摘    要：KSB公司出口海外某項目的多臺立式中開泵，在現(xiàn)場變頻調(diào)試運(yùn)行時出現(xiàn)振動超標(biāo)現(xiàn)象，影響泵組的正常使用。運(yùn)用ANSYS軟件對泵組進(jìn)行模態(tài)分析，判斷振動原因是泵組存在共振問題。通過對電機(jī)座結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，降低泵組的固有頻率，使其避開共振頻率范圍，從而減小了泵組的振動。

關(guān)鍵詞：立式泵  變頻  共振  振動  優(yōu)化

為了實現(xiàn)節(jié)能，同時適應(yīng)多種工況運(yùn)行需求，目前越來越多泵組采取了變頻運(yùn)行方式。變頻運(yùn)行可以使泵組的運(yùn)行范圍更廣，更加貼近系統(tǒng)實際運(yùn)行需求。但變頻運(yùn)行對泵組的振動要求也更高，必須在較大頻率范圍內(nèi)不能出現(xiàn)共振風(fēng)險^[1]。

立式泵由于重心較高，安裝支撐面小，經(jīng)常容易共振，尤其是變頻運(yùn)行的泵組。而且一旦出現(xiàn)共振，由于現(xiàn)場基礎(chǔ)、管路安裝等限制，往往很難改進(jìn)。共振與泵組的固有頻率和現(xiàn)場安裝條件有關(guān)，一般通過改變泵組的結(jié)構(gòu)或支撐方式來改變泵組的固有頻率，避開共振^[2-5]。

此項目由于現(xiàn)場運(yùn)行需要，擴(kuò)大了變頻范圍，使得原本不會出現(xiàn)共振的泵組，產(chǎn)生了共振。本文描述了如何通過有限元分析，計算泵組的固有頻率，分析泵組的共振點(diǎn)；并根據(jù)泵組的振型，有針對性地改變零件的結(jié)構(gòu)，從而使泵組的固有頻率避開運(yùn)行范圍，避免了共振的發(fā)生。

此項目的泵組為立式雙吸中開泵，泵下方通過底座與基礎(chǔ)連接，電機(jī)通過電機(jī)座固定在泵殼上，如圖1所示。泵額定轉(zhuǎn)速1485 rpm，原合同要求最低變頻轉(zhuǎn)速1373 rpm，電機(jī)功率520 kW，重量2600 kg。現(xiàn)場運(yùn)行調(diào)試時，從600 rpm開始運(yùn)行，測試電機(jī)驅(qū)動端、非驅(qū)動段和泵驅(qū)動端的振動情況，具體測試結(jié)果見表1。從表1可以看出，泵組在750、825、900轉(zhuǎn)速時，即12.5 Hz、13.75 Hz、15 Hz運(yùn)轉(zhuǎn)頻率時，泵的振動烈度急劇增大，超出了GB/T 29531《泵的振動測量與評價方法》中C級4.5 mm/s的規(guī)定。尤其在825轉(zhuǎn)時，振動烈度最大值達(dá)到16.8 mm/s，是標(biāo)準(zhǔn)允許值3.7倍。根據(jù)以往經(jīng)驗判斷，泵組在825轉(zhuǎn)左右出現(xiàn)了共振。

圖1：泵組結(jié)構(gòu)

表1：現(xiàn)場調(diào)試變頻運(yùn)行振動測試值

計算模型

為驗證泵組是否發(fā)生共振，我們采用Ansys軟件進(jìn)行模態(tài)分析，分析泵組的固有頻率是否在運(yùn)轉(zhuǎn)頻率范圍內(nèi)，如果計算的固有頻率在10 Hz~24.75 Hz內(nèi)，則說明泵組在此運(yùn)行區(qū)間內(nèi)確實可能發(fā)生共振。

利用UG NX三維軟件建立泵組的三維模型，由于電機(jī)及泵轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對泵組的模態(tài)影響較小，為簡化模型，將電機(jī)及泵轉(zhuǎn)子簡化為質(zhì)量點(diǎn)，作為載荷施加在電機(jī)座上，同時將底座、電機(jī)座的材料Q235B及泵殼材料HT250相關(guān)參數(shù)屬性輸入到模型參數(shù)中，并在底座上的6個地腳螺栓孔上設(shè)置固定約束。如圖2為泵的結(jié)構(gòu)、載荷及約束條件。

通過Ansys Mesh對模型網(wǎng)格進(jìn)行劃分，采用4面體網(wǎng)格形式，根據(jù)模型尺寸，網(wǎng)格大小取30 mm，最終網(wǎng)格劃分為178638個單元，322389個節(jié)點(diǎn)，如圖3所示為網(wǎng)格劃分結(jié)果。

圖2：泵組結(jié)構(gòu)、載荷及約束

圖3：泵組網(wǎng)格劃分

計算結(jié)果分析

圖4~圖6為泵組1~3階的模態(tài)分析結(jié)果，根據(jù)計算結(jié)果可知：泵組1階頻率為14.007 Hz、2階頻率為15.14 Hz、3階頻率56.844 Hz。由此可見，泵組的1階、2階頻率正好在運(yùn)行頻率范圍10 Hz~24.75 Hz，而且與現(xiàn)場振動發(fā)生的頻率非常接近，基本重合。因此可以斷定，泵組在12.5 Hz、13.75 Hz、15 Hz運(yùn)行時的振動異常，是由于共振引起的。

