3 500 方絞吸挖泥船水下泥泵軸系啟動性能的分析

郭 貴， 武永頂

（1.中交上海航道裝備工業(yè)有限公司， 上海 201208； 2.中交疏浚技術(shù)裝備國家工程研究中心有限公司，上海 201208）

1 研究背景

在絞吸挖泥船中，疏浚泥泵主軸一端帶動葉輪旋轉(zhuǎn)進行工作，另一端通過離合器與發(fā)動機相連接。主軸在啟動階段與離合器接合時會產(chǎn)生較大的扭矩，軸系在此時的受載情況較為惡劣，因此，以3 500方絞挖泥船泥泵軸系為研究對象，分析泥泵軸系在啟動條件下的性能具有重要的意義。

2 基本理論

柴油機連接發(fā)電機，發(fā)電機給電柜箱供電，電柜箱給電動機供電，電動機驅(qū)動泵啟動；啟動時，電動機與泵軸聯(lián)接，從0 開始加速至某一固定轉(zhuǎn)速，電柜箱顯示的輸出功率除去電機自身、傳動損耗，總計約10%，全部轉(zhuǎn)化為泵軸轉(zhuǎn)矩。泵軸轉(zhuǎn)矩一方面提供給泵自身做功，另一方面用于泵加速旋轉(zhuǎn)?？梢?，泥泵啟動過程所需時間是由電動機輸出功率，以及泥泵管路系統(tǒng)的特性所確定。

泵自身做功所需的功率滿足轉(zhuǎn)速相似定律。泥泵最大角轉(zhuǎn)速為rmax，柴油機最大角轉(zhuǎn)速為Rmax，啟動后柴油機角轉(zhuǎn)速為R1，則啟動結(jié)束后泵角轉(zhuǎn)速r1：

電機需要提供的加速轉(zhuǎn)矩M1為泵勻角加速度α 與泵葉輪（滿水、含軸）轉(zhuǎn)動慣量It的乘積：

電機需要提供的泵加速功率P1為加速轉(zhuǎn)矩M1與泵當前角轉(zhuǎn)速r0的乘積：

電機需要提供的泵輸出功率P2為：

式中：r額為額定角轉(zhuǎn)速度；P額為泵額定功率；k為放大系數(shù)1.5。

3 實例工況啟動性能的分析

3.1 實船數(shù)據(jù)的分析

分別分析疏浚船泥泵軸系在穩(wěn)定工況下的受載性能和啟動工況下的受載性能。

已知：DRC172-850 水下泵葉輪充滿水后的轉(zhuǎn)動慣量I=1 355 kg·m2，含泵軸后轉(zhuǎn)動慣量It=1 450 kg·m2，泵清水額定轉(zhuǎn)速n=330 r/min（即34.56 rad/s）,額定清水功率P=1 500 kW。

經(jīng)實船測試統(tǒng)計，統(tǒng)計實船測試的部分數(shù)據(jù)見下表1：

表1 3500 方疏浚船穩(wěn)定運行過程數(shù)據(jù)

帶入穩(wěn)定時功率與轉(zhuǎn)速均值，泵軸穩(wěn)定滿負荷工作時承受轉(zhuǎn)矩約為45 kN·m。

泵勻加速啟動過程所受載情況如下：

泵啟動過程為勻速啟動，且忽略啟動過程中泵軸受軸承、襯套的影響。所以泵勻速啟動過程，電柜輸出功率可為（P1+P2）/0.9，得到其如下頁圖1 所示的功率曲線。

下頁表2 中說明泵啟動過程中，最大的負載為滿負載轉(zhuǎn)矩的24.31 倍，考慮粗大誤差的影響，泵軸所承受的最大轉(zhuǎn)矩至少為滿負荷時的6.5 倍。

3.2 有限元法對軸受力的仿真

上文可知，計算出泵軸承受的較大轉(zhuǎn)矩為293.78 kN·m 和1 112.27 kN·m。現(xiàn)針對這兩個轉(zhuǎn)矩載荷進行穩(wěn)態(tài)仿真計算，泵軸的材質(zhì)42CrMo。

圖1 水下泵電機需要的輸出功率

表2 3500 方疏浚船水下泵啟動過程參數(shù)

3.2.1.1 泵軸承受轉(zhuǎn)矩293.78 kN·m 時

當泵軸承受轉(zhuǎn)矩為293.78 kN·m 時，應力圖如圖2 所示，應力值較大基本集中在軸肩圓角和軸上凹槽處。軸上其他部位基本處于相當安全的應力范圍內(nèi)。

圖2 轉(zhuǎn)矩293.78 kN·m 時泵軸應力圖

實際工況中，軸頭部分是危險處，是主要的失效部位，可能是由于泵葉輪施加在軸頭上瞬態(tài)交變的葉輪及水的自重作用以及泵葉輪振動對軸頭縮徑位置導致此位置的疲勞損傷更大于圖2 位置。本次計算是穩(wěn)態(tài)計算，沒有考慮交變作用力的疲勞效應，主要考慮施加扭矩后軸頭處的應力分布，軸頭部分的應力顯示如下：

軸頭部分，從左至右，軸肩處應力大小為255.5 MPa，與軸套接觸的兩個冷卻凹槽應力大小分別為208.6 MPa 和199.01 MPa，最后與葉輪配合軸頭的軸肩處有較大的應力，約為311.8 MPa。

軸材料42CrMo，屈服強度930 MPa，軸頭部分應力最大處位于葉輪配合軸頭的軸肩處，瞬間載荷約為扭轉(zhuǎn)屈服強度的0.33 倍。

3.2.1.2 泵軸承受轉(zhuǎn)矩1 112.27 kN·m

當泵軸承受轉(zhuǎn)矩為1 112.27 kN·m 時，較大應力值基本集中在軸的各個軸肩圓角和軸上凹槽處。軸上其他部位基本處于相當安全的應力范圍內(nèi)。

同樣，主要關(guān)注軸頭部分的應力結(jié)果, 軸頭部分，從左至右，軸肩處應力大小為908.9 MPa，與軸套接觸的兩個冷卻凹槽應力大小分別為818.76 MPa和710.25 MPa，最后與葉輪配合軸頭的軸肩處有較大的應力，約為1 135.5 MPa。

軸材料42CrMo，屈服強度930 MPa，則與屈服強度的倍數(shù)關(guān)系如表3。

表3 應力與屈服強度的倍數(shù)關(guān)系

軸頭部分應力最大處處于葉輪配合軸頭的軸肩處，瞬間載荷約為扭轉(zhuǎn)屈服強度的1.22 倍。

最大應力為屈服強度的1.22 倍，超出了屈服強度，泵軸失效。

4 結(jié)論

1）泵軸在啟動的過程中，所受載荷遠遠高出泵軸穩(wěn)定運行時的大小，實船數(shù)據(jù)分析中，泵啟動過程中，泵軸所承受的最大轉(zhuǎn)矩至少為滿負荷時的6.5倍，并且可能為20 多倍。

2）泵軸啟動時瞬間載荷較大，泥泵水下泵軸的最危險截面位于軸頭軸肩處，該處為最有可失效點，應加大安全系數(shù)。