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)。可見，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?，F(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(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安全的應(yīng)力范圍內(nèi)。

圖2 轉(zhuǎn)矩293.78 kN·m 時泵軸應(yīng)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(dǎo)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(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(yīng)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(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，屈服強度930 MPa，則與屈服強度的倍數(shù)關(guān)系如表3。

表3 應(yīng)力與屈服強度的倍數(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)屈服強度的1.22 倍。

最大應(yīng)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(yīng)加大安全系數(shù)。