù)法研究支撐剛度對(duì)軸系臨界轉(zhuǎn)速影響。周文霞[8]計(jì)算分析了核主泵的地震譜響應(yīng)以及轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速。這些研究方式沿用傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析即采用傳遞矩陣方法進(jìn)行,由于將大量的結(jié)構(gòu)信息簡化為極為簡單的集中質(zhì)量——梁模型,不能確保模型的完整性和分析的準(zhǔn)確度,同時(shí)忽略了軸承的周向剛度和阻尼,且轉(zhuǎn)子的“陀螺效應(yīng)”一直是制約轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)有限元分析的瓶頸問題。有限元軟件ANSYS雖然解決了動(dòng)力特性分析中“陀螺效應(yīng)”影響的問題,但是其計(jì)算過程需要編寫命令流,直觀性較差,對(duì)于初學(xué)者來說,掌握起來比較困難[9-12]。專業(yè)的轉(zhuǎn)子動(dòng)力特性分析軟件SAMCEF Rotor能夠較好的解決這些問題,可以極大地提高工作效率[13]。

      1 有限元模態(tài)分析理論

      模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的一種近代方法,是系統(tǒng)辨別方法在工程振動(dòng)領(lǐng)域的應(yīng)用,其主要用于確定設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)或機(jī)器部件的振動(dòng)特性,即結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型,它們是承受動(dòng)載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)。模態(tài)分析的實(shí)質(zhì)是計(jì)算結(jié)構(gòu)振動(dòng)方程的特征值和特征向量[14]。

      動(dòng)力學(xué)基本方程可表示為:

      [M]+[C]+[K]{U}={F(t)}

      式中:分別為各質(zhì)點(diǎn)的加速度、速度和位移向量;[M]為質(zhì)量矩陣;[C]為阻尼矩陣;[K]為剛度矩陣;{F(t)}為載荷向量。

      采用有限元方法計(jì)算轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速時(shí),轉(zhuǎn)子會(huì)出現(xiàn)正進(jìn)動(dòng)和反進(jìn)動(dòng)。由于陀螺效應(yīng)的作用,隨著轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)角速度的提高,反進(jìn)動(dòng)固有頻率降低,而正進(jìn)動(dòng)固有頻率將提高。根據(jù)臨界轉(zhuǎn)速的定義,應(yīng)只對(duì)正進(jìn)動(dòng)固有頻率進(jìn)行分析[15]。在后處理中首先剔除反進(jìn)動(dòng)固有頻率,然后分析各階模態(tài)模型確定同一階振型的正進(jìn)動(dòng)與反進(jìn)動(dòng)固有頻率。改變轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)角速度ω,計(jì)算出新的進(jìn)動(dòng)角速度Ω,最后畫出曲線Ω~ω,即轉(zhuǎn)子坎貝爾曲線。根據(jù)臨界轉(zhuǎn)速定義,當(dāng)Ω=ω時(shí),Ω即所求臨界轉(zhuǎn)速。

      2 模型建立

      2.1 結(jié)構(gòu)與參數(shù)

      本次設(shè)計(jì)的高速礦用搶險(xiǎn)泵結(jié)構(gòu)如圖1所示,其中轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的主要部件有泵主軸、葉輪、軸套、推力盤、電機(jī)轉(zhuǎn)子、副葉輪等。性能參數(shù):流量Q=150 m3/h,揚(yáng)程H=700 m,轉(zhuǎn)速n=6 000 r/min,配套功率P=600 kW。

      圖1 高速礦用搶險(xiǎn)泵結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structure of High-speed mine rescue pump

      2.2 三維造型及材料特性

      根據(jù)高速泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)各部件的二維圖,利用UG軟件對(duì)轉(zhuǎn)子的主要部件進(jìn)行三維造型,并結(jié)合圖1將轉(zhuǎn)子系統(tǒng)各部件進(jìn)行裝配,高速礦用搶險(xiǎn)泵的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)三維模型如圖2所示。利用UG的模型分析功能定義各部件的密度、計(jì)算各部件的質(zhì)量及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等,轉(zhuǎn)子部件的材料特性及質(zhì)量屬性分析如表1所示。

      圖2 高速泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)三維模型圖Fig.2 3D model of rotor system

