基于SAMCEF ROTORS的高速泵中间轴转子系统临界转速计算

1、基于SAMCEFROTORS的高速泵中间轴转子系统临界转速计算1、前言高速泵是一种特殊的离心泵，具有低流量、高扬程、高压力等特点，已被广泛应用于石油、化工、航空航天等行业1。它由电机、增速器、泵三部分组成。高转速是通过增速器实现的，分为一级增速和二级增速两种类型2。作为高速旋转机械，高速泵在运转时常常发生振动，产生噪音，降低工作效率；严重时，振动会使元件疲劳断裂而造成事故。旋转机械经常出现这样的现象，虽然转子经过静、动平衡，但是当转子升速或降速到某个转速时，转子系统会发生共振，机器发生剧烈振动，此时的转速称为临界转速3,4。因此，在设计高速泵转子系统时，对转子系统的临界转速研究尤为重要。Sam

2、cefRotors作为专业转子动力学有限元分析软件，它主要通过对转子、定子和连接部件等结构的临界转速和动力学响应分析，来评价结构的动力学稳定性和设计的可靠性。SamcefRotors具有丰富的转子模型，在计算分析过程中可建立一维模型、二维模型、三维模型和循环对称模型。其常用的分析类型为：临界转速计算、线性谐响应分析、非线性瞬态响应分析和超单元的生成和恢复；同时，能模拟各种支承方式，如滚动轴承、滑动轴承、动压轴承等。因此在航空发动机、燃汽轮机、离心泵和涡轮泵等领域有着广泛的应用5。2、力学模型本文以LMV-311型高速泵中间轴转子系统为例，其模型参数如表1所示。轴上主、从动齿轮各一个，两端支承各

3、为深沟球轴承，结构简图如图1所示。轴和齿轮的材料均为45钢，其弹性模量E二200Gpa，泊松比为卩二0.3，密度P=7800kg/m3,轴总长心0.297m。中间轴转子系统两端采用滚动轴承，在不考虑轴承的交叉刚度和阻尼的影响下，将其简化成弹性支承，其4个动态特性系数为：k=k=4.5x105N/mm，k=k=0。xxyyxyyx表1.中间轴转子系统模型数据节点轴段长度轴径直径转动惯量极转动惯量质量编号l(m)d(m)J(kg-m2)dJ(kg-m2)pm(kg)10.0060.0405-20.0310.14400.00840.01605.6830.2160.0470-40.0380.06600

4、.00130.00202.6850.0060.0405-12345注：1、滚动轴承2、大齿轮3、中间轴4、小齿轮5、滚动轴承图1中间轴转子系统结构示意图应用专业转子动力学SamcefRotors软件，建立Beam单元模型，采用伪模态法对中间轴转子系统进行计算与分析，得到转子系统Campbell图和模态振型,计算结果如图2-7所示，避免工作转速落在共振区，否则结构设计要重新调整6。图2.中间轴转子系统Campbell图图3.中间轴一阶振型（弯曲振动）图4.中间轴二阶振型（扭转振动）图5.中间轴三阶振型（扭转振动）图7.中间轴五阶振型（弯曲振动）图6.中间轴四阶振型（弯曲振动）计算机给出中间轴转子

5、系统前五阶振型，需要根据振型图来判断哪些属于弯曲振动，哪些属于扭转振动。对于弯曲振动而言，支座处的线变形很小;对于扭转振动而言，支座处的角位移最大。由此判断，一、四、五阶属于弯曲振动，并根据振型图上的节点数，进一步确定为弯曲真的第一、第二、第三阶弯曲振动的固有频率。3、模态试验法模态试验方法的基本原理是通过试验获取激励输入和响应输出数据，根据结构试验数学模型与试验测量值之间的拟合，辨识得到结构模态参数7。结构模态试验方法按激励方式可以分为：单点正弦、随机和冲击试验方法、多点稳态正弦试验方法、多点步进正弦试验方法和多点随机试验方法。一般而言，对于中小型结构的模态试验分析，通常采用单点激励即可获得

6、很好的效果。其试验系统框架如图8所示。5黑Hi.如:矗汎担F斗井拆却.*犠龄忻轨件-被測试件中间轴转子系统的模态试验采用单点激振，多点测量法，其测试系统及设备连接如图9所示。图8.试验系统框架图图9.中间轴模态测试系统及设备连接图测试的仪器设备：INV3062T型4通道24位云智慧采集分析仪、DASP-V10测试分析软件、INV9822ICP型加速度传感器、MSC-1小型试验冲击力锤、导线、试验台架、中间轴简化转子系统模型。试验方法：在模态试验过程中，通过固定响应测点而在不同点进行锤击激励，同时测量、记录激励力加速度响应信号；激励点的布置尽量选在有限元模型相应的节点上，同时为避免局部模态的影响

7、，激励点尽量布置在刚度较大的部位上。因此，在中间轴转子系统表面上的平整部位共布置了11个激励点，逐点依次进行锤击，每个激励点锤击4次。测试结果：通过时域法模态分析可以确定中间轴转子系统前2阶模态（包括x，y方向的弯曲模态和扭转模态）。其模态振型三视图，如图10T1所示。4、结果分析通过使用SamcefRotors有限元分析法和随机振动试验法分别对中间轴转子系统进行临界转速计算，对比两者前两阶固有频率值，如图表2所示。表2中间轴转子系统固有频率表一阶二阶固有频率f(HZ)10291357固有频率f(HZ)210131285相对误差%1.65.3由表2得出，转子系统一阶临界转速有限元法与随机振动试

8、验法分析结果相差1.6%；转子系统二阶临界转速两者分析结果相差5.3%，其误差产生主要原因是，有限元法和试验法所采用的边界条件存在差异。根据以上分析结果，SamcefRotors有限元分析法和随机振动试验法结果相对误差小于5.5%，说明运用专业转子动力学SamcefRotors软件计算结果可靠。5、结论1.本文对LMV-311型高速泵中间轴转子系统分别采用有限元软件SamcefRotors和随机振动试验法计算转子系统的临界转速，通过对求解结果分析比较,其误差为5.5%。专业转子动力学有限元软件Samcefrotors对于转子系统临界转速计算结果准确可靠，对工程实际应用提供了良好的工具。2有限元和试验计算结果表明，LMV-311型高速泵中间轴转子系统临界转速远远大于工作转