3 500 方絞吸挖泥船水下泥泵軸系啟動(dòng)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(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)進(jìn)行工作，另一端通過離合器與發(fā)動(dòng)機(jī)相連接。主軸在啟動(dòng)階段與離合器接合時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的扭矩，軸系在此時(shí)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(duì)象，分析泥泵軸系在啟動(dòng)條件下的性能具有重要的意義。

2 基本理論

柴油機(jī)連接發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)給電柜箱供電，電柜箱給電動(dòng)機(jī)供電，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)泵啟動(dòng)；啟動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)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(jī)自身、傳動(dòng)損耗，總計(jì)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)。可見，泥泵啟動(dòng)過程所需時(shí)間是由電動(dòng)機(jī)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(jī)最大角轉(zhuǎn)速為Rmax，啟動(dòng)后柴油機(jī)角轉(zhuǎn)速為R1，則啟動(dòng)結(jié)束后泵角轉(zhuǎn)速r1：

電機(jī)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(dòng)慣量It的乘積：

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

電機(jī)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(shí)例工況啟動(dòng)性能的分析

3.1 實(shí)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(dòng)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(dòng)慣量I=1 355 kg·m2，含泵軸后轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)船測(cè)試統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)實(shí)船測(cè)試的部分?jǐn)?shù)據(jù)見下表1：

表1 3500 方疏浚船穩(wěn)定運(yùn)行過程數(shù)據(jù)

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

泵勻加速啟動(dòng)過程所受載情況如下：

泵啟動(dòng)過程為勻速啟動(dòng)，且忽略啟動(dòng)過程中泵軸受軸承、襯套的影響。所以泵勻速啟動(dòng)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(dòng)過程中，最大的負(fù)載為滿負(fù)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(fù)荷時(shí)的6.5 倍。

3.2 有限元法對(duì)軸受力的仿真

上文可知，計(jì)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(duì)這兩個(gè)轉(zhuǎn)矩載荷進(jìn)行穩(wěn)態(tài)仿真計(jì)算，泵軸的材質(zhì)42CrMo。

圖1 水下泵電機(jī)需要的輸出功率

表2 3500 方疏浚船水下泵啟動(dòng)過程參數(shù)

3.2.1.1 泵軸承受轉(zhuǎn)矩293.78 kN·m 時(shí)

當(dāng)泵軸承受轉(zhuǎn)矩為293.78 kN·m 時(shí)，應(yīng)力圖如圖2 所示，應(yīng)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(dāng)安全的應(yīng)力范圍內(nèi)。

圖2 轉(zhuǎn)矩293.78 kN·m 時(shí)泵軸應(yīng)力圖

實(shí)際工況中，軸頭部分是危險(xiǎn)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(dòng)對(duì)軸頭縮徑位置導(dǎo)致此位置的疲勞損傷更大于圖2 位置。本次計(jì)算是穩(wěn)態(tài)計(jì)算，沒有考慮交變作用力的疲勞效應(yīng)，主要考慮施加扭矩后軸頭處的應(yīng)力分布，軸頭部分的應(yīng)力顯示如下：

軸頭部分，從左至右，軸肩處應(yīng)力大小為255.5 MPa，與軸套接觸的兩個(gè)冷卻凹槽應(yīng)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(yīng)力，約為311.8 MPa。

軸材料42CrMo，屈服強(qiáng)度930 MPa，軸頭部分應(yīng)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(qiáng)度的0.33 倍。

3.2.1.2 泵軸承受轉(zhuǎn)矩1 112.27 kN·m

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

同樣，主要關(guān)注軸頭部分的應(yīng)力結(jié)果, 軸頭部分，從左至右，軸肩處應(yīng)力大小為908.9 MPa，與軸套接觸的兩個(gè)冷卻凹槽應(yīng)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(yīng)力，約為1 135.5 MPa。

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

表3 應(yīng)力與屈服強(qiáng)度的倍數(shù)關(guān)系

軸頭部分應(yīng)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(qiáng)度的1.22 倍。

最大應(yīng)力為屈服強(qiáng)度的1.22 倍，超出了屈服強(qiáng)度，泵軸失效。

4 結(jié)論

1）泵軸在啟動(dòng)的過程中，所受載荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出泵軸穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的大小，實(shí)船數(shù)據(jù)分析中，泵啟動(dòng)過程中，泵軸所承受的最大轉(zhuǎn)矩至少為滿負(fù)荷時(shí)的6.5倍，并且可能為20 多倍。

2）泵軸啟動(dòng)時(shí)瞬間載荷較大，泥泵水下泵軸的最危險(xiǎn)截面位于軸頭軸肩處，該處為最有可失效點(diǎn)，應(yīng)加大安全系數(shù)。