陳春軒

(天恒長(zhǎng)鷹股份有限公司，北京 100083)

0 引言

螺桿泵屬于容積式轉(zhuǎn)子泵，三螺桿泵的主要元件包括一個(gè)經(jīng)過精密加工的殼體——襯套、襯套內(nèi)部的一個(gè)主動(dòng)螺桿和呈對(duì)稱分布的兩個(gè)從動(dòng)螺桿，在主軸軸向方向上三螺桿泵通過三個(gè)構(gòu)件精密的配合產(chǎn)生相互密閉的腔室，使得液體產(chǎn)生壓差，從而均勻、連續(xù)的從低壓區(qū)流向高壓，完成液體的輸送[1]，三螺桿泵工作原理示意圖如下。

Fig.1 Schematic diagram of working principle of triple screw pump

三螺桿以其相對(duì)與其他類型的泵，穩(wěn)定強(qiáng)，振動(dòng)噪音低，吸上性能好，具有自吸能力的優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代機(jī)械工業(yè)以及船舶上，但是在一些振動(dòng)噪音要求較高的場(chǎng)合比如軍工，氣動(dòng)流體力學(xué)精密制造業(yè)等也常常出現(xiàn)振動(dòng)噪音不能達(dá)標(biāo)的情況，針對(duì)這個(gè)問題，本文對(duì)此進(jìn)行了詳細(xì)的探討。

1 振源

引起振動(dòng)的原因錯(cuò)綜復(fù)雜，簡(jiǎn)單分類包括1機(jī)械振動(dòng)，2水力脈動(dòng)，3電磁振動(dòng)三個(gè)主要方面[2]。

機(jī)械振動(dòng)，引起機(jī)械振動(dòng)的原因有，轉(zhuǎn)子動(dòng)不平衡，機(jī)組的軸線對(duì)中差，安裝錯(cuò)位，連接件以及緊固件剛度不足以及泵組本身的工作頻率和其固有頻率相近而產(chǎn)生的共振等等。

水力脈動(dòng)，引起水力脈動(dòng)的原因有，進(jìn)出口壓力分布的不均勻，液體在襯套和泵體之間產(chǎn)生的脫流，偏流和擾流，以及由于種種原因引起的泵的氣蝕等，有時(shí)水力脈動(dòng)能引起泵組或者部件的共振。

電磁振動(dòng)，引起電磁振動(dòng)的原因有，電機(jī)本身三相電壓的不平衡和以及其他電氣系統(tǒng)的失常等。例如三相異步電動(dòng)機(jī)由于轉(zhuǎn)子，定子之間諧波磁通相互作用而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子，定子之間的交變徑向磁拉力。

2 泵組的激勵(lì)響應(yīng)及模態(tài)分析

2.1 CAE先驗(yàn)分析

泵的重量、安裝條件、接口尺寸及外形尺寸、進(jìn)出口管路安裝等滿足實(shí)際工況的條件下對(duì)泵進(jìn)行建模，泵組的三維模型見圖2。

圖2 泵組三維模型Fig.2 Three dimensional model of pump group

利用ansys軟件對(duì)泵組系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析，前12階振型如圖3所示。

第1階(f1=16.8 Hz)

第2階(f1=32.1 Hz)

第3階(f1=39.6 Hz)

第4階(f1=41.5 Hz)

第5階(f1=52.8 Hz)

第6階(f1=85.4 Hz)

第7階(f1=111.2 Hz)

第8階(f1=241.9 Hz)

第9階(f1=261.3 Hz)

第10階(f1=312.5 Hz)

第11階(f1=338 Hz)

第12階(f1=395.5 Hz)

2.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在安裝狀態(tài)下，分別對(duì)底座和泵體應(yīng)用錘擊法，單次錘擊方式進(jìn)行模態(tài)實(shí)驗(yàn)，所得結(jié)果見表1。

表1 模態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 1 Modal experiment results

通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，CAE分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相差小于8%，但是CAE分析的方法更便于進(jìn)行優(yōu)化和設(shè)計(jì)，縮短研發(fā)周期。從頻率分布和振型圖可以發(fā)現(xiàn)在52 Hz處泵體入口存在局部模態(tài)，這與2940 r/min的基頻相接近，395 Hz與軸頻的8倍頻相接近，容易發(fā)生共振。

