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流体激励诱发离心泵基座振动的研究

蒋爱华  
【摘要】:研究流体激励诱发离心泵基座的振动,对进一步减小基座振动传递至其他设备引起的设备故障与传递至板壳结构引起的辐射噪声有重要意义。本文的目的在于从泵内表面-蜗壳-支架-基座与叶轮-转轴-支撑-基座两条流体激励力传递途径分别研究流体激励所诱发垂直于离心泵基座方向的振动,并分析离心泵基座振动的混沌非线性特性。 运用Pro-E与ICEM建立离心泵流域的几何模型与网格,基于计算流体力学运用CFX分析了离心泵的稳态流场与瞬态流场,并积分得出空间三个方向泵内表面所受流体合力与叶轮所受流体合力与合力矩,运用分段拟合的方法建立了泵内表面流体合力数学模型,运用统计方法分析了叶轮各表面对叶轮所受流体合力与合力矩的贡献,通过流域内压力脉动值与转轴振动位移的测试证明了分析结果的准确性。 根据试验台架,建立包括蜗壳、电机模型、电机、支架与离心泵基座系统的FEM模型,通过对比模态分析结果与LMS模态测试验证FEM模型的正确性,基于流场计算所得瞬态流场各时间步泵内表面流体压力,分析了流体激励泵内表面-蜗壳-支架-基座所诱发的瞬态响应。 基于达朗伯原理建立了包含有离心泵基座的四圆盘三轴段、垂直于基座方向的转子动力学模型;基于配重法运用光电传感器、电涡流位移传感器与所构建的LabVIEW刚度辨识虚拟仪器测试了转子支撑的刚度,并分析了叶轮内流体质量对转子系统固有频率与振型的影响;基于Newmark算法运用Matlab分析了流场计算所得叶轮径向流体激励作用下转子系统的瞬态响应,并分析了转子动力学中将流体力简化为圆盘附加质量建模方法的准确性;通过仅电机转动与电机离心泵共同转动的实验对比分析了所设计台架中电机与离心泵对基座振动的贡献量;对比分析了流体力两个途径激励离心泵基座诱发的振动,并与实验结果做了对比。 从统计理论出发,提出三种方法修正两个一维数组所构成平面上,数据对所对应点在该平面上的概率分布矩阵,从而改进Cellucci的互信息算法,并由该改进算法计算了Lorenz序列的最佳延迟时间,而后得出最大Lyapunov指数验证了改进算法的有效性。 运用改进的互信息算法与Tisean3.0伪最近邻点算法工具包对四个测试点所得离心基座振动位移进行了延迟时间与嵌入维数的分析,并依据该延迟时间与嵌入维数重构了相空间,运用Tisean3.0小数据量算法工具包分析了各振动位移时间序列的最大Lyapunov指数以判断系统混沌非线性特性。 通过以上研究得出了以下主要结论: 1)运用CFD计算可以有效地得出离心泵所受流体力与力矩;叶轮径向流体合力主要以叶轮转动频率,而非叶片通过频率进行波动,蜗壳所受流体空间三个方向合力、叶轮所受其它方向流体力与绕三个方向的合力矩均主要以叶片通过频率进行波动;运用分段拟合的方法所得到蜗壳流体力数学模型比单段拟合与正余弦函数逼近有更好的精度;叶片所受流体径向合力是叶轮所受径向流体力的主要来源,叶轮前盖板外表面与后盖板外表面之间的压力差决定叶轮所受轴向力的大小,前盖板流体压力分布的不均匀程度决定叶轮绕径向转矩的大小,运用离心泵转轴振动位移与叶轮径向流体力的对比可以验证流场计算的正确性。 2)建立的蜗壳、电机模型、电机与基座系统FEM模型是可靠的;流体激励泵内表面-蜗壳-支架诱发垂直于基座方向振动的位移幅值与加速度幅值均较小;离心泵起动阶段所产生初始压力脉动在非稳态振动阶段对基座振动有较大影响;泵内表面局部压力脉动是宽频激振源,会诱发出离心泵系统的各阶模态振动。 3)所建立的转子动力学模型是正确有效的;所提出支撑刚度不拆卸测试方法是有效可行的;建立的支撑刚度辨识虚拟仪器系统能够可靠地得出转子支撑刚度;叶轮内流体质量对转子系统的中频固有频率有一定影响,而对系统低频与高频固有频率与各阶振型影响较小;流体力激励叶轮-转轴-基座所诱发的基座振动主要频率为转子的基频;正弦外激励作用下,将流体力简化为叶轮内20%与40%水质量所得基座振动均远小于将流体激励力直接作用于系统所引起的基座振动;流体激励力是诱发离心泵基座振动的主要原因;流体力激励泵内表面-蜗壳-支架-基座所引起的基座振动远小于激励叶轮-转轴-支撑-基座所引起的基座振动;流体激励诱发离心泵基座振动的主要来源是流体激励转子系统所诱发的基座振动;流体激励作用下离心泵基座振动位移的最大峰值频率为转轴转动频率,而振动加速度的最大峰值频率为五倍转动频率;从流体激励力的两条传递途径分别研究其所诱发基座振动的方法是有效可行的。 4)等间距划分时间序列所构成平面会得到错误的互信息值;当时间序列长度不为边缘划分区间个数整数倍时,Cellucci算法将会得到错误的最佳延迟时间;所提出的三种互信息改进算法不仅能够消除Cellucci算法的缺陷,并且计算速度快;并且使用较长序列计算互信息时所得结果更加稳定;三种互信息改进计算方法是有效可靠的;流体激励诱发的离心泵基座振动位移信号具有明显的吸引子存在;各振动位移的最大Lyapunov指数均略大于零,因此本文所研究离心泵系统的基座振动具有混沌特性存在。


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