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有限元分析在轉子動平衡上的應用

發布于:2023-06-13 19:24
有限元分析

      轉子不平衡產生的原因是由于設計和結構方面的因素,再加上材質不均勻以及制造安裝誤差等原因,實際轉子的中心慣性主軸都或多或少地偏離其旋轉軸線。當轉子轉動時,轉子各微元質量的離心慣性力所組成的力系不是一個平衡力系,形成了轉子的不平衡。轉子不平衡引起的振動是旋轉機械里普遍存在的問題。
      現代工業要求更高速的轉子來獲得更好的性能和更高的效率。然而,由于不平衡產生的離心力與轉子轉速的平方成正比,轉速越高產生的離心力越大。不平衡引起的振動將使高速轉子產生噪聲,加速軸承、軸封等零件的磨損,降低機器的工作效率,嚴重時甚至會引起各種事故。由于這些原因,旋轉機械的動平衡是工業生產所面臨的重要問題。柔性轉子作為典型的傳動系統零件得到了廣泛應用,但是柔性轉子動平衡技術也一直困擾著工程技術人員。為此,本文主要通過ANSYS有限元分析軟件對9盤柔性轉子進行諧響應分析研究了其動力學特性,為柔性轉子現場動平衡研究提供了理論依據。
      如圖所示,以實際高壓水泵轉子為原型,利用ANSYS軟件建立了9盤轉子有限元模型。分別應用Solid186單元和Combin14單元建立轉子的三維實體有限元模型和4個彈簧阻尼單元模擬軸承支承?紤]到之后諧響應分析快速性(可以設定較小范圍內激振頻率觀察到轉子高階不平衡響應)將Combin14單元實常數設定偏低,降低了9盤轉子的各階固有頻率,但這樣并不影響分析結果。有限元模型的建立可為后續進行的模態分析和諧響應分析打下基礎。
      旋轉機械的固有頻率求解不同于非旋轉體的固有頻率求解。通過施加慣性載荷就必須考慮慣性力矩對其的影響。用ANSYS分析時,打開科里奧利力影響可以包含慣性力矩的影響,即考慮了陀螺效應的影響?紤]旋轉作用的動力學方程可表示,M、C和K分別為結構質量、結構阻尼和結構剛度矩陣;Kc為旋轉軟化矩陣;G為由結構旋轉產生的“阻尼”矩陣。如果通過命令(coriolis)考慮慣性效應,ANSYS會自動生成G矩陣并計算出慣性載荷產生的影響。
      綜合上述因素,利用ANSYS軟件對9盤高壓水泵轉子的模型進行模態分析。通過分析得到了轉子前四階的固有頻率值分別為17.802Hz、67.363Hz,131.28Hz和211.24Hz。通過計算仿真數據為下步諧響應分析以及現場試驗提供了參考和理論依據。并驗證了轉子的動力學特性,為轉子動平衡理論打下基礎。
      諧響應分析是確定一個結構在已知頻率的正弦(簡諧)載荷作用下結構響應的技術。分析的目的是計算出結構在不同頻率下的響應并得到響應值(通常是位移或支反力)對頻率的曲線。
      將轉子模型簡化為如圖所示的模型,以便于之后的加載力模擬和敘述。
      通過在5盤加10N,1和9盤各加5N,2和8盤各加5N,3和7盤各加5N以及4和6盤各加5N的簡諧激振力來觀察軸承支反力隨頻率變化趨勢。通過后處理結果可以觀察到幾種加力激振方式主要表現為一階不平衡響應,而且加力越集中,在中間部位所表現出來的一階不平衡響應越大。幾種加力激振方式及支反力響應如表1所示。從表1中數據可以看出,以上幾種加力激振方式主要激起了轉子的一階不平衡響應并且激振力處于5盤位置時支反力響應最大,從而可知一階不平衡響應最敏感部位處于5盤。當轉子存在一階不平衡響應時,在5盤進行校正可以達到校正模量總和最小而平衡效果最大的目的。


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