基于有限元法的水轮发电机组临界转速研究

研究水轮发电机组的临界转速对于其故障诊断与结构优化具有重要意义，但由于现场试验困难、工况与边界条件复杂，使得临界转速的高精度求解成为难题。以某水电站的二导悬式水轮发电机组为例，采用大型通用有限元分析软件ANSYS，综合考虑各类轴承边界条件的耦合作用，基于流体润滑Reynold方程建立轴承动力特性参数的计算模型，求解水导、上导、推力轴承的刚度与阻尼，以此为基础分别构建无机械故障、转子或转轮质量偏心、联轴法兰不对中的三维有限元分析模型，随后考虑陀螺效应进行转子动力学分析，采用QR Damped法提取模态，并绘制Campbell图求得临界转速从而分析轴系动力学特性。结果表明，正常工况下机组飞逸转速远小于第一阶临界转速，其动态性能满足设计要求，且在转子或转轮质量偏心、联轴法兰不对中等工况下临界转速受到的影响很小，机组依旧能够保持稳定运行。     

双跨转子—轴承系统松动—碰摩耦合故障的非线性特性

建立了带有基础松动-碰摩耦合故障的具有三轴承支承的双跨弹性转子系统的动力学模型,并对系统非线性动力学特性进行了数值仿真研究.耦合故障转子系统周期运动失稳转速介于松动和碰摩单一故障之间;随着轴承松动支座质量的增加,当转子低频运转时,系统响应的混沌运动区间先增大,以后逐渐减小;在高转速区域(超临界转速区),拟周期运动消失,混沌运动区域逐渐减小,周期分频运动区域增加,且会出现明显的周期3运动区间.     

八级离心泵转子临界转速分析

针对多级离心泵扬程高、转速高的特点,应用转子动力学对该泵的运行可靠性进行了研究。采用数值模拟的方法对整个转子振动模态进行分析,得到转子5阶固有频率和相应振型图。以转子部件固有频率作为基础,计算得到转子部件的"干"临界转速。通过流固耦合的研究方法,分析有预应力的模态计算,得到转子部件的"湿"临界转速。研究结果表明,相同阶时"湿"临界转速小于"干"临界转速。转子部件一阶"湿"临界转速为5 074 r/min,远大于实际额定转速的2 980 r/min,表明所设计的泵转子符合结构动力学设计要求。     

基于ADAMS和ANSYS Workbench的秸秆粉碎抛送装置仿真分析

为选择玉米秸秆打捆机粉碎抛送装置刀轴排列的最佳装配方案,利用多体动力学仿真软件ADAMS分别对采用单螺旋线、双螺旋线及对称排列装配方案的刀辊进行仿真分析,得出双螺旋线排列方案性能最佳。利用ANSYS Workbench对双螺旋线排列方案进行模态分析,通过结果图可以得到最低临界转速为6 109.8r/min,而实际上粉碎刀轴在工作时的转速范围是1 800~2 000r/min,所以刀轴满足实际工作的需求。本文为改装玉米秸秆打捆机提供有效数据,更为合理设计打捆机粉碎部件提供理论依据。     

多级离心泵转子固有频率影响因素的比较

为了有效改善多级离心泵转子系统的临界转速问题,利用转子动力学理论结合有限元分析方法,分析比较了几种不同因素对多级离心泵转子固有频率（可转化为临界转速）的影响,同时利用实体模型进行了振动模态数值分析,给出了相应的弯振和扭振阵型图．定量地比较了流固耦合作用和旋转软化效应对转子固有频率的影响,给出了影响转子临界转速的因素与优化方法,并将数值计算结果与试验结果进行了比较．分析表明准确地简化支承,并合理地确定支承刚度、阻尼矩阵是精确计算临界转速的必要前提;流固耦合作用对叶片产生的液体力相当于对叶轮添加了虚质量的缘故,而旋转软化通过科里奥利效应起作用;多级离心泵转子的干临界转速与湿临界转速差别较大,计算值与试验值基本一致．ANSYS 数值模拟具有一定的准确性,为多级离心泵的转子的设计提供了一定的参考．     

