基于ANSYS的双进口双吸泵轴系临界转速计算.docx

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基于ANSYS的双进口双吸泵轴系临界转速计算

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李辉楚

石家庄强大泵业集团有限责任公司河北石家庄050035

一、前言

临界转速分析是转子支承系统设计中最重要的内容之一。临界转速分析的主要目的，在于确定转子支承系统的各界临界转速，并按照经验或有关的技术规定，将这些临界转速调整，使其适当远离机械的工作转速，以得到可靠的设计[1]。

计算转子临界转速必须考虑陀螺效应对转子系统的影响。采用有限元方法计算转子临界转速时，转子会出现正进动和反进动。由于陀螺效应的作用，随着转子自转角速度的提高，反进动固有频率将降低，而正进动固有频率将提高。根据临界转速的定义，应只对正进动固有频率（Ωc）进行分析，并在后处理中首先剔除负固有频率，确定同一阶振型的正进动和反进动固有频率，改变转子自转角速度（ω），计算出新的Ωc，最后画出Ωc～ω曲线。Ωc～ω曲线与正进动等转速线的交点即为转子的临界转速值[2]。

二、双进口双吸泵轴系临界转速分析

该双进口双吸泵轴系结构如图1所示，用ANSYS12.1软件建立模型。在建模过程中，依照轴系结构和转子动力学分析的特点，作如下简化处理：

1）轴段根据其直径简化为变截面的阶梯轴。2）叶轮简化为圆盘，以及加在圆盘中心的一个集中质点（包括质量和转动惯量），使得简化得到的圆盘和叶轮有着相同的重心位置、质量和转动惯量。3）图上圆柱滚子轴承和角接触球轴承做弹性处理，简化为具有一定刚度系数的弹簧。根据简化后轴的结构，在用ANSYS建模过程中作如下处理：

1）轴系本体部分采用BEAM188梁单元模拟。BEAM188单元是三维梁单元，每个节点具有六个自由度：UX、UY、UZ、ROTX、ROTY、ROTZ，可以满足各种振动计算的要求。设置梁单元不同的截面参数，可以模拟不同形状和直径的轴结构。2）圆盘用BEAM188梁单元模拟，同样具有六个自由度：UX、UY、UZ、ROTX、ROTY、ROTZ，可以设置单元各个方向上的质量和转动惯量。

3）轴承部分采用COMBIN14弹簧单元模拟。COMBIN14在此用作一维线弹性单元，可以分别有三个方向的自由度：UX、UY、UZ，只沿弹簧方向传递力。由于是一维弹簧单元，所以考虑在轴的水平和垂直两个方向分别设置两个弹簧，来分别模拟轴承部分在Y向和Z向的弹性。弹簧单元一端连接在轴的节点上，一端设置为固定端。滚动轴承的刚度系数大小取决于轴承本身及其安装方法，根据转子动力学的经验，典型的刚度系数范围为4×107至1×108N/m。

经过以上处理，可以在ANSYS中建立轴系的有限元计算模型，如图2所示。材料35CrMo的弹性常数设置为：弹性模量E=2.13×1011N/m2，泊松比μ=0.286，密度ρ=7870kg/m3。

下面以非驱动端轴承刚度和驱动端轴承刚度系数均为108N/m为例，计算轴系的临界转速。经过计算，转子固有频率随转速变化的计算结果如表1所示。

三、结论

由表1数据可绘制出转子系统的Campbell图，如图3所示。图中等转速线与正进动频率对应转速线交点处即为第一阶临界转速。第一阶临界转速为1910rpm，远高于工作转速980rpm。偏离该最小值的20%范围以上，因此轴系的工作转速是安全的。

参考文献

[1]顾家柳等编著.转子动力学.北京:国防工业出版社,1985

作者简介

李辉楚（1988—）女，河北赵县人，本科，助理工程师，从事泵类产品设计及强度分析。

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-全文完-