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往復式泥漿泵動力端連桿模態特性分析
發布日期:2014-05-10

 一、引言

模態分析是確定復雜結構振動形態和薄弱環節的一種有效手段。連桿是往復式泥漿泵動力端的重要零部件之一,它既是傳力件,又是運動件,在工作過程中經受拉伸、壓縮和彎曲等交變載荷的作用,其使用可靠性對整個泥漿泵的正常運轉有重大意義。因此,對連桿進行動態特性研究已成為結構設計中的重要環節。本文用ANSYS軟件對往復式泥漿泵動力端連桿進行模態特性分析,主要目的是識別出連桿結構的頻率、振型等模態參數,為泥漿泵動力端的結構動力學分析和后續尺寸優化提供依據。

往復式泥漿泵

 


往復式泥漿泵

 

二、連桿的模態分析

模態分析的主要目的在于將機械結構系統由經驗類比和靜態設計方法改為動態、優化設計方法。利用模態分析可以識別結構的各階模態,從中找到結構系統動態特性的薄弱環節,然后采取有效措施對結構系統進行改進和優化。

2.1連桿三維模型的建立

對于復雜的機械系統,為提高建模速度,一般采用CAD建模,然后通過適當的接口文件將其導入CAE軟件中進行分析。CAD程序的模型可能包含許多設計細節,這些細節往往不是基于結構剛強度的考慮。在建模時如果保留這些細節,會造成模型復雜化,同時單元數量勢必增加,甚至會掩蓋問題的主要矛盾,對分析結果造成負面影響。因此,需對結果影響較小的局部結構進行簡化。

往復泵多采用曲拐軸,為了便于拆裝和對大頭軸瓦間隙進行調整,連桿大頭需制成剖分結構,為了簡化分析,將連桿體和連桿蓋作為一個整體進行建模。利用Pro/E建模軟件平臺,對往復泵的連桿進行三維實體建模,并以IGES格式保存并導入ANSYS有限元分析軟件中。

2.2結構離散

連桿的材料為ZG35CrMo,其材料屬性為彈性模量210000 Mpa,泊松比0.3,密度為7800kg/m3,。對幾何模型進行網格劃分選用8節點Solid45單元,劃分精度為3級,由ANSYS軟件自動劃分,劃分后連桿的有限元模型如圖1所示。

2.3邊界約束

在模態分析中,邊界條件的假設非常重要,它不僅影響計算的準確性,甚至能決定計算能否完成。連桿的運動是一平面運動,可以看成平動和轉動的合成運動,兩端受到十字頭銷和曲柄銷的限制。根據往復泵連桿的實際工作情況,在兩端孔軸線上定義圓柱坐標系,孔端上的點有繞軸轉動的自由度。模態是由系統的固有特性決定的,與外載荷無關,故不需要設置載荷邊界條件。

2.4連桿的有限元求解與結果分析

結構的振動可以表達為各階振型的線性組合,其中低階固有振型較高階對結構的振動影響大,低階振型對結構的動態特性起決定作用。利用上面建立的三維有限元模型對泥漿泵連桿進行了模態特性分析,計算出了前20階振動模態的固有頻率,如表1所示。提取前6階振動模態進行分析。

由計算結果可知,在工作過程中,由于連桿的模態密集,很容易發生共振,引起連桿的動應力過大,以至于出現疲勞裂紋。尤其是第1、2階模態頻率相對較低,而往復泵在低頻段內的激勵也較大,極易引起較大的動態響應。相鄰模態頻率相差小,易引起耦合振動。

由結果可知,連桿的振動形式多樣,集中表現為彎曲振動。第1、2階振型分別為沿Z、Y軸的彎曲振動,連桿中間振動位移較大,呈U;3階為連桿的彎扭復合振動;4、5階分別為繞Z、Y軸的彎曲振動,連桿振動過程中呈現S;6階振型振動不明顯,主要為沿X、Y軸方向的彎曲。在所有的振型下,連桿的大、小頭失圓現象不明顯,可以避免很多因孔的失圓引起大頭與曲軸銷、小頭與活塞銷配合不正常,從而導致常見的抱瓦、燒瓦、減磨材料和疲勞脫落等一系列故障。連桿的彎曲振動會使液力端的活塞相對于缸套、曲軸軸頸相對于軸承發生歪斜,產生附加應力,引起裂紋和損壞,設計時應該著重考慮這方面的情況,盡量避免破壞的發生。

三、結論

通過有限元軟件ANSYS分析和研究了往復泵連桿的固有振動特性,包括固有頻率和振型,并得出了精確、直觀的結論。而這些分析結果對于結構設計和后續的分析校核都非常有用。得到連桿的頻率,我們可以避免由于其他同頻干擾或激振造成連桿的共振,這對于整個動力端以至整個往復泵系統的設計都有指導意義。

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