基于A(yíng)NSYS的葉片泵軸的建模與模態(tài)分析
2012-12-31 00:00:00武巍
【摘 要】采用ANSYS有限元軟件建立了葉片泵軸的實(shí)體模型，并進(jìn)行了模態(tài)分析，得到葉片泵軸的固有頻率和振型特征。通過(guò)對(duì)葉片泵軸結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行修改，使其固有頻率遠(yuǎn)離葉片泵噪音頻率范圍，避免噪聲的產(chǎn)生，為葉片泵的進(jìn)一步研究提供了參考依據(jù)。
【關(guān)鍵詞】葉片泵；模態(tài)分析；噪音
Modeling and modal analysis of vane pump shaft based on FEM
WU Wei
（LiaoningTiger Leap fast Yatung Bus Inc Fuxin Management Office Liaoning Fuxin 123000 China）
【Abstract】Entity model of vane pump shaft and modal analysis were done by using ANSYS finite element software. Then the natural frequency and characteristics of mode types were gained.The natural frequency of vane pump shaft were out of the frequency range of noise by modifying the structure parameters of vane pump shaft. Noise was avoided. Reference basis for the further study on vane pump is provided.
【Key words】Vane pump shaft；Modal analysis；Noise
目前葉片泵成為各行各業(yè)液壓系統(tǒng)中一種重要的輔助工作泵。隨著科技的快速發(fā)展，葉片泵正朝著高速、低噪音、大功率以及高壓的趨勢(shì)發(fā)展[1]。在50 年代，國(guó)外的葉片泵工作壓力為14.0MPa，其噪音可達(dá)到75dB（A）。到60年代，噪音的影響得到國(guó)外的重視，并相繼進(jìn)行研究，一些性能優(yōu)良低噪音的葉片泵相繼問(wèn)世，其噪音范圍小于65dB（A）。到70～80年代，日本油研公司研發(fā)出一款新型葉片泵，其噪聲值范圍為55～63dB（A）。美國(guó)也研制出低噪音性能優(yōu)良的葉片泵，典型的產(chǎn)品：Denison“T6”系列及Vickers系列葉片泵[2-5]。在國(guó)內(nèi)，葉片泵的噪音值還處在高范圍內(nèi)，所以降低噪音成為亟待解決的問(wèn)題。如今一些國(guó)內(nèi)學(xué)者開(kāi)始研究降低噪音這一課題。如降低葉片泵的裝配誤差以及其零件的制造誤差。而從振動(dòng)學(xué)角度分析，零件的剛度影響著振動(dòng)體的固有頻率范圍，所以提高避免葉片泵各零件的剛度，避免各零件的固有頻率接近噪音的頻率。本文以葉片泵軸為研究對(duì)象，采用ANSYS有限元方法，找出葉片泵軸與噪音頻域接近的固有頻率，通過(guò)提高其剛度，避免這些頻率的出現(xiàn)，從而降低葉片泵在工作中的噪音的產(chǎn)生。
1.葉片泵噪聲的范圍
葉片泵噪聲的頻率一般可由下式給出：
f■=kzn60 HZ （1）
式中：k—諧波次數(shù)，k=1，2，…；
z—葉片數(shù)，z=10；
n—泵軸旋轉(zhuǎn)速度，泵的工作范圍 n=600～1800r/min。
葉片泵噪聲諧波次數(shù)為2或4。且諧波次數(shù)為2、4時(shí)葉片泵噪聲的頻率分別為：
f■=2*12（600～1800）60=（240～720）HZ （2）
f■=4*12（600～1800）60=（480～1440）HZ （3）
由此可知葉片泵的噪聲范圍為（240～1440）HZ。
2.軸有限元模型建立與模態(tài)分析
2.1泵體模型的建立
選擇Solid/10 node 92單元，葉片材料為40Cr，其材料特性參數(shù)為：彈性模量：EX=2.06e5MPa、泊松比：μ=0.3、密度：ρ=7.9e-9tonne/（mm）3。對(duì)軸采用自由網(wǎng)格劃分，其結(jié)果如圖1所示。在轉(zhuǎn)子內(nèi)花鍵處施加x、y、z三個(gè)方向的自由度約束。采用Block Lanczos 分析方法來(lái)進(jìn)行分析。為保證分析精確，定義輸出10階固有頻率和振型結(jié)果。
圖1 軸網(wǎng)格劃分
Fig. 1 The draft mesh
2.2 模態(tài)分析
軸的前10階模態(tài)如圖2所示。
圖2 軸各階頻率
Fig.2 The draft frequency bands
葉片泵的噪聲范圍為（240～1440）HZ。由圖2分析可知：軸的1、2階固有頻率處于葉片泵的噪聲頻率范圍內(nèi)，會(huì)發(fā)生共振，所以需要對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。選取軸前6階振型位移變化云圖如圖3所示。
第一階模態(tài) 第二階模態(tài)
第三階模態(tài) 第四階模態(tài)
第五階模態(tài) 第六階模態(tài)
圖3 軸有限元振動(dòng)特性分析
Fig.3 Daft finite element analysis of the vibration characteristics
2.3 軸的結(jié)構(gòu)改進(jìn)
軸的各部分結(jié)構(gòu)中最容易更改的是與軸承和密封圈連接處的尺寸，因其他的如外連接尺寸一般涉及到用戶(hù)的連接尺寸，而與組件連接的部分若更改會(huì)涉及到相當(dāng)復(fù)雜的各個(gè)零件的更改。所以更改軸的與軸承和密封圈連接處的尺寸由原來(lái)的直徑25mm改為35mm。
葉片泵軸改進(jìn)前后前10階固有頻率對(duì)比分析如表1所示：
表1 改進(jìn)前后對(duì)比
Tab.1 Natural frequency of ten mode shapes
從表1改進(jìn)前后軸的前10階頻率值分析可知：軸的第1、2階模態(tài)的振動(dòng)頻率超出了1440Hz，離開(kāi)了葉片泵噪聲的頻率范圍。且6～10階模態(tài)的振動(dòng)頻率也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出噪聲頻率范圍。從而避免了噪音的產(chǎn)生。
3.結(jié)論
本文以葉片泵軸為研究對(duì)象，采用有限元方法對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析，并對(duì)軸的剛度進(jìn)行了調(diào)整，得到如下結(jié)論：葉片泵軸的1、2階模態(tài)的固有頻率在葉片泵噪聲頻率范圍內(nèi)；通過(guò)調(diào)整軸的剛度，使葉片泵軸1、2階固有頻率遠(yuǎn)離葉片泵噪聲的頻率范圍，從而避免葉片泵軸的噪音產(chǎn)生。
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