一種潛液泵結(jié)構(gòu)支撐方式的優(yōu)化

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(1.武漢船用機(jī)械有限責(zé)任公司，武漢 430084；2.中交一公局三公司，北京 100000)

目前，我國液貨船上使用的潛液泵主要依賴進(jìn)口，沒有掌握核心技術(shù)，成本過高，潛液泵系統(tǒng)亟待國產(chǎn)化[1-2]?；谥泻Ｓ土骰ㄓ吞镩_發(fā)的15萬t級FPSO,國內(nèi)相關(guān)單位正積極開展液壓潛液泵系統(tǒng)國產(chǎn)化推廣與應(yīng)用。然而潛液泵細(xì)長的主管路系統(tǒng)在泵高速運(yùn)轉(zhuǎn)時會引起共振，這對潛液泵系統(tǒng)的可靠性產(chǎn)生嚴(yán)重影響[3-5]。已有的研究多集中于單層管道[6-8]，對于潛液泵多層同心管路的振動研究報(bào)道較為少見。為此，針對某型號潛液泵研發(fā)過程中同心管路在工作頻率附近存在共振的問題，采用有限元軟件對潛液泵進(jìn)行結(jié)構(gòu)模態(tài)進(jìn)行分析，從振型上分析產(chǎn)生共振的原因，并對管路的支撐方式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 潛液泵模態(tài)分析

1.1 潛液泵結(jié)構(gòu)、工況及材料屬性

圖1 潛液壓主管路

某型號潛液泵頂部甲板連接部件安裝在液貨船體上，主管路部件和泵頭部件安裝在液貨艙里。主管路和泵頭部分通過3個支撐圈與艙體內(nèi)壁連接[4]。受液貨船的結(jié)構(gòu)限制，主管路分為5段，各段之間通過法蘭連接。主管路由同心管和液貨管組成，見圖1。同心管內(nèi)層為高壓管，通液壓馬達(dá)高壓腔；中間層為回油管，通液壓馬達(dá)回油腔；最外層為隔離管，與外界隔離，起密封監(jiān)測作用；貨油管輸送液貨。隔離管、回油管在分段處法蘭連接；各段高壓管之間有套管；回油管與高壓管之間有置導(dǎo)向支撐環(huán)。在主管路外部布置監(jiān)測管和掃艙管，通過管夾連接于貨油管外壁。潛液壓載泵葉輪軸系轉(zhuǎn)速1 850 r/min，潛液泵載荷為重力、葉輪軸轉(zhuǎn)矩、葉輪軸向力和徑向力、高壓管壓力、回油管壓力、監(jiān)測管應(yīng)力、液貨管壓力等。

各部分的材料屬性見表1。

表1 材料屬性

1.2 劃分網(wǎng)格施加約束載荷

采用前處理軟件SpaceClaim對三維模型進(jìn)行幾何清理和簡化以后導(dǎo)入ANSYS軟件，劃分網(wǎng)格。得到的有限元模型見圖2。

圖2 潛液泵有限元模型

采用笛卡爾座標(biāo)系，X、Z方向?yàn)闈撘罕脵M向，Y方向?yàn)榭v向[9]。潛液泵的甲板連接部件和支撐圈的下表面全約束；支撐圈內(nèi)部隔套板僅約束橫向平移自由度，釋放軸向平移自由度和軸向轉(zhuǎn)動自由度；葉輪傳動軸部分與軸承座之間以轉(zhuǎn)動副連接，見圖3。

圖3 邊界條件示意

潛液壓泵葉輪軸轉(zhuǎn)速為1 850 r/min，載荷為結(jié)構(gòu)部分的重力，葉輪力矩1 018 N·m， 葉輪載荷為Fx=229.67 N，F(xiàn)z=57.05 N,Fy=9 051 N，高壓管壓力30 MPa,回油管壓力1.5 MPa,隔離管壓力0.15 MPa，見圖4。

圖4 加載示意

1.3 模態(tài)計(jì)算

有載荷作用的工況下，結(jié)構(gòu)處于應(yīng)力狀態(tài)，此時計(jì)算的模態(tài)成為預(yù)應(yīng)力模態(tài)，預(yù)應(yīng)力模態(tài)為

式中：K為剛度矩陣；M為質(zhì)量矩陣；ωi為振動頻率；φi為模態(tài)。[10]

用有限元法計(jì)算潛液泵的模態(tài)，得到固有頻率和振型結(jié)果。

由于驅(qū)動馬達(dá)的額定轉(zhuǎn)速為1 850 r/min，此轉(zhuǎn)速下的工作頻率為30.833 Hz。

額定工作頻率±10%(27.75～33.916 7 Hz)范圍內(nèi)潛液泵結(jié)構(gòu)可能發(fā)生共振。取潛液泵在額定工作頻率附近的10階振型進(jìn)行對比，得到振型結(jié)果見表2。

