往复式泥浆泵动力端连杆模态特性分析

【摘要】为改善往复式泥浆泵的工作性能，减少泥浆泵动力端连杆在工作过程中出现由振动引起的各种失效，运用有限元分析软件ANSYS对连杆进行模态特性分析，通过计算得出了前6阶模态及各模态下的振型，分析计算结果并指出连杆的薄弱环节，为泥浆泵动力端的后续动力学分析和结构优化提供了依据。

【关键词】连杆；有限元；模态分析

1、引言

模态分析是确定复杂结构振动形态和薄弱环节的一种有效手段。连杆是往复式泥浆泵动力端的重要零部件之一，它既是传力件，又是运动件，在工作过程中经受拉伸、压缩和弯曲等交变载荷的作用，其使用可靠性对整个泥浆泵的正常运转有重大意义。因此，对连杆进行动态特性研究已成为结构设计中的重要环节。本文用ANSYS软件对往复式泥浆泵动力端连杆进行模态特性分析，主要目的是识别出连杆结构的频率、振型等模态参数，为泥浆泵动力端的结构动力学分析和后续尺寸优化提供依据。

2、连杆的模态分析

模态分析的主要目的在于将机械结构系统由经验类比和静态设计方法改为动态、优化设计方法。利用模态分析可以识别结构的各阶模态，从中找到结构系统动态特性的薄弱环节，然后采取有效措施对结构系统进行改进和优化。

2.1连杆三维模型的建立

对于复杂的机械系统，为提高建模速度,一般采用CAD建模，然后通过适当的接口文件将其导入CAE软件中进行分析。CAD程序的模型可能包含许多设计细节，这些细节往往不是基于结构刚强度的考虑。在建模时如果保留这些细节，会造成模型复杂化，同时单元数量势必增加，甚至会掩盖问题的主要矛盾，对分析结果造成负面影响。因此，需对结果影响较小的局部结构进行简化。

往复泵多采用曲拐轴，为了便于拆装和对大头轴瓦间隙进行调整，连杆大头需制成剖分结构，为了简化分析，将连杆体和连杆盖作为一个整体进行建模。利用Pro/E建模软件平台,对往复泵的连杆进行三维实体建模,并以IGES格式保存并导入ANSYS有限元分析软件中。

2.2结构离散

连杆的材料为ZG35CrMo，其材料属性为弹性模量210000 Mpa，泊松比0.3，密度为7800kg/m3,。对几何模型进行网格划分选用8节点Solid45单元，划分精度为3级，由ANSYS软件自动划分，划分后连杆的有限元模型如图1所示。

2.3边界约束

在模态分析中，边界条件的假设非常重要，它不仅影响计算的准确性，甚至能决定计算能否完成。连杆的运动是一平面运动，可以看成平动和转动的合成运动，两端受到十字头销和曲柄销的限制。根据往复泵连杆的实际工作情况，在两端孔轴线上定义圆柱坐标系，孔端上的点有绕轴转动的自由度。模态是由系统的固有特性决定的，与外载荷无关，故不需要设置载荷边界条件。

2.4连杆的有限元求解与结果分析

结构的振动可以表达为各阶振型的线性组合,其中低阶固有振型较高阶对结构的振动影响大,低阶振型对结构的动态特性起决定作用。利用上面建立的三维有限元模型对泥浆泵连杆进行了模态特性分析，计算出了前20阶振动模态的固有频率，如表1所示。提取前6阶振动模态进行分析。

由计算结果可知，在工作过程中，由于连杆的模态密集，很容易发生共振，引起连杆的动应力过大，以至于出现疲劳裂纹。尤其是第1、2阶模态频率相对较低，而往复泵在低频段内的激励也较大，极易引起较大的动态响应。相邻模态频率相差小，易引起耦合振动。

由结果可知，连杆的振动形式多样，集中表现为弯曲振动。第1、2阶振型分别为沿Z、Y轴的弯曲振动，连杆中间振动位移较大，呈U型；第3阶为连杆的弯扭复合振动；第4、5阶分别为绕Z、Y轴的弯曲振动，连杆振动过程中呈现S型；第6阶振型振动不明显，主要为沿X、Y轴方向的弯曲。在所有的振型下，连杆的大、小头失圆现象不明显，可以避免很多因孔的失圆引起大头与曲轴销、小头与活塞销配合不正常，从而导致常见的抱瓦、烧瓦、减磨材料和疲劳脱落等一系列故障。连杆的弯曲振动会使液力端的活塞相对于缸套、曲轴轴颈相对于轴承发生歪斜，产生附加应力，引起裂纹和损坏，设计时应该着重考虑这方面的情况，尽量避免破坏的发生。

3、结论

通过有限元软件ANSYS分析和研究了往复泵连杆的固有振动特性，包括固有频率和振型，并得出了精确、直观的结论。而这些分析结果对于结构设计和后续的分析校核都非常有用。得到连杆的频率，我们可以避免由于其他同频干扰或激振造成连杆的共振，这对于整个动力端以至整个往复泵系统的设计都有指导意义。

参考文献

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