      表1 轉(zhuǎn)子各部件材料特性Tab.1 Material characteristics of rotor system

      2.3 軸承的支承模型建立

      軸承對(duì)于轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)力特性影響很明顯,軸承是阻尼的主要來源,控制著轉(zhuǎn)子的響應(yīng);軸承的剛度和阻尼又影響著轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速和穩(wěn)定性。軸承動(dòng)力學(xué)模型如圖3所示,其中kxx、kyy和cxx、cyx為主剛度系數(shù)和主阻尼系數(shù);kxy、kyx和cxy、cyx為交叉剛度系數(shù)和交叉阻尼系數(shù),它們表示液膜力在兩個(gè)互相垂直方向的耦合作用,交叉動(dòng)特性系數(shù)的大小和正負(fù)在很大程度上影響著軸承工作的穩(wěn)定性。 本次模擬的濕式電機(jī)徑向軸承動(dòng)力學(xué)特性參數(shù)由哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司提供,如表2所示。其中,輸入軸承剛度矩陣需要注意,Samcef中軸承剛度矩陣為6×6矩陣,其中1、2和3為位移剛度,4、5和6為轉(zhuǎn)角剛度。對(duì)角線的主位移剛度為11、22和33。程序規(guī)定11和22為垂直于旋轉(zhuǎn)軸方向,33為沿著旋轉(zhuǎn)軸方向。軸承單元參數(shù)設(shè)置如圖4所示。

      圖3 軸承動(dòng)力學(xué)模型Fig.3 Dynamical model of bearings

      圖4 軸承單元參數(shù)設(shè)置Fig.4 Parameters of bearing units

      表2 軸承支承剛度(N/m)和阻尼(Ns/m)Tab.2 Bearing stiffness(N/m) and damping(Ns/m)

      3 臨界轉(zhuǎn)速及振型分析

      SAMCEF Rotor軟件有三種有限元模型可用來描述轉(zhuǎn)子系統(tǒng)。

      (1)一維模型:轉(zhuǎn)子系統(tǒng)用梁,彈簧和集中質(zhì)量單元來模擬,該模型計(jì)算速度快,適用于有大量參數(shù)需要調(diào)整的初期設(shè)計(jì)分析。

      (2)二維傅里葉級(jí)數(shù)模型:轉(zhuǎn)子采用2D傅里葉多諧波單元模擬。該模型適合創(chuàng)建旋轉(zhuǎn)設(shè)備更精細(xì)的計(jì)算分析模型,以及帶有多數(shù)目葉片的旋轉(zhuǎn)機(jī)械的建模。

      (3)三維模型:采用三維實(shí)體建模,用體單元(六面體、棱柱或四面體)或者殼單元描述轉(zhuǎn)子系統(tǒng)。

      分別采用以上三種模型對(duì)臨界轉(zhuǎn)速及振型進(jìn)行比對(duì)和分析。其中,一維和二維模型需要將轉(zhuǎn)子系統(tǒng)各部件作為集中質(zhì)量單元處理,利用UG的模型分析功能計(jì)算出各部件集中質(zhì)量特性如表3所示。

      表3 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)各部件集中質(zhì)量特性Tab.3 The lumped mass of rotor system

      3.1 一維模型轉(zhuǎn)速及振型

      利用SAMCEF Rotor軟件建立轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的梁-軸承-集中質(zhì)量單元模型,根據(jù)實(shí)際情況將轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中的軸承單元設(shè)置為彈性支承,定義軸承的動(dòng)力特性系數(shù),對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析。彈性支承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的前三階臨界轉(zhuǎn)速及振型和坎貝爾圖如圖5所示。

      圖5 一維模型臨界轉(zhuǎn)速、振型及坎貝爾圖Fig.5 Critical speed、vibration mode and Campbell chart of 1D model

      3.2 二維模型臨界轉(zhuǎn)速及振型

      二維模型采用軸對(duì)稱傅里葉級(jí)數(shù)展開單元模擬轉(zhuǎn)子。這種單元可以更好地模擬轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)和特性。集中質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量采用lumped mass(集中質(zhì)量單元),軸承支承單元采用Ground Bearing(接地軸承單元)模擬,設(shè)置軸承的剛度矩陣和阻尼矩陣。二維模型的前三階臨界轉(zhuǎn)速及振型和轉(zhuǎn)子系統(tǒng)坎貝爾圖如圖6所示。

      圖6 二維模型臨界轉(zhuǎn)速、振型及坎貝爾圖Fig.6 Critical speed、vibration mode and Campbell chart of 2D model