表2 潛液壓載泵共振模態(tài)

注：高-高壓管；監(jiān)-監(jiān)測管；掃-掃艙管；貨-貨油管。 為了突出重點(diǎn)，表中列出頻率數(shù)值和產(chǎn)生振動的部位，振型部位采用零部件的首字作為簡稱。經(jīng)分析可知，在額定工作頻率±10%范圍內(nèi)潛液泵有8階振型，高壓管上有2階振型，貨油管有1階振型，監(jiān)測管有5階振型。監(jiān)測管振型對潛液泵正常運(yùn)轉(zhuǎn)影響很小，不予考慮。但高壓管和貨油管的共振會可能會對潛液泵正常運(yùn)行產(chǎn)生不利影響，應(yīng)盡量避免。

頻率為30.48 Hz和31.48 Hz時，同心管的振型發(fā)生在高壓管上；頻率為 32.91 Hz時，雖然監(jiān)測管振動位移最大，但同時在管夾部位的貨油管局部位移較大，該現(xiàn)象是由于監(jiān)測管通過管夾將振動傳遞給貨油管產(chǎn)生的。高壓管、監(jiān)測管、貨油管振型見圖5。

2 支撐形式優(yōu)化

2.1 優(yōu)化支撐圈位置

管柱支撐圈共3個，從下到上序號依次為1、2、3，對應(yīng)距泵吸口的距離分別h1、h2、h3,支撐圈的尺寸基準(zhǔn)為支撐隔板下表面；為抑制額定頻率范圍內(nèi)的同心管和貨油管的共振，對支撐圈的位置進(jìn)行優(yōu)化。為避免同心管內(nèi)外層振型干擾，盡量將支撐圈靠近各管路分段處，根據(jù)貨油管處振型結(jié)果，將貨油管振幅最大處的管夾(第1支撐圈上方的第3個管夾)去掉，隔離監(jiān)測管對貨油管的影響。優(yōu)化方案見圖6。

第2次對潛液泵進(jìn)行模態(tài)計(jì)算，結(jié)果見表3。

表3 支撐圈優(yōu)化的振型

經(jīng)調(diào)整支撐圈的位置，振型得到改善。在額定頻率±10%(27.75～33.916 7)范圍內(nèi)，高壓管有1階振型，監(jiān)測管有6階振型，液貨管沒有振型。結(jié)果表明去掉1個管夾后監(jiān)測管的振型被有效隔離。

2.2 優(yōu)化隔離套位置

由于頻率為30.51 Hz時，潛液泵振型發(fā)生在高壓管上。為抑制高壓管振型，須在每段高壓管和回油管之間設(shè)置隔套以增加高壓管和回油管的橫向剛度。受裝配條件的限制，每段高壓管與回油管之間只能布置1個隔套。根據(jù)振型中高壓管變形圖，調(diào)整隔離套位置，見圖7。

圖7 潛液壓載泵支撐的位置示意

加隔套以后再次對潛液泵進(jìn)行模態(tài)計(jì)算。分析結(jié)果見表4。結(jié)果表明，在額定頻率±10%(27.75 Hz～33.916 7 Hz)范圍內(nèi)，監(jiān)測管有6階振型，同心管和貨油管沒有振型。

表4 隔套優(yōu)化振型

2.3 總結(jié)

將支撐圈和隔離套的布置的位置總結(jié)見表5。經(jīng)仿真分析，優(yōu)化支撐圈和隔套的支撐方式以后，消除了潛液泵共振區(qū)內(nèi)同心管和貨油管振型。在性能試驗(yàn)中，泵運(yùn)行在額定轉(zhuǎn)速附近時潛液泵管路部分未出現(xiàn)共振。

表5支撐圈和隔套的布置

m

支撐圈距泵吸口距離隔套距泵吸口距離h15.43 L12.68h211.09L26.89h317L312.48L418.04L523.76

3 結(jié)論

1)在保證各支撐跨度相差不懸殊的情況下，支撐圈應(yīng)盡量布置在各段管路的分段處附近，避免同心管路的相互干擾。

2)高壓管隔離套的布置應(yīng)參考高壓管的振型，有針對性地進(jìn)行布置。在優(yōu)化布置過程中可能出現(xiàn)反復(fù)，以最大限度抑制同心管的振型。

3)雖然在性能試驗(yàn)中管路未出現(xiàn)共振，但試驗(yàn)條件與實(shí)際船載環(huán)境存在一定差異，在潛液泵系列化過程中應(yīng)結(jié)合實(shí)際工況進(jìn)行深入分析。