3 主從桿的激勵(lì)響應(yīng)和模態(tài)分析

如果轉(zhuǎn)子存在動(dòng)不平衡或者不對(duì)中的情況，將激發(fā)軸頻以及軸的2倍頻。不平衡力的值可通過式(1-1)得到。

F=mω2rcosωt[3]

(1-1)

本泵組所使用的電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速為2850 r/min，軸頻約為50 Hz，進(jìn)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)在50 Hz和100 Hz處存在加速度分量，因此可以認(rèn)定不平衡和不對(duì)中是存在的。

對(duì)主從桿是否會(huì)出現(xiàn)共振，可以通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量其固有頻率的分布，然后通過和振動(dòng)加速度的頻譜進(jìn)行對(duì)比，觀察頻譜中是否存在固有頻率，如果有則產(chǎn)生了共振，反正則沒有。

這里通過CAE分析得到主從桿的固有頻率分布及振型。

4 流場(chǎng)的分析

通過實(shí)驗(yàn)結(jié)合fluent流場(chǎng)分析，可以得到泵組水力脈動(dòng)的如下特點(diǎn)：

圖4 主桿的頻率及振型Fig.4 The frequency and mode of the main rod

圖5 從桿的頻率及振型Fig.5 From the frequency and mode of the driven rod

(a) 泵的進(jìn)口處，可能發(fā)生局部氣蝕，引發(fā)較大的振動(dòng)噪聲。

(b) 泵的進(jìn)口和出口處發(fā)生一定程度的回流。

(c) 液體流速過大時(shí)，發(fā)生較強(qiáng)的湍流而引起泵組的湍振。

(d) 由于密封不嚴(yán)而造成的的泄露一定程度上會(huì)引發(fā)壓力脈動(dòng)。

5 電磁場(chǎng)分析

1) 定子繞組磁場(chǎng)的極對(duì)數(shù)(不包括基波在內(nèi))

v=(6k1+1)p[4]

其中齒諧波的極對(duì)數(shù)

v=k1*z1+p=36k1+1=-35 37 -71 73

2) 轉(zhuǎn)子鼠籠繞組磁場(chǎng)的極對(duì)數(shù)(不包括基波在內(nèi))

μ=k2z2+p=28k2+1=-27 29 -57 59

-83 85

k2=±1,±2,±3,……

然后，依據(jù)振動(dòng)力波階數(shù)公式：n=|v±μ|，計(jì)算得出振動(dòng)力波階數(shù)n。對(duì)于中小型電機(jī)，只需要計(jì)算n<5即可。因此下中只給出了n<5的數(shù)據(jù)。

表2 電動(dòng)立式三螺桿泵拖動(dòng)電機(jī)振動(dòng)力波階數(shù)Table 2 Electric force vertical triple screw pump vibration motor vibration force order

由表2可知，當(dāng)n=4，說明電磁振動(dòng)不大(電磁力的大小大致與階數(shù)的平方成反比)，這里僅計(jì)算對(duì)電磁力影響較大的低階力。只選取n<4時(shí)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，由波頻率計(jì)算公式：

×50

(v,u異號(hào)時(shí)m為0，同號(hào)時(shí)m為+2)[5]

計(jì)算得出結(jié)果：

(1)k2=-1,Z2=28,S=0.67%,A=0，f=695(Hz)

(2)k2=-1,Z2=28,S=0.67%,A=0，f=595(Hz)

(3)k2=1,Z2=28,S=0.67%,A=0，f=795(Hz)

(4)k2=-2,Z2=28,S=0.67%,A=0，f=

1290(Hz)

(5)k2=-2,Z2=28,S=0.67%,A=0，f=1390(Hz)

(6)k2=2,Z2=28,S=0.67%,A=0，f=1490(Hz)

(7)k2=-3,Z2=28,S=0.67%,A=0，f=2086(Hz)

(8)k2=3,Z2=28,S=0.67%,A=0，f=2086(Hz)

