離心泵底座的數(shù)值模擬及試驗分析

彭勇禮 宋宇 于健 董克用

摘要：本文以某型水泵為研究對象，利用Workbengch中Modal模塊對離心泵的底座進行了模態(tài)分析，并進行結構改進，隨后通過LMS.Test.Lab系統(tǒng)對兩種底座的離心泵的機腳振動進行測試，得到兩種底座水泵的總振級以及頻譜圖，通過對比試驗結果，得到：改進后的底座使得水泵總振級降低了將近4dB，減振效果更加明顯。

關鍵詞：離心泵;LMS.Test.Lab;結構改進;減振

中圖分類號：TB535 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）10-0112-03

0 引言

近年來，用戶對泵安全性和可靠性要求越來越高，泵振動也成為了一個不可忽略的關鍵因素[1]。為了降低泵振動，相關學者對此進行了大量研究。王濤等[2]通過改進泵的轉子和殼體的結構，降低了轉子制造和裝配過程中的偏心對泵振動噪聲的激勵，改進殼體結構降低降低泵殼體的模態(tài)頻率并改變其振型。趙輝等[3]通過對葉片數(shù)量和葉輪的安裝角等因素改變離心泵內水力狀況進而降低離心泵的流體振動。雖然很多學者提出了很多降低泵振動的措施，一定程度上也降低了泵的振動，但在泵傳遞路徑上的研究工作較少，底座作為整個泵的重要傳遞路徑，其振動響應對整泵的振動影響較大。

因此本文以某型水泵底座作為研究對象，結合振動理論，提出了兩種底座結構，采用預應力模態(tài)分析和實驗測試，比較兩種結構的優(yōu)缺點，選擇合理的低振動響應結構，有效降低泵組振動，同時為類似結構的泵提供參考。

1 數(shù)值分析

1.1 A型底座模態(tài)分析

本文采用Workbench中的Modal模塊計算A型底座的模態(tài)，邊界條件為6個螺栓孔處固定，如圖1所示，A型底座模型網(wǎng)格劃分選取四邊形網(wǎng)格，計算模型包括552636單元，2450560個節(jié)點。

根據(jù)以往對該水泵的測試，該水泵在1/3倍頻圖中，以1600Hz為中心頻率的頻段內會出現(xiàn)最大的波峰，且以1600Hz為中心頻率的頻段內的振動能量對水泵整體的振動影響較大，因此本文主要研究中心頻率為1600Hz的頻段的振動情況。根據(jù)公式，[4]可得上下限頻率為1795.9Hz和1425.43Hz。

為了便于分析底座的模態(tài)，本文提取了前20階模態(tài)如表1所示。

從表1中可以得到：在1425.43Hz至1795.94Hz范圍內的底座模態(tài)有第13階到第18階模態(tài)。如圖2所示。

1.2 B型底座模態(tài)分析

通過A型底座模態(tài)可知在底座前端變形較大，為了減少底座前端的變形，通過在底座前端加筋得到結構改進的B型底座，如圖3所示。

計算B型底座模態(tài)，其前20階模態(tài)如表2所示，B型底座模態(tài)在1425.43Hz至1795.94Hz范圍內有第11階模態(tài)和第12階模態(tài)。如圖4所示。

相比A型底座，B型底座模態(tài)在1425至1795.94Hz范圍內的模態(tài)數(shù)量減少，同時在1425.43Hz至1795.94Hz范圍內，B型底座相比A型底座在6個機腳處的最大位移量減少了3.7mm。

2 試驗分析

2.1 A型底座試驗分析

本文采用LMS測試系統(tǒng)中的LMS.Test.Lab模塊測試機腳振動，根據(jù)以往的經(jīng)驗，對于臥式安裝的泵其主要振動為垂直地面的方向，因此本文采用ICP單向加速度傳感器，靈敏度分別為：1.102mv/（m/s2），1.037mv/（m/s2），1.027mv/（m/s2），1.076mv/（m/s2），1.052mv/（m/s2），1.041mv/（m/s2）。主要測試泵在額定工況下的振動情況。底座6個機腳的測試位置如圖5所示。

根據(jù)1/3倍頻圖可得每個機腳在各個頻率的振級，根據(jù)公式RMS= 可得每個機腳的振級，6個機腳的振級具體如表3所示。

根據(jù)公式總振級=（10×Log10（100.1×D1+100.1×D2+100.1×D3+ 100.1×D4+100.1×D5+100.1×D6）/6可得：水泵的總振級為119.37dB。

雖然在1/3倍頻圖中得到在以1600Hz為中心頻率的頻帶內出現(xiàn)尖峰，但是為了研究各個頻率具體的振動情況，因此需要通過機腳振動的頻譜圖來分析各個頻率的振動情況。6個機腳的振動頻譜圖如圖6所示。

從圖7A型底座的頻譜圖可得在1425Hz至1795.9Hz范圍內出現(xiàn)了5個波峰，這5個波峰對應的頻率分別為：1482.89Hz、1581Hz、1621.29Hz、1682.17Hz、1704.17Hz。這5頻率所對應的加速度振級如表4所示。

2.2 B型底座試驗分析

將B型底座安裝到水泵上后，在額定工況下，測量底座6個機腳點的振動，機腳振動的1/3倍頻圖如圖8所示，得各個機腳的RMS如表5所示。

計算總振級得：總振級=115.58dB。

B型底座的振動頻譜圖如圖9所示，從圖9中可以得到在1425Hz至1795.9Hz范圍內出現(xiàn)3個波峰其對應的頻率為：1486Hz、1683.47Hz、1731Hz。從圖中可得這三個頻率的加速度振級均小于0.12m/s2。

3 結語

（1）經(jīng)過結構改進，B型底座的模態(tài)相對A型底座在1452Hz至1795Hz頻率內出現(xiàn)模態(tài)頻率數(shù)量更少，且在該頻段內，底座的變形更小。

（2）通過頻譜圖對比可得在B型底座的泵相比于A型底座的離心泵機腳在1425Hz至1795Hz范圍內各頻率的加速度振級更低，同時泵總振級降低了3.8dB，減振效果明顯。

參考文獻

[1] 葉建平.離心泵振動噪聲分析及聲優(yōu)化設計研究[D].武漢理工大學，2006.

[2] 王濤.葉片泵結構與聲學一體化優(yōu)化設計[D].西北工業(yè)大學，2007.

[3] 趙輝.基于CFD的礦用排水系統(tǒng)離心泵的優(yōu)化設計[J].機械管理開發(fā)，2019，34（08）：46-47.

[4] 譚祥軍.從這里學NVH-噪聲、振動、模態(tài)分析的入門與進階[M].北京：機械工業(yè)出版社，2018：159-162.