高速泵齿轮箱的模态分析

第 53 卷第 4 期2016 年 8 月化　工　设　备　与　管　道PROCESS EQUIPMENT & PIPING

V ol. 53　No. 4Aug. 2016

高速泵齿轮箱的模态分析

杨敏，丁永强，戴侃，马光辉

（北京航天石化技术装备工程有限公司，北京 100076）

摘 要：为预估某型号高速泵齿轮箱的动态特性，建立了高速泵的有限元模态分析模型，得到了各阶固有频率值，并分析前四阶振型的特点。根据空转试验齿轮箱箱体的振动速度随转速变化的规律及分布来确定固有频率范围，验证有限元模型的可靠性。结果表明第3阶和第4阶固有频率处在泵的工作转速范围内。最后在有限元模态分析的基础上，通过在齿轮箱底脚增加支撑的方法调整了该泵的固有频率，拓宽了其工作转速范围。

关键词：高速泵；模态分析；有限元；空载试验

中图分类号：TQ 051.2； TH 3 文献标识码：A 文章编号：1009-3281（2016）04-0055-005

收稿日期：2016-02-16

基金项目：财政部重大技术创新项目[财企（2011）338号]。作者简介： 杨敏（1983—），女，山东聊城人，高级工程师。主要

从事高速泵的设计与研发工作。

高速泵因具有单级扬程高、结构紧凑、维护方便、可靠性好等优点，被广泛应用于航空航天领域和石油、化工等民用领域中。国内的高速泵绝大部分都是通过齿轮箱增速，一个型号的系列化产品包含多档转速，根据流量、扬程参数选择合适的转速，实现通用性和实用性。随着装置规模日趋大型化，大功率高速泵的应用越来越多，齿轮箱的结构尺寸也越来越大。齿轮箱是高速泵的关键部件之一，齿轮在啮合过程中会产生冲击，冲击力通过轴和轴承最终传递到齿轮箱体上而引起箱体的剧烈振动。一旦转动频率或啮合频率与齿轮箱体的固有频率吻合或接近，就会产生共振效应，这不仅影响了齿轮的对中性，也加速了齿轮箱体的疲劳破坏[1]。高速泵的转速范围比较宽（6 000~20 000 r/min ），个别转速极有可能与固有频率接近，因此有必要进行泵的模态分析，为其稳定运行提供可靠依据。

模态分析可采用试验和有限元计算方法[2]。目前，有限元方法求解结构动力学问题已经发展得相当成熟，该方法能够提高分析效率和分析精度，具有很好的适用性和工程实用价值[3]。文献[4]利用有限元方法建立了齿轮箱体的计算模态分析模型，对比试验模态与计算模态的结果，误差小于1%。文献[5]采用有限元方法对齿轮传动系统做模态分析，确定齿轮箱固有频率和振型，根据模态分析结果确定振动特点和分析噪声来源，并改进齿轮箱结构。

本文以某型号高速泵为研究对象，采用有限元

方法进行泵的模态分析，并通过记录和分析泵空转试验中各转速的振动情况，间接验证有限元模型的可靠性，进一步对齿轮箱的结构优化分析。

1 高速泵的结构特点

本文的高速泵为单级、单吸、中心支撑、齿轮增速卧式单级离心泵，由过流部分、增速箱及其附件组成，图1所示该高速泵的结构示意。泵通过泵壳两侧的支撑板固定在底座上，如图2所示。

2 有限元模态分析

2.1 高速泵模型简化及有限元模型的建立

对齿轮箱和泵壳的实体模型进行简化，将有些细小的对结构模态分析影响较小的特征忽略，如螺栓孔、过渡圆角，倒角等，在尽可能反映基本力学特性的前提下简化模型。因为过流部分和齿轮箱的材料属性不同，计算实体模型由过流部分和齿轮箱两部分组成。过流部分各零件通过布尔和合并为一个体。齿轮箱包括箱体和箱盖，也通过布尔运算合并为一个体。两者通过泵盖和齿轮箱箱体的配合面连接在一起。采用四面体网格划分计算域，网格示意见图3。