文宏剛，吳生盼，丁強民，劉廣兵，趙以奎

（合肥通用機械研究院有限公司，安徽合肥 230031）

0 引言

屏蔽泵是一種離心式無密封泵，具有絕對無泄漏、運行平穩(wěn)、噪聲低等特點。隨著科技進步和工業(yè)水平不斷提高，在核電、船舶、石油、化工、制冷等領(lǐng)域已廣泛取代傳統(tǒng)離心泵[1]。

近年來，用戶對屏蔽泵安全性、可靠性要求越來越高，屏蔽泵振動也成為一個不可忽略的關(guān)鍵因素。屏蔽泵作為一種特殊的流體輸送設(shè)備，其振動源主要來源于機械振動和流體振動。相關(guān)學者進行了大量研究，提出很多有效降低振源的措施，一定程度上降低了屏蔽泵的振動[2]，但屏蔽泵的結(jié)構(gòu)各異，對傳遞路徑的優(yōu)化研究工作較少。由于立式屏蔽泵的結(jié)構(gòu)特殊性，底座作為整泵的唯一傳遞路徑，其振動響應(yīng)對整泵的振動特性影響較大。

因此本文將以某型立式屏蔽泵底座為研究對象，結(jié)合振動理論與屏蔽泵設(shè)計工程經(jīng)驗，提出兩種改進措施，采用預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析，比較改進方案優(yōu)缺點，選擇合理的低振動響應(yīng)結(jié)構(gòu)，有效降低泵組振動，同時為類似結(jié)構(gòu)的立式屏蔽泵減振提供參考。

1 立式屏蔽泵底座結(jié)構(gòu)設(shè)計

研究對象為某型立式屏蔽泵，用于輸送NaOH 溶液，主要參數(shù)為：流量4.0 m3/h，揚程35 m，轉(zhuǎn)速2920 r/min，電機功率2.2 kW。立式屏蔽泵三維模型如圖1 所示。

結(jié)合該泵現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)，分析屏蔽泵內(nèi)部流體激勵力主要是來源是葉輪上的不平衡軸向力和徑向力[4-5]。因此依據(jù)離心泵設(shè)計理論和工程經(jīng)驗，提出了以下2 種方案（圖2）。其中，方案A 是底座上下板加厚，支撐筋加粗并增加數(shù)量；方案B 支撐筋改為空心圓柱，上下底板加厚。

圖1 立式屏蔽泵三維模型

2 網(wǎng)格模型及邊界條件

屏蔽泵在運行過程中一般承受的軸向力主要有：①葉輪前后蓋板不對稱產(chǎn)生的軸向力T1；②動反力T2；③軸臺、軸端等結(jié)構(gòu)因素引起的軸向力T3；④轉(zhuǎn)子重量引起的軸向力T4。葉輪上還承受有徑向力F。除此以外，還有裝配及制造等因素造成的裝配應(yīng)力以及溫度變化產(chǎn)生的熱應(yīng)力，這些力隨機性強，計算中不予考慮[3]。

圖2 2 種底座改進方案

底座承受的不平衡軸向力為：

底座承受的徑向力為：

由于底座與泵體、地面基礎(chǔ)用螺栓聯(lián)接，因此將底座與地面接觸面設(shè)置為固定約束，泵體接觸面設(shè)置為力載荷面，大小和方向分別與不平衡軸向力和徑向力保持一致。另外葉輪轉(zhuǎn)速為2920 r/min，計算可得軸頻為ω1=48.7 Hz，葉頻為ω2=292 Hz，一般考慮共振范圍為（0.8～1.5）w 之間[4，5]，因此取激勵里頻率范圍為0～500 Hz。2 種方案底座施加邊界條件如圖3 所示。

圖3 底座邊界條件

底座由上環(huán)、加強筋、底環(huán)三部分組成，材料為0Cr18Ni9。為了保證良好的網(wǎng)格劃分質(zhì)量和較高的計算效率，對底座三維模型進行了適當簡化，除去螺紋特征線，不相關(guān)的倒角等特征，采用四面體網(wǎng)格劃分，并對不可忽略的小孔進行了適當?shù)木W(wǎng)格加密，其中方案A 網(wǎng)格單元數(shù)為11 萬個，方案B 網(wǎng)格單元數(shù)為11.7 萬個。

3 諧響應(yīng)分析

底座諧響應(yīng)計算如圖4、圖5 所示，可以看出，隨著激勵頻率增大，振動位移、速度、加速度均會在相應(yīng)的諧振頻率處產(chǎn)生峰值，其中方案A 在350 Hz 處，出現(xiàn)峰值，最大振動位移為2.3×10-4mm，振動速度為0.5 mm/s，振動加速度為1097 mm/s2。方案B在在第400 Hz 處，4.2×10-5mm，振動速度為0.11 mm/s，振動加速度為267 mm/s2，這表明方案B 低振動響應(yīng)更好。

圖4 方案A 底振動加速度—頻率

圖5 方案B 底座振動加速度—頻率

4 結(jié)語

諧響應(yīng)分析結(jié)果表明，方案A 在350 Hz 處，出現(xiàn)峰值，最大振動加速度為1097 mm/s2。方案B 在400 Hz 處，出現(xiàn)峰值，最大振動加速度為267 mm/s2。因此，建議采用方案B，該結(jié)構(gòu)低振動響應(yīng)更好，重量較輕，加工更方便。同時也可為同類屏蔽泵的減振提供參考。