圖4：一階模態(tài)

圖5：二階模態(tài)

圖6：三階模態(tài)

模型改進(jìn)

由于泵的運(yùn)行頻率無法改變，要使泵組不發(fā)生共振，只能通過改變泵組的固有頻率，使泵組的固有頻率落到運(yùn)行頻率范圍外，即泵組的1階、2階頻率必須小于10 Hz或大于24.75 Hz。由于原有的1階頻率為14.007 Hz、2階頻率為15.14 Hz，更接近10 Hz，因此采用降低固有頻率的方式會更容易些。 

根據(jù)模態(tài)分析結(jié)果可以看出，原模型泵組的1階頻率主要由電機(jī)座縱向（垂直于進(jìn)出口法蘭方向）擺動引起，2階頻率主要由橫向（平行于進(jìn)出口方向）擺動引起。因此，要降低泵組的固有頻率可以通過減弱電機(jī)座的剛性來實現(xiàn)。

經(jīng)過幾次改進(jìn)后，最終獲得較為理想的電機(jī)座，如圖7所示。與原有電機(jī)座結(jié)構(gòu)相比，新電機(jī)座后板由原有的一整塊板改成兩塊較窄的板，降低電機(jī)座橫向的剛度。另外，兩塊側(cè)板回縮，減小對下方板的支撐，從而降低電機(jī)座縱向的剛度。

圖7：改進(jìn)后電機(jī)座結(jié)構(gòu)

改進(jìn)后泵組模態(tài)分析

電機(jī)座改進(jìn)后，采用與原泵組結(jié)構(gòu)相同的載荷設(shè)置和網(wǎng)格劃分方法，對改進(jìn)后泵組結(jié)構(gòu)進(jìn)行再次模態(tài)分析，分析結(jié)果如圖8~圖10所示。

根據(jù)計算結(jié)果，電機(jī)座改進(jìn)后泵組的1階頻率為7.3318 Hz，2階頻率為8.3462 Hz，3階頻率為44.484 Hz，泵組的固有頻率沒有在運(yùn)行頻率10 Hz~24.75 Hz范圍內(nèi)，不會發(fā)生共振，滿足使用要求。

圖8：改進(jìn)后泵組一階模態(tài)

圖9：改進(jìn)后泵組二階模態(tài)

圖10：改進(jìn)后泵組三階模態(tài)

改進(jìn)后泵組結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

由于電機(jī)座進(jìn)行減弱設(shè)計，為驗證電機(jī)座是否具有足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，確保泵組的安全運(yùn)行，使用Ansys軟件對泵組進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析計算。

根據(jù)泵組的運(yùn)行參數(shù)，對模型施加載荷有重力加速度、泵轉(zhuǎn)矩、電機(jī)及泵轉(zhuǎn)子的質(zhì)量，以及地腳螺栓孔約束，具體詳見圖11所示。

圖11：改進(jìn)后模型的載荷及約束

圖12為泵組計算結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖，從計算結(jié)果可以看出，泵組總體結(jié)構(gòu)應(yīng)力只有20 MPa左右，遠(yuǎn)低于一般結(jié)構(gòu)鋼Q235B許用應(yīng)力235 MPa，且沒有出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中區(qū)域，泵組結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。

圖12：改進(jìn)后泵組結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

現(xiàn)場泵組更換新的電機(jī)座后，經(jīng)過再次測試發(fā)現(xiàn)，在整個變頻區(qū)間內(nèi)，泵組的振動烈度值均小于GB/T 29531 C級中要求的4.5 mm/s，泵組沒有出現(xiàn)共振現(xiàn)象，改進(jìn)效果明顯。

本文以某項目立式泵組為研究對象，通過現(xiàn)場的振動數(shù)據(jù)，判斷泵組的振動原因，通過仿真計算分析驗證，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)，得到以下結(jié)論：

1）立式泵組變頻運(yùn)行時，在某一運(yùn)轉(zhuǎn)頻率發(fā)生振動異常現(xiàn)象往往是由于出現(xiàn)共振引起。

2）通過改變泵組的電機(jī)座等零件結(jié)構(gòu)設(shè)計，降低或升高泵組固有頻率，使固有頻率避開泵組的運(yùn)行頻率范圍，可以有效降低泵組的振動.

3）基于有限元的模態(tài)和強(qiáng)度分析，可以輔助泵組的設(shè)計，確保泵組設(shè)計的安全性和合理性，保證泵組的正常穩(wěn)定運(yùn)行，尤其是需要進(jìn)行變頻運(yùn)行的泵組

[1]  何國安，龔偉，李志強(qiáng)，等. 立式泵組結(jié)構(gòu)共振分析及治理[J]. 熱力發(fā)電，2005，44（11）：94-97.

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[4]  吳江蓮, 雒曉輝, 許德忠,等. 核電站立式泵組結(jié)構(gòu)共振分析與防治研究[J]. 水泵技術(shù), 2017, 000(003):5-8.

[5]  郝宗鵬. 立式泵電機(jī)振動的原因分析及處理措施研究[J]. 工程技術(shù)(引文版), 2015(12):00205-00205.

作者簡介：何明輝，上海凱士比泵有限公司研發(fā)部，高級工程師，產(chǎn)品開發(fā)經(jīng)理