大型多级离心泵机组轴系的扭转振动分析_图文

1、第 51 卷第 5 期2014 年 10 月化工设备与管道PROCESS EQUIPMENT & PIPINGV ol. 51No.5Oct. 2014收稿日期：2014-08-13基金项目：中国石油天燃气股份有限公司科技开发项目“大庆石化乙烯改扩建工程”（发改工业20071187号）。作者简介： 殷洪权（1970），男，黑龙江省林口县人，高级工程师。主要从事压力容器与化工设备管理及检维修等工作。大型多级离心泵机组轴系的扭转振动分析殷洪权（中国石油大庆石化分公司，黑龙江 大庆163714）摘要大型多级离心泵机组轴系的扭转振动特性直接关系到机组运行的稳定性与可靠性，为了分析带齿轮箱的高速

2、多级离心泵机组的扭振振动固有频率及其影响因素，基于多体动力学分析软件ADAMS 建立了机组轴系的虚拟样机模型，给出了轴系建模方法，分析了齿轮副和联轴器刚度对轴系固有特性的影响，基于API 610标准对最终设计的机组轴系扭振固有频率计算结果进行评定。结果显示机组轴系在工作转速附近存在多个固有频率，很有必要对机组轴系进行整体建模和分析，电机转子、泵转子和联轴器等对轴系的固有特性影响较大，通过适度调整泵轴和联轴器等结构可以使固有频率避开转子的工作频率。关键词多级离心泵；轴系；扭转振动；固有频率中图分类号：TQ 051.2；TH 311文献标识码：A 文章编号：1009-3281（2014）05-00

3、57-005高压多级离心泵机组大量用于石油化工、石油开采、火力发电与核电等领域，其中很多机组功率超过1 000 kW，并且级数多、转轴长、转速高、轴系复杂，部分机组因高转速而采用增速齿轮箱。由于机组大型化和使用要求的提高，API 610等标准对带增速齿轮箱的大型高压泵机组提出了特殊的设计要求1，即需要对轴系扭振固有频率、湿态转子临界转速、壳体强度等进行详细的分析计算，以保证多级泵机组运行的可靠性。对于轴系的扭振计算，传递矩阵法广泛用于各种结构的分析计算场合。特别对于一些复杂轴系的计算，基于传递矩阵法的计算程序，实现了多转子复杂轴系的扭转振动分析，不仅得到了扭振的响应，同时也包括横振方面的响应2

4、-4。李霄琳等5基于轴系扭转振动分析设计电机泥泵轴系系统，给出计算轴系自由振动固有频率的传递矩阵法和计算强迫振动的动力放大系数法。董世民等6考虑地面驱动与传动系统转动惯量对铅垂直井螺杆泵采油杆柱扭转振动的影响，建立顶端具有等能转动惯量的自由转动圆盘、下端自由的多级组合杆柱扭转振动的力学模型, 给出了单级、二级与三级组合杆柱自由扭转振动固有频率的计算公式。陆叶7在研宄了船舶轴系扭振的基本理论的基础上, 对轴系扭振的测试以及分析方法进行了研宄，同时, 基于MATLAB 平台开发了船舶轴系扭振分析软件, 并对其进行实例验证。向玲等8针对电网动态模拟系统和汽轮发电机组轴系扭振模拟机，开展了典型工况及故

5、障扰动下机组轴系扭振试验，并利用非平稳信号的时频分析方法对轴系的扭振信号进行分析。当前，ANSYS 和ADAMS 等大型软件也广泛被用于各类复杂轴系的扭振分析。付强等9为研究核电站离心式上充泵转子轴系扭振特性，采用有限元分析软件 ANSYS对上充泵转子轴系的扭转振动特性进行数值计算，通过扭振分析得到转子轴系在不同转速下的扭转振幅。王彬等10针对压裂车车载传动系统，利用动力学仿真分析软件ADAMS 进行分析，利用最小二乘法拟合传动轴共振频率和发动机转速的函数，对比压裂泵挡工作频率。本文主要针对带齿轮增速箱的高压多级离心泵机组轴系进行扭振分析，并通过实例分析齿轮箱、联轴器特性对机组扭振固有频率的影

