潛液泵模態(tài)分析

　　某型號潛液泵頂部甲板連接部件安裝在液貨船體上，主管路部件和泵頭部件安裝在液貨艙里。主管路和泵頭部分通過 3 個支撐圈與艙體內(nèi)壁連接。受液貨船的結(jié)構(gòu)限制，主管路分為5 段，各段之間通過法蘭連接。主管路由同心管和液貨管組成，見圖 1。

　　圖 1 潛液壓主管路

　　同心管內(nèi)層為***壓管，通液壓馬達(dá)***壓腔; 中間層為回油管，通液壓馬達(dá)回油腔; ***外層為隔離管，與外界隔離，起密封監(jiān)測作用; 貨油管輸送液貨。隔離管、回油管在分段處法蘭連接; 各段***壓管之間有套管; 回油管與***壓管之間有置導(dǎo)向支撐環(huán)。在主管路外部布置監(jiān)測管和掃艙管，通過管夾連接于貨油管外壁。潛液壓載泵葉輪軸系轉(zhuǎn)速 1 850 r /min，潛液泵載荷為重力、葉輪軸轉(zhuǎn)矩、葉輪軸向力和徑向力、***壓管壓力、回油管壓力、監(jiān)測管應(yīng)力、液貨管壓力等。

　　各部分的材料屬性見表 1。

　　劃分網(wǎng)格施加約束載荷

　　采用前處理軟件 SpaceClaim 對三維模型進行幾何清理和簡化以后導(dǎo)入 ANSYS 軟件，劃分網(wǎng)格。得到的有限元模型見圖 2。

　　圖 2 潛液泵有限元模型

　　采用笛卡爾座標(biāo)系，X、Z 方向為潛液泵橫向，Y 方向為縱向。潛液泵的甲板連接部件和支撐圈的下表面全約束; 支撐圈內(nèi)部隔套板僅約束橫向平移自由度，釋放軸向平移自由度和軸向轉(zhuǎn)動自由度; 葉輪傳動軸部分與軸承座之間以轉(zhuǎn)動副連接，見圖 3。

　　圖 3 邊界條件示意

　　潛液壓泵葉輪軸轉(zhuǎn)速為 1 850 r /min，載荷為結(jié)構(gòu)部分的重力，葉輪力矩 1 018 N·m，葉輪載荷為 Fx = 229. 67 N，F(xiàn)z = 57. 05 N，F(xiàn)y = 9 051 N，***壓管壓力 30 MPa，回油管壓力 1. 5 MPa，隔離管壓力 0. 15 MPa，見圖 4。

　　模態(tài)計算

　　有載荷作用的工況下，結(jié)構(gòu)處于應(yīng)力狀態(tài)，此時計算的模態(tài)成為預(yù)應(yīng)力模態(tài)，預(yù)應(yīng)力模態(tài)為式中: K 為剛度矩陣; M 為質(zhì)量矩陣; ωi 為振動頻率; φi 為模態(tài)。

　　用有限元法計算潛液泵的模態(tài)，得到固有頻率和振型結(jié)果。

　　由于驅(qū)動馬達(dá)的額定轉(zhuǎn)速為 1 850 r /min，此轉(zhuǎn)速下的工作頻率為 30. 833 Hz。

　　額定工作頻率 ± 10% ( 27. 75 ～ 33. 916 7 Hz)范圍內(nèi)潛液泵結(jié)構(gòu)可能發(fā)生共振。取潛液泵在額定工作頻率附近的 10 階振型進行對比，得到振型結(jié)果見表 2。

　　為了突出重點，表中列出頻率數(shù)值和產(chǎn)生振動的部位，振型部位采用零部件的***字作為簡稱。經(jīng)分析可知，在額定工作頻率 ± 10% 范圍內(nèi)潛液泵有 8 階振型，***壓管上有 2 階振型，貨油管有 1階振型，監(jiān)測管有 5 階振型。監(jiān)測管振型對潛液泵正常運轉(zhuǎn)影響很小，不予考慮。但***壓管和貨油管的共振會可能會對潛液泵正常運行產(chǎn)生不利影響，應(yīng)盡量避免。

　　頻率為 30. 48 Hz 和 31. 48 Hz 時，同心管的振型發(fā)生在***壓管上; 頻率為 32. 91 Hz 時，雖然監(jiān)測管振動位移***大，但同時在管夾部位的貨油管局部位移較大，該現(xiàn)象是由于監(jiān)測管通過管夾將振動傳遞給貨油管產(chǎn)生的。***壓管、監(jiān)測管、貨油管振型見圖 5。

　　圖 5 ***壓管、監(jiān)測管、貨油管處的振型