基于SAMCEF Rotor的高速泵转子临界转速分析

为了提高高速泵的可靠性,利用专业的转子动力学特性分析软件SAMCEF Rotor对高速矿用抢险泵转子系统进行分析,研究转子的动力特性--临界转速及其振型,根据径向轴承参数建模,分别采用一维梁模型,二维傅里叶模型和三维实体模型进行计算比对,得到了各自的坎贝尔图和临界转速及振型。研究表明,三种模型吻合的状态基本一致,设计方案避免了工作转速达到临界转速产生共振现象。根据转子动力学分析软件SAMCEF Rotor分析研究,临界转速的计算方法比较完善,分析结果较为精确,且一维及二维模型求解法对计算机配置要求低,求解耗时短。     

9R-40型揉碎机结构有限元分析——基于ANSYS Workbench

锤片式揉碎机作为一种重要的秸秆饲料加工机械而被广泛地应用在饲料生产作业中。为此,基于有限元软件ANSYS Workbench,对揉碎机转子和机壳进行静力学和模态分析。静力学分析结果表明:揉碎机转子的危险截面主要集中在主轴键槽和轴承颈附近,且最大应力远小于许用应力。模态分析结果表明:由于转子正常工作时的临界转速远大于轴正常工作时的转速,不会引起共振,符合设计要求。机壳的模态分析可确定其模态频率范围,通过优化其结构避免外界激振频率与固有频率接近。通过ANSYS Workbench对揉碎机结构进行有限元分析,为揉碎机整体结构优化设计提供了理论依据。     

多级离心泵级间密封动力学特性研究

密封力学特性对于多级离心泵转子运行稳定性,泵机组减振降噪等具有重要意义。为了探究迷宫密封结构对转子运转性能的影响,对不同密封齿高、密封齿距及密封齿厚的密封刚度系数、阻尼系数进行了计算,研究了不同结构的迷宫密封对转子1阶临界转速的影响。结果表明平面密封比迷宫密封具有更好的密封力学性能;直接刚度和直接阻尼随着密封齿高的增加而降低,而交叉刚度与交叉阻尼的变化较小;密封齿高对转子的1阶临界转速的影响较大,临界转速随着密封齿高增大而呈先减小后增大的趋势,当密封齿高大于1 mm后,临界转速变化趋势不明显;而密封齿距及密封齿厚对迷宫密封的密封力学性能及临界转速的影响较小。     

轴向应力对多级离心泵转子临界转速的影响

借助ANSYS软件,运用有限元方法,在计算3×8 3/4-10stg HSB型高速多级离心泵转子干态临界转速的基础上,又分别计算了转子在湿态下支承刚度、陀螺力矩、流体软化作用、口环支承等对转子临界转速的影响,此后再计入轴向应力对转子临界转速的影响.结果表明,浸液转子仅考虑流固耦合作用计算出的临界转速仍然存在着偏差;在流固耦合的基础上,再考虑轴向应力对转子动力特性的影响后,一阶临界转速提高了21％,其余各阶也有所提高,说明轴向应力对转子系统的临界转速有较大影响,且轴向应力对提高转子的稳定性有积极的作用.     

基于Ansys的矿用潜水电泵转子系统的优化设计

应用三维造型软件Pro／E对矿用潜水电泵过流部件内部水体和部件进行实体造型,导入ICEM软件对水体部分进行非结构化网格划分．基于雷诺时均Navier—Stokes方程、标准k—ε湍流模型和SIMPLEC算法,采用计算流体动力学软件CFX对矿用多级潜水泵不同工况下的外特性进行数值模拟,并将模拟结果与试验结果进行对比,验证模拟结果的可靠性．将流场模拟结果导入AnsysWorkbench,对两支点支撑方式的转子系统进行基于流固耦舍的模态分析,计算得到了原有转子系统的一阶临界转速低于运行转速．根据对转子振型特点的分析,对转子系统进行三支点优化设计,并再次进行模拟计算．结果表明：原有两轴承支撑转子系统临界转速过低,是轴承7217AC／DB提前损坏、密封环磨损严重的主要原因;三支点转子临界转速远大于泵的实际运行转速,可大幅度提高轴承可靠性,减缓密封环的磨损．     

蓄能机组转子系统三维动力特性研究

受机械、电磁、水力等因素的影响,抽水蓄能发电机组轴系临界转速分析是复杂的转子动力学问题。采用SAMCEF ROTOR程序建立了抽水蓄能发电机组转子-轴承-电磁系统三维有限元模型,计算了不平衡磁拉力刚度系数以及轴系的临界转速和振型。讨论了发电机不平衡磁拉力、导轴承刚度系数变化对临界转速的影响。结果表明,不平衡磁拉力随着励磁电流和转子偏心距的增加呈非线性增加,并使一阶临界转速降低;轴系的临界转速随导轴承轴承刚度的增加而增加。水导轴承对2阶临界转速影响较大。上、下导轴承对1、3阶临界转速影响较明显。     