6、响，按照API 610标准对扭振计算结果进行评定。1模型与计算方法1. 1泵组结构与性能本文所研究的大型多级泵的设计参数如表1所示，其设计转速为7 500 r/min，多级泵转子采用10级叶轮，泵的总扬程达3 500 m。整个多级泵机组包括了电机、高速轴和低速轴联轴器、增速器、多级泵等，机组结构如图1所示。第 51 卷第 5 期· 58 ·化工设备与管道 图1多级泵机组结构Fig. 1 Structure of the multi-stage pump unit1. 2虚拟样机模型在轴系扭振分析中，需要实体建模的部件包括电机、低速端联轴器、增速箱、高速端联轴器及多级泵转子组

7、件等。其中，影响扭转振动特性的电机部件主要是转子，因此在保证转子质量及转动惯量与实物一致的前提下，简化其外壳的形状。对于联轴器，模型中只考虑其质量、转动惯量及总的扭转刚度，并以此为基础对联轴器的形状进行简化。齿轮增速部分主要对齿轮副进行建模，不考虑箱体结构的影响，简化后实体模型如图2所示。对于泵轴和叶轮组件，在保证质量及转动惯量与真实转子一致的基础上，将叶轮结构简化为圆盘，其划分网格后的结构如图3所示，各部件的质量和转动惯量如表2所示。图2增速齿轮副三维模型Fig. 2 Three dimensional model of the gears完成各部件的建模后，可根据装配关系分别加上相应的约束

8、，组成完整的多级离心泵机组的完整轴系，整个轴系的三维实体模型如图4所示。在该模型中对所有转动部件加回转副约束，电机轴伸部分与低速端联轴器安装盘以固定副连接，联轴器另一端与低速齿轮以固定副连接，联轴器之间以扭簧连接。高速齿轮和低速齿轮间以齿轮副连接，与高速端联轴器以固定副连接。高速端联轴器另一端以固定副与转子连接，以驱动其转动。 图3多级转子网格结构图Fig. 3 Calculation Grids of the multi-stage pump rotor 图4多级泵机组虚拟样机模型Fig. 4 Virtual prototype model of the multi-stage pump u

9、nit1. 3计算平台和数学模型轴系扭振分析计算基于多体动力学分析软件平台ADAMS 进行。该软件是美国MDI 公司开发的机械系统动力学仿真分析软件，它使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析。基于ADAMS 计算平台，在不考虑传动轴、支承轴承和箱体等的弹性变形时，齿轮系统可以简化处理成为齿轮副的扭转振动系统。辅助齿轮通过定义一个密度足够小的齿轮代替。虚拟齿轮运动副直接采用ADAMS 中的齿轮运动副，扭簧通过定义力矩实现，该力矩作用于被动齿轮，

10、反作用于辅助齿轮，其大小由辅助齿轮和被动齿轮之间转角、转速、等价扭簧刚度、等价扭簧阻尼、等价扭簧初始角位移变动量和初始角速度变动量决定。在一对齿轮副纯扭转振动分析模型的基础上，2014 年 10 月· 59 ·若再考虑传动轴的扭转刚度和电机和泵轴的转动惯量等，则形成了齿轮转子系统的扭转振动问题。在建模中，不考虑传动轴的质量，将原动机、主被动齿轮和负载分别处理成集中的转动惯量元件。此外，联轴器扭转刚度为（1） 式中，K T1和K T2分别为两个半联轴器的刚度，对于本文实例，两者均为6.90×107 N·mm/deg。 根据大齿轮和小齿轮的齿数、压力角、螺旋

