基于ANSYS的叶片泵轴的建模与模态分析

【摘 要】采用ANSYS有限元软件建立了叶片泵轴的实体模型，并进行了模态分析，得到叶片泵轴的固有频率和振型特征。通过对叶片泵轴结构参数进行修改，使其固有频率远离叶片泵噪音频率范围，避免噪声的产生，为叶片泵的进一步研究提供了参考依据。

【关键词】叶片泵；模态分析；噪音

Modeling and modal analysis of vane pump shaft based on FEM

WU Wei

（LiaoningTiger Leap fast Yatung Bus Inc Fuxin Management Office Liaoning Fuxin 123000 China）

【Abstract】Entity model of vane pump shaft and modal analysis were done by using ANSYS finite element software. Then the natural frequency and characteristics of mode types were gained.The natural frequency of vane pump shaft were out of the frequency range of noise by modifying the structure parameters of vane pump shaft. Noise was avoided. Reference basis for the further study on vane pump is provided.

【Key words】Vane pump shaft；Modal analysis；Noise

目前叶片泵成为各行各业液压系统中一种重要的辅助工作泵。随着科技的快速发展，叶片泵正朝着高速、低噪音、大功率以及高压的趋势发展[1]。在50 年代，国外的叶片泵工作压力为14.0MPa，其噪音可达到75dB（A）。到60年代，噪音的影响得到国外的重视，并相继进行研究，一些性能优良低噪音的叶片泵相继问世，其噪音范围小于65dB（A）。到70～80年代，日本油研公司研发出一款新型叶片泵，其噪声值范围为55～63dB（A）。美国也研制出低噪音性能优良的叶片泵，典型的产品：Denison“T6”系列及Vickers系列叶片泵[2-5]。在国内，叶片泵的噪音值还处在高范围内，所以降低噪音成为亟待解决的问题。如今一些国内学者开始研究降低噪音这一课题。如降低叶片泵的装配误差以及其零件的制造误差。而从振动学角度分析，零件的刚度影响着振动体的固有频率范围，所以提高避免叶片泵各零件的刚度，避免各零件的固有频率接近噪音的频率。本文以叶片泵轴为研究对象，采用ANSYS有限元方法，找出叶片泵轴与噪音频域接近的固有频率，通过提高其刚度，避免这些频率的出现，从而降低叶片泵在工作中的噪音的产生。

1.叶片泵噪声的范围

叶片泵噪声的频率一般可由下式给出：

f■=kzn60 HZ （1）

式中：k—谐波次数，k=1，2，…；

z—叶片数，z=10；

n—泵轴旋转速度，泵的工作范围 n=600～1800r/min。

叶片泵噪声谐波次数为2或4。且谐波次数为2、4时叶片泵噪声的频率分别为：

f■=2*12（600～1800）60=（240～720）HZ （2）

f■=4*12（600～1800）60=（480～1440）HZ （3）

由此可知叶片泵的噪声范围为（240～1440）HZ。

2.轴有限元模型建立与模态分析

2.1泵体模型的建立

选择Solid/10 node 92单元，叶片材料为40Cr，其材料特性参数为：弹性模量：EX=2.06e5MPa、泊松比：μ=0.3、密度：ρ=7.9e-9tonne/（mm）3。对轴采用自由网格划分，其结果如图1所示。在转子内花键处施加x、y、z三个方向的自由度约束。采用Block Lanczos 分析方法来进行分析。为保证分析精确，定义输出10阶固有频率和振型结果。

图1 轴网格划分

Fig. 1 The draft mesh

2.2 模态分析

轴的前10阶模态如图2所示。

图2 轴各阶频率

Fig.2 The draft frequency bands

叶片泵的噪声范围为（240～1440）HZ。由图2分析可知：轴的1、2阶固有频率处于叶片泵的噪声频率范围内，会发生共振，所以需要对其进行改进。选取轴前6阶振型位移变化云图如图3所示。

第一阶模态 第二阶模态

第三阶模态 第四阶模态

第五阶模态 第六阶模态

图3 轴有限元振动特性分析

Fig.3 Daft finite element analysis of the vibration characteristics

2.3 轴的结构改进

轴的各部分结构中最容易更改的是与轴承和密封圈连接处的尺寸，因其他的如外连接尺寸一般涉及到用户的连接尺寸，而与组件连接的部分若更改会涉及到相当复杂的各个零件的更改。所以更改轴的与轴承和密封圈连接处的尺寸由原来的直径25mm改为35mm。

叶片泵轴改进前后前10阶固有频率对比分析如表1所示：

表1 改进前后对比

Tab.1 Natural frequency of ten mode shapes

从表1改进前后轴的前10阶频率值分析可知：轴的第1、2阶模态的振动频率超出了1440Hz，离开了叶片泵噪声的频率范围。且6～10阶模态的振动频率也远远超出噪声频率范围。从而避免了噪音的产生。

3.结论

本文以叶片泵轴为研究对象，采用有限元方法对其进行模态分析，并对轴的刚度进行了调整，得到如下结论：叶片泵轴的1、2阶模态的固有频率在叶片泵噪声频率范围内；通过调整轴的刚度，使叶片泵轴1、2阶固有频率远离叶片泵噪声的频率范围，从而避免叶片泵轴的噪音产生。

【参考文献】

[1]胡阳.叶片泵噪声及研究[J].液压与气动，2004.2.

[2]黎克英，陆祥生著.叶片式液压泵和马达[M].北京：北京工业出版社，1993.

[3]A.W.NEASE，A.C.MORSE.“A Solution to pump ripple in the space shuttle flight control system”.PaP.Am.Soc.Mech.Eng，[80-C2-AERO-5]，1980.

[4]BECKA.Hydraulic mufflers for noise and vibration control[J].Proc.natl.conf.Fluid power，vol.36，1982.

[5][美]R.H.莱昂著.盛元生，顾伟豪等译.机器噪声和诊断学[M].北京：科学出版社，1987.9.