多级离心泵临界转速及模型减缩分析

以多级离心泵转子为研究对象,采用商业软件分析了密封动力特性系数,并将密封动力特性系数考虑到湿态临界转速分析中。基于ANSYS软件建立了多级离心泵三维转子有限元模型,计算了干态和湿态情况下的临界转速。计算结果表明,考虑密封动力系数后湿态情况下,前3阶临界转速大于干态,第1阶临界转速为4 738 r/min,远大于工作转速2 980 r/min,临界转速满足设计要求。同时针对三维模型自由度多等特点,采用APDL程序对湿态下离心泵转子模型进行减缩,考虑了旋转陀螺效应和离心预紧力的影响。结果表明,模型自由度减缩了68%,临界转速最大误差为0.17%,稳态不平衡响应计算结果与原模型基本相同。     

流固耦合作用下斜流泵转子动力学特性研究

为了研究斜流泵转子系统的动力学特性,以某型号的斜流泵作为研究对象,采用计算流体力学软件CFX 2021R1和有限元分析软件ANSYS Workbench 2021R1平台,对斜流泵转子系统的干湿模态固有频率和振型、临界转速以及基于流固耦合的瞬态动力学进行了求解,研究了叶轮叶片不同位置的变形与应力分布,对比分析了不同流量工况对叶轮叶片变形与应力分布的影响。结果表明：湿模态下转子固有频率会下降,同时随着阶数的增加,固有频率下降程度逐渐明显,第3阶模态时下降程度最小,下降率Δf为9.82%,第6阶模态时下降程度最大,下降率Δf为44.31%。计算所得第2阶模态的临界转速为7.369r/min,远大于转子工作转速,说明转子系统在工作转速下运行时不会发生共振,符合转子动力学的设计要求,能够稳定运转。叶轮叶片背面与工作面总变形量的变化趋势和变形量基本一致,叶片工作面出口叶顶位置变形量最大,幅值达到2.6755mm,各个位置处工作面变形量都大于背面,最大变形量差值为0.0358mm,叶顶处变形量都大于叶根处,最大差值为1.0177mm;叶片工作面进口叶顶处与背面处应力变化趋势和应力幅值大致相似,叶片工作面进口叶顶处与出口叶根处应力幅值都大于相应背面处,而在叶片背面出口叶根处应力幅值大于工作面处。叶片出口处测点应力幅值明显大于进口处测点,叶片背面出口叶根处等效应力最大,最大幅值约6MPa。不同流量工况下叶片变形量的变化趋势相似,随着流量增大,叶轮叶片各位置处变形量逐渐减小。0.6Q时叶片变形量随时间变化波动最大,最大变形量为3.0672mm,出现在叶片出口叶顶位置;在叶片叶顶处,随流量增大,应力波动逐渐减小,叶片叶根处,Q时应力幅值波动最大,进口与出口应力波动最小处分别出现在0.6Q与0.8Q流量工况,各位置最大等效应力为12.456MPa,叶根处每一个应力波动结束后,0.6Q与0.8Q应力曲线会额外多一次小波动,因此应避免泵在小流量工况下运行,并且应加强叶轮叶根处叶片厚度。研究结果可以为斜流泵转子系统运行稳定性分析以及叶轮叶片的结构优化设计提供参考。     

大型水轮发电机组轴系振动稳定性

随着水电事业的发展，在我国的大型电站中，所用水轮发电机组的容量、尺寸及比转速在不断提高，所采用的材料强度也在不断提高，从而导致水轮发电机组刚度相对降低，因此弄清水轮发电机组的动态特性是必不可少的。利用转子轴承系统动力学，可建立水轮发电机组轮机主轴的数学模型，用以描述水轮发电机组轴系的弯曲振动和对水轮发电机组进行较系统的动力分析。以某电站水轮发电机组为例，建立了水轮发电机组主轴系统稳定性分析的计算模型，利用Riccati传递矩阵法计算了机组的临界转速，并对影响机组轴系临界转速的各个因素进行了计算分析，为以后对大型水轮发电机组的轴系动力特性分析提供参考和技术支持。随着计算机技术的不断发展，以及转子动力学理论的进一步完善，针对大型机械转子系统的动力学仿真将对机组的安全稳定运行发挥越来越大的作用。     