11、角、齿宽和模数等基本参数，查机械设计手册11可得齿轮的啮合刚度和阻尼，对于本文实例，齿轮总刚度为1.618×109N/mm。轮齿的啮合阻尼为34.91 N·mm ·s/deg。2机组固有频率影响因素分析 为分析机组轴系整体计算和部件单独计算对计算结果的影响，图5给出了机组轴系整体计算和泵轴独立计算条件下得到的固有频率计算结果。由图示结果可知，两种计算方法得到的前三阶固有频率存在很大的区别，机组轴系的多个固有频率在工作频率或两倍工作频率附近。机组扭振固有频率除包含电机、齿轮箱和联轴器的固有特性外，多级泵轴的固有特性也因受这些部件的约束而变化，采用多级泵轴进行独立计算

12、可能会因约束条件的不确定性等因素而带来较大误差。因此很有必要针对多级泵机组整个轴系进行扭振固有频率计算。 图5泵轴与机组扭振固有频率对比Fig. 5 T orsional vibration natural frequency of the pump shaftand pump unit为了分析连接电机和泵轴的齿轮增速器和联轴器等部件对扭振固有频率的影响，并分析其刚度参数选取对整体计算结果的影响，表3、表4和表5给出了只改变齿轮啮合刚度或联轴器刚度条件下，多级泵机组轴系的扭振频率。由计算结果可知，当齿轮啮合刚度改变时，机组扭振固有频率几乎不变，可以认为齿轮刚度对多级泵泵机组的扭振固有特性的影响

13、很小。当连接多级泵轴的高速度联轴器刚度减小时，机组扭振固有频率会降低，联轴器刚度越小降低的幅度越大。在联轴器刚度大于106时，前5阶扭振固有频率变化较大，第6阶以上的扭振固有频率基本不变。连接电机的低速端联轴器刚度下降到106时，机组的扭振频率明显下降。但当联轴器刚度由106下降到105时，第4阶及其以上频率不变。3扭振固有频率分析与评定通过不同计算方法的分析，以及齿轮和联轴器连接部件刚度选择对扭振固有频率计算结果影响的分析，掌握各齿轮和联轴器刚度对相应固有频率的影响，同时为调整泵轴和联轴器结构调整提供参考。对于本文采用的分析实例，通过泵轴和联轴器结构的调整，使其使扭转振动固有频率避开机组高速

14、轴和低速轴的工作频率，以保证机组轴系运行的稳定性。针对调整泵轴和联轴器结构后的高压多级离心泵机组，殷洪权. 大型多级离心泵机组轴系的扭转振动分析第 51 卷第 5 期· 60 ·化工设备与管道基于其虚拟样机模型对整个机组轴系进行扭振和横振固有频率计算，给出前8阶固有频率（如表6所示），其中包括前5阶扭振固有频率和前3阶横振固有频率，图6和图7分别给出了前5阶的扭振振型和前3阶的横振振型。从结果可以看出，机组 2-5阶的扭振固有频率均对应于多级泵的泵轴，机组1-3阶横振固有模态均对应于多级泵泵轴，而第1阶模态则主要受电机及低速轴联轴器影响。 图6机组扭振振型Fig. 6 To

15、rsional vibration modes of pump unit 图7 机组横振振型Fig. 7 Lateral vibration modes of pump unit按照API 610第10版第5.9节的规定，对于带齿轮增速箱的大功率多级离心泵机组，要求整个机组的扭转固有频率应比规定的转速范围内任何可能的激励频率至少高出10或低出10，若不满足该要求则需对泵轴做应力分析，以保证泵轴满足设计要求。表7给出高压多级泵机组轴系扭振固有频率与机组工作频率。由结果可知，最终设计的机组轴系各阶固有频率不在低速轴和高速轴在1倍和2倍工作转速下对应频率90至110范围之内，满足API 610标准的

