大型多级离心泵机组轴系的扭转振动分析

第51卷第5期2014年10月化工设备与管道PROCESSEQUIPMENT&PIPINGVol.51No.5Oct.2014收稿日期：2014-08-13基金项目：中国石油天燃气股份有限公司科技开发项目“大庆石化乙烯改扩建工程”（发改工业[2007]1187号）。作者简介：殷洪权（1970—），男，黑龙江省林口县人，高级工程师。主要从事压力容器与化工设备管理及检维修等工作。大型多级离心泵机组轴系的扭转振动分析殷洪权（中国石油大庆石化分公司，黑龙江大庆163714）摘要大型多级离心泵机组轴系的扭转振动特性直接关系到机组运行的稳定性与可靠性，为了分析带齿轮箱的高速多级离心泵机组的扭振振动固有频率及其影响因素，基于多体动力学分析软件ADAMS建立了机组轴系的虚拟样机模型，给出了轴系建模方法，分析了齿轮副和联轴器刚度对轴系固有特性的影响，基于API610标准对最终设计的机组轴系扭振固有频率计算结果进行评定。结果显示机组轴系在工作转速附近存在多个固有频率，很有必要对机组轴系进行整体建模和分析，电机转子、泵转子和联轴器等对轴系的固有特性影响较大，通过适度调整泵轴和联轴器等结构可以使固有频率避开转子的工作频率。关键词多级离心泵；轴系；扭转振动；固有频率中图分类号：TQ051.2；TH311文献标识码：A文章编号：1009-3281（2014）05-0057-005高压多级离心泵机组大量用于石油化工、石油开采、火力发电与核电等领域，其中很多机组功率超过1000kW，并且级数多、转轴长、转速高、轴系复杂，部分机组因高转速而采用增速齿轮箱。由于机组大型化和使用要求的提高，API610等标准对带增速齿轮箱的大型高压泵机组提出了特殊的设计要求[1]，即需要对轴系扭振固有频率、湿态转子临界转速、壳体强度等进行详细的分析计算，以保证多级泵机组运行的可靠性。对于轴系的扭振计算，传递矩阵法广泛用于各种结构的分析计算场合。特别对于一些复杂轴系的计算，基于传递矩阵法的计算程序，实现了多转子复杂轴系的扭转振动分析，不仅得到了扭振的响应，同时也包括横振方面的响应[2-4]。李霄琳等[5]基于轴系扭转振动分析设计电机泥泵轴系系统，给出计算轴系自由振动固有频率的传递矩阵法和计算强迫振动的动力放大系数法。董世民等[6]考虑地面驱动与传动系统转动惯量对铅垂直井螺杆泵采油杆柱扭转振动的影响，建立顶端具有等能转动惯量的自由转动圆盘、下端自由的多级组合杆柱扭转振动的力学模型,给出了单级、二级与三级组合杆柱自由扭转振动固有频率的计算公式。陆叶[7]在研宄了船舶轴系扭振的基本理论的基础上,对轴系扭振的测试以及分析方法进行了研宄，同时,基于MATLAB平台开发了船舶轴系扭振分析软件,并对其进行实例验证。向玲等[8]针对电网动态模拟系统和汽轮发电机组轴系扭振模拟机，开展了典型工况及故障扰动下机组轴系扭振试验，并利用非平稳信号的时频分析方法对轴系的扭振信号进行分析。当前，ANSYS和ADAMS等大型软件也广泛被用于各类复杂轴系的扭振分析。付强等[9]为研究核电站离心式上充泵转子轴系扭振特性，采用有限元分析软件ANSYS对上充泵转子轴系的扭转振动特性进行数值计算，通过扭振分析得到转子轴系在不同转速下的扭转振幅。王彬等[10]针对压裂车车载传动系统，利用动力学仿真分析软件ADAMS进行分析，利用最小二乘法拟合传动轴共振频率和发动机转速的函数，对比压裂泵挡工作频率。本文主要针对带齿轮增速箱的高压多级离心泵机组轴系进行扭振分析，并通过实例分析齿轮箱、联轴器特性对机组扭振固有频率的影响，按照API610标准对扭振计算结果进行评定。1模型与计算方法1.1泵组结构与性能本文所研究的大型多级泵的设计参数如表1所示，其设计转速为7500r/min，多级泵转子采用10级叶轮，泵的总扬程达3500m。整个多级泵机组包括了电机、高速轴和低速轴联轴器、增速器、多级泵等，机组结构如图1所示。第51卷第5期·58·化工设备与管道表1大型多级泵机组参数Table1Parametersofthemulti-stagepump流量Q扬程H泵转速n级数100m3/h3500m7500r/min10图1多级泵机组结构Fig.1Structureofthemulti-stagepumpunit1.2虚拟样机模型在轴系扭振分析中，需要实体建模的部件包括电机、低速端联轴器、增速箱、高速端联轴器及多级泵转子组件等。其中，影响扭转振动特性的电机部件主要是转子，因此在保证转子质量及转动惯量与实物一致的前提下，简化其外壳的形状。对于联轴器，模型中只考虑其质量、转动惯量及总的扭转刚度，并以此为基础对联轴器的形状进行简化。齿轮增速部分主要对齿轮副进行建模，不考虑箱体结构的影响，简化后实体模型如图2所示。对于泵轴和叶轮组件，在保证质量及转动惯量与