(9)k2=3,Z2=28,S=0.67%,A=0，f=2086(Hz)

(10)k2=3,Z2=28,S=0.67%,A=0，f=2186(Hz)

經(jīng)過上文中的計(jì)算，電動(dòng)立式三螺桿泵拖動(dòng)電機(jī)各階點(diǎn)此頻率如表3所示。

表3 電機(jī)頻率分布Table 3 Motor frequency distribution

6 改進(jìn)方案

6.1 底座拓?fù)鋬?yōu)化

針對(duì)前面論述的泵組低頻和高頻和軸頻有部分耦合的現(xiàn)象以及底座剛度不足的等缺陷，現(xiàn)對(duì)泵底座進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，產(chǎn)出設(shè)計(jì)方案如圖6所示。

圖6 底座設(shè)計(jì)方案Fig.6 Base design

針對(duì)方案1的不足，設(shè)計(jì)出方案2。

設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下：

1 提高底座的剛度，防止其變形，并控制其質(zhì)量；

2 保存油路；

3 經(jīng)過載荷的核算，發(fā)現(xiàn)泵組的中心位于中后偏下位置，中間的減振器懸空，因此可以取消前面兩個(gè)減振器，保留六個(gè)減振器，力學(xué)性能符合要求；

4 減少泵軸和電機(jī)軸之間的軸兼具，重新設(shè)計(jì)連接架。

經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證

發(fā)現(xiàn)使用方案2比方案1在低頻區(qū)間取得更好的振動(dòng)指標(biāo)，相比改進(jìn)前振動(dòng)加速度級(jí)降低了5-8 db，詳細(xì)測(cè)試過程比較復(fù)雜，這里不再論述。

6.2 水力模型的優(yōu)化設(shè)計(jì)

對(duì)水力模型的優(yōu)化設(shè)計(jì)主要包括以下幾個(gè)方面：

1.運(yùn)用cfd軟件對(duì)泵的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行分析，使螺桿上的壓力分布相對(duì)均勻，減少泵的回流；

2.優(yōu)化設(shè)計(jì)密封環(huán)，減少泄露；

3.優(yōu)化泵體進(jìn)口，使得液體進(jìn)入襯套的流速相對(duì)均勻。

4.在保證外形尺寸，水力性能和重量的條件下，降低襯套內(nèi)部的液體流速。

6.3 電機(jī)振動(dòng)性能的優(yōu)化

首先對(duì)電機(jī)的振動(dòng)傳播路徑進(jìn)行測(cè)試。測(cè)點(diǎn)分布如圖7所示。

圖7 測(cè)點(diǎn)分布圖Fig.7 Distribution map of measuring point

然后對(duì)電機(jī)進(jìn)行空載測(cè)試。

結(jié)合前面的實(shí)驗(yàn)以及分析結(jié)果可以對(duì)電機(jī)振動(dòng)做出初步的診斷。

然后結(jié)合電機(jī)供應(yīng)廠商進(jìn)行結(jié)構(gòu)和工藝的改進(jìn)。

另外，經(jīng)過測(cè)試發(fā)現(xiàn)對(duì)供電電纜等部件進(jìn)行電磁隔離可以有效降低電磁振動(dòng)等級(jí)。

6.4 其他優(yōu)化

包括添加主動(dòng)吸振裝置，關(guān)鍵部件的加工工藝的優(yōu)化等等，這里不在一一論述。

7 結(jié)語

本文采用實(shí)驗(yàn)，理論推導(dǎo)，仿真模擬相結(jié)合的方式系統(tǒng)論述了三螺桿泵振動(dòng)的振源，振動(dòng)的分析以及對(duì)振動(dòng)的控制和優(yōu)化。主要包括以下幾個(gè)方面。

1 振源確定，主要包括機(jī)械，電磁，水力脈動(dòng)引起的振動(dòng)；

2.泵組振動(dòng)響應(yīng)和模態(tài)分析；

3.關(guān)鍵件的振動(dòng)響應(yīng)和模態(tài)分析；

4.電機(jī)振動(dòng)的分析；

5.一系列優(yōu)化改進(jìn)的方案。