      3.3 三維模型臨界轉(zhuǎn)速及振型

      在三維模型中,各轉(zhuǎn)動(dòng)部件之間均采用Glue(黏接)方式,即假設(shè)轉(zhuǎn)子各部件的接觸位置不發(fā)生松動(dòng),并且在單元特性或者材料特性定義時(shí)可以區(qū)分開。若使用布爾運(yùn)算處理,各個(gè)部件將成為一個(gè)幾何體,無法區(qū)分不同的材料特性。在SAMCEF Rotor中進(jìn)行裝配,定義材料屬性及約束條件,并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。三維模型的前三階臨界轉(zhuǎn)速及振型和轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的坎貝爾圖如圖7所示。

      圖7 三維模型臨界轉(zhuǎn)速、振型及坎貝爾圖Fig.7 Critical speed、vibration mode and Campbell chart of 3D model

      3.4 模擬結(jié)果對(duì)比分析

      從模型大小和計(jì)算時(shí)間對(duì)比可知,采用一維和二維模型所表示的自由度與三維模型相當(dāng),說明三者對(duì)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的描述基本一致,但在節(jié)點(diǎn)數(shù)和CPU計(jì)算時(shí)間上,一維和二維模型明顯占優(yōu),減少了對(duì)計(jì)算機(jī)資源的占用,節(jié)省了大量的計(jì)算時(shí)間。

      從不同模型的振型對(duì)比可知,一階臨界轉(zhuǎn)速以轉(zhuǎn)子前部的振動(dòng)為主,表現(xiàn)為離心葉輪的擺動(dòng);二階臨界轉(zhuǎn)速以轉(zhuǎn)子前部和后部的振動(dòng)為主,表現(xiàn)為離心葉輪和副葉輪的擺動(dòng);而第三階臨界轉(zhuǎn)速以轉(zhuǎn)子中部的振動(dòng)為主,表現(xiàn)為電機(jī)轉(zhuǎn)子的擺動(dòng)。不同模型在相同臨界轉(zhuǎn)速所表現(xiàn)出來的振型基本一致,體現(xiàn)了模型建立及結(jié)果分析的準(zhǔn)確性。

      不同模型的各階臨界轉(zhuǎn)速對(duì)比如表4所示。從不同模型的坎貝爾圖和臨界轉(zhuǎn)速的對(duì)比可知,選用一維及二維模型和選用三維模型進(jìn)行計(jì)算所反映的臨界轉(zhuǎn)速分布基本一致。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)各階正、反進(jìn)動(dòng)固有頻率都是穩(wěn)定的,隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的提高,各階正進(jìn)動(dòng)固有頻率將逐漸上升,而各階反進(jìn)動(dòng)固有頻率將逐漸下降。在不平衡力驅(qū)動(dòng)下,轉(zhuǎn)子將作正向同步渦動(dòng),由臨界轉(zhuǎn)速的定義,對(duì)于正向同步渦動(dòng)的臨界轉(zhuǎn)速應(yīng)予以重視,故只對(duì)正進(jìn)動(dòng)固有頻率進(jìn)行分析。如前所述,一維及二維模型將葉輪等簡化為集中質(zhì)量施加于主軸上,如果轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很大,采用這種描述方式就會(huì)帶來一定的誤差。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分為極轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(繞轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸)和直徑轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(繞輪盤任一直徑),本文的算例中,一階臨界轉(zhuǎn)速表現(xiàn)為離心葉輪的擺動(dòng),二階臨界轉(zhuǎn)速表現(xiàn)為首尾兩端的擺動(dòng),擺動(dòng)是直徑轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的體現(xiàn),通過計(jì)算,離心葉輪的直徑轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是副葉輪的10.1倍,由于一階臨界轉(zhuǎn)速主要受離心葉輪的影響,二階臨界轉(zhuǎn)速同時(shí)受到離心葉輪和副葉輪的影響,理論上離心葉輪簡化后引起的臨界轉(zhuǎn)速誤差應(yīng)該比副葉輪引起的臨界轉(zhuǎn)速誤差大。同樣,由于一維和二維模型采用集中質(zhì)量單元,相比三維模型采用實(shí)體也會(huì)產(chǎn)生誤差。

      表4 不同模型臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算結(jié)果 HzTab.4 Critical speed of different models