16、要求。4结束语本文以一台带齿轮增速箱的大功率多级离心泵机组为对象，基于分析软件平台ADAMS 建立了机组轴系的虚拟样机模型，对轴系的扭振特性进行了计算，分析了齿轮副和联轴器刚度对轴系扭振固有频率的影响，并基于API 610标准对轴系扭振计算结果进行评定。结果显示对机组轴系的多个固有频率在转轴1倍和2倍工作频率附近，独立进行的转轴扭振分析可能无法准确计算部分主要的固有频率；齿轮啮合刚度对扭振固有频率的影响很小，而高速轴端与低速轴端联轴器刚度对扭振固有频率影响较大；对于多级离心泵，可以通过泵轴和联轴器的结构调整来有效改变轴系的扭振固有频率，并使固有频率避开高速轴和低速轴的工作频率，否则需对泵轴进行

17、应力分析，以保证机组的安全可靠运行。参考文献 1 ANSI/API Standard 610, Centrifugal Pumps for Petroleum,Petrochemical and Natural Gas Industries, Tenth Edition S, American Petroleum Institute, Washington, D.C., 2004 2 Sankar S. On the Torsional Vibration of Branched SystemsUsing Extended Transfer Matrix Method J, Transacti

18、ons of the ASME, Journal of Mechanical Design, 1979, 101(5: 546-553 3 Mitchell L. D. A New Branching Technique for the Staticand Dynamic Analysis of Geared Systems C , Proceedings2014 年 10 月· 61 ·of the Second International Conference Vibrations in Rotating Machinery, The Institution of Me

19、chanical Engineers, London, England, held at Cambridge, England, September 2-4, 1980: 37-42. 4 Hibner D H. Dynamic Response of Viscous-Damped Multi-Shaft Jet Engines J. Journal of Aircraft, 1975,12(4: 305-312. 5 李霄琳，刘浩. 电机泥泵轴系系统扭振设计计算J. 东北水利水电，2011(1: 11-14. 6 董世民，李志刚. 螺杆泵采油杆柱扭转振动固有频率的计算方法J，石油矿场机械，2

20、006, 35(3:34-37. 7 陆叶. 船舶轴系扭转振动分析软件开发及试验验证D. 大连：大连理工大学，2013.6. 8 向玲，杨世锡，唐贵基 汽轮发电机组轴系扭振的时频特征分析J. 动力工程学报，2011, 31( 9 : 649-654，671. 9 付强，袁寿其，朱荣生，等. 1000MW级核电站离心式上充泵转子轴系的扭振特性J. 排灌机械工程学报，2013, 5(31: 394-400.10 王彬，吴磊，肖文生. 油田压裂泵车车载设备传动系统扭振分析J. 石油矿场机械，2014, 43(5:31-34.11 机械设计手册编委会. 机械设计手册M. 北京：机械工业出版社，2004

21、.Torsional Vibration Analysis of Shafts in Large Multi-stage Centrifugal Pump SetYIN Hongquan（Daqing Petrochemical Company, CNPC, Daqing163714, China）Abstract: The torsional vibration property of the shaft in large multi-stage centrifugal pump set is directly related to the stability and reliability

22、 of machine operation. In order to calculate the torsional natural frequency of the shaft in high-speed multistage centrifugal pump with gearbox, and analyze the torsional vibration property, the virtual analysis model of shaft system was established based on multi-body dynamic analysis software ADA

23、MS, from which the modeling methods were presented. The effect of the stiffness of the gear and couplings to the natural frequency of the shaft was analyzed. The torsional vibration property of the nal designed shaft system was evaluated based on API 610 standard. The results showed that there were

24、several natural frequencies near the shaft system's working frequency. Thus it is necessary to carry out the whole shaft system modeling and analysis. The natural frequency will be greatly in uenced by motor rotor, pump rotor and couplings, and however resonance can be avoided by appropriate adjustment of the pump shaft and coupling structure.Key words: multi-stage centrifugal pump; shaft system; tosional vibration; natural frequency封面：苏尔寿泵业封二：合肥新沪屏蔽泵有限公司封三：上海森松化工成套装备有限公司封底：辽宁格瑞特泵