电动气吸式排种器的电机转速特性研究

为了能够实现电动排种器的精量播种,提高播种的均匀性和产量,针对电动气吸式排种器转速与电机转速之间的问题,提出了一种双闭环控制系统配合转矩计算的新方法。该方法在无刷直流电机特性研究与负载转速、转矩计算的基础上,确定各个参数与相应函数,通过PID控制策略对电机转速进行控制,并在Mat Lab/Simulink软件上对电动机的双闭环控制系统建立了仿真模型并进行仿真。结果表明:系统能够较好地监测转子转速,具有良好的稳定性,且系统反馈转速与排种器转速计算吻合。搭建了连接电动气吸式排种器的无刷直流电机控制系统试验平台,结果表明:试验数据和仿真结果较为接近。该方法能够良好地调节电机转速同步排种器转速,验证了该方法的有效性与实用性。     

旋转机械支座松动故障的实验

在单跨转子模型实验台上,人为松动轴承座一侧的紧固螺栓,造成支承结构的弹性刚度减弱,模拟实际工程中存在的旋转机械松动故障。利用三维谱阵图、小波尺度图和轴心轨迹图对采集到的带有松动故障的竖直方向振动信号进行了分析。分析结果表明,在一阶临界转速附近会产生比较混乱的低频分量,出现了复杂的非线性现象,如出现拟周期、分岔等现象。在超过2倍临界转速后低频成分趋于稳定。     

基于ANSYS Workbench的捆扎机热合板顶杆有限元分析

以果园苗木捆扎机热合板顶杆为研究对象,利用CAD/CAM软件Pro/E建立顶杆的参数化特征模型,采用新一代有限元分析软件ANSYS Workbench对所建模型进行线性静力学和模态有限元仿真研究。分析结果表明:热合板顶杆在极限位置弹簧拉力的作用下,其静刚度满足使用要求;热合板顶杆的最高工作转速远低于其1阶临界转速,有效地避免了共振的发生。这说明,顶杆结构设计合理,可为顶杆的其它动力学分析奠定基础。     

基于ANSYS Workbench的乘坐式割草机刀盘模态分析

刀盘是割草机重要部件,其工作时固有频率与振型的大小直接关系到整机的可靠性与安全性。为此,利用CAD/CAM软件Pro/E建立刀盘的三维实体模型,并将其导入有限元分析软件ANSYS Workbench,对所建模型进行模态有限元仿真分析,提取前6阶固有频率,与刀盘转速进行比较,计算出其工作时的危险转速范围。分析结果表明:刀盘最高工作转速远低于其1阶临界转速,有效地避免了共振的发生,验证了刀盘设计的合理性,可为刀盘其它的动力学分析奠定基础。     

万吨级反渗透海水淡化高压泵级数的优化选择

反渗透海水淡化高压多级离心泵为新型轴向吸入节段式多级泵．为了提高其效率以及转子系统的稳定性,利用ANSYS有限元分析软件,对不同级数的海水淡化多级泵转子-轴承系统进行了模态分析,计算了转子系统的临界速度,研究了临界转速与级数的关系以及对数衰减率与级数的关系,并结合多级泵效率与级数的关系,讨论了海水淡化高压泵级数的最优选择．综合转子系统的稳定性和效率两方面因素,海水淡化用高压多级泵选用6级较为合适．可为设计过程中对参数的合理选择提供一些参考依据．     

基于磁-流热固多场耦合的磁力联轴器应力形变分析

为探究不同转速下磁力联轴器部件的温升和应力形变情况,基于ANSYS Workbench耦合平台,首先对其进行单向的热磁耦合,并进行温度分布分析,再对磁场与流场共同作用下的磁力联轴器结构场进行热固单向耦合分析.结果表明:隔离套的高温区域在轴向上主要对应于磁钢所在位置,并且温度向套筒两端明显递减.隔离套的较大形变区域与高温区域一致,周向上呈向外膨胀状态,轴向上呈两端递减.对于内磁转子体,应力主要集中在薄金属包封套表面且向转子内部递减.对于外磁转子体,应力主要集中在磁钢周围与转子内表面,并由内向外呈现递减趋势.此外内外磁转子体的形变量并不大,但转速对联轴器部件的温升和应力形变影响较大.随转速增大,隔离套的温升、形变与应力值最大增长约7倍,内外磁转子体的应力峰值从6.35 MPa增大到37.30 MPa.