      針對(duì)模擬的高速礦用搶險(xiǎn)泵而言,轉(zhuǎn)子系統(tǒng)運(yùn)行到額定工作轉(zhuǎn)速將經(jīng)過一階臨界轉(zhuǎn)速,最大振幅1.3 mm,能夠在額定工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)平穩(wěn)運(yùn)行,且額定工作轉(zhuǎn)速n=6 000 r/min遠(yuǎn)離臨界轉(zhuǎn)速,可知本文研究的高速礦用搶險(xiǎn)泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)能夠在額定轉(zhuǎn)速下安全運(yùn)行。

      4 結(jié) 論

      (1)通過SAMCEF Rotor軟件對(duì)高速礦用搶險(xiǎn)泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行初步的動(dòng)力學(xué)特性分析,得到了臨界轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子的振型變化情況,表明該設(shè)計(jì)方案能夠滿足轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)要求。

      (2)對(duì)于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及需要反復(fù)修改的初始設(shè)計(jì)階段,SAMCEF Rotor一維梁單元模型和二維傅里葉單元模型較三維實(shí)體模型更加簡便和實(shí)用?;赟AMCEF Rotor轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)軟件通過不同的模型進(jìn)行臨界轉(zhuǎn)速的計(jì)算和對(duì)比分析,證明其計(jì)算結(jié)果精度較高。

      (3)建議在工程研制初期,采用一維及二維模型計(jì)算臨界轉(zhuǎn)速及振型,便于盡快對(duì)方案進(jìn)行篩選和調(diào)整,避免工作轉(zhuǎn)速達(dá)到臨界轉(zhuǎn)速產(chǎn)生共振現(xiàn)象。在詳細(xì)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)完成后,選用三維實(shí)體模型進(jìn)行臨界轉(zhuǎn)速的計(jì)算,通過三維實(shí)體的振型圖可以更好地觀察轉(zhuǎn)子系統(tǒng)外緣如葉輪出口的振動(dòng)情況,通過計(jì)算仿真數(shù)據(jù)為實(shí)際試驗(yàn)提供參考和理論依據(jù)。

      [1] Gautam Das,Ashok Kumar Ray,Sabita Ghosh. Fatigue failure of a boiler feed pump rotor shaft[J].Engineering Failure Analysis,2003,10(6):725-732.

      [2] Stephan Nackel,Per Karlsson. Submerged vertical safety concept [J].World Pumps, 2009,513:12-15.

      [3] Bert R. Jorgensen,Yung C. Shin. Dynamics of Machine Tool Spindle /Bearing Systems under Thermal Growth[J].Journal of Tribology,1997,119 (10):875-882.

      [4] Qiu Baoyun,Lin Haijiang,Yuan Shouqi. Guide bearing probability load theory of large vertical pump[J].Mechanism and Machine Theory,2007,42(9):1 199-1 209.

      [5] 王海鵬,戴 勇,張志清,等.基于ANSYS的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī),2009,35(5):30-31.

      [6] 朱向哲,袁惠群,賀 威.穩(wěn)態(tài)熱度場對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)臨界轉(zhuǎn)速的影響[J].振動(dòng)與沖擊,2007,26(12):113-116.

      [7] 葉大慶,張 雷,林建中,等.支承剛度對(duì)600 MW汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)臨界轉(zhuǎn)速的影響[J].振動(dòng)與沖擊,2004,23(2):61-63.

      [8] 周文霞.核主泵地震譜響應(yīng)及轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速分析[D].上海:上海交通大學(xué),2010.

      [9] 王寧峰,王桂紅.基于ANSYS的轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算[J].青海大學(xué)學(xué)報(bào),2007,25(5):18-21.

      [10] 曹衛(wèi)東,高 一,王秀蘭,等.基于ANSYS的礦用潛水電泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào),2012,30(2):157-161.

      [11] 汪家瓊,孔繁余,錢永康.多級(jí)離心泵臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算分析[J].礦山機(jī)械,2014,42:56-59.

      [12] 孔繁余,陳 浩,王 婷,等.基于流固耦合的減壓塔底泵強(qiáng)度分析[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2013,49(2):159-164.

      [13] 周傳月.SAMCEF有限元分析與應(yīng)用實(shí)例[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

      [14] 顧家柳等.轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)[M].北京:國防工業(yè)出版社,1985.

      [15] 鐘一諤,何衍宗,王 正,等.轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)[M].北京:清華大學(xué)出版社,1987.

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