□ 李洪波 □ 侯宗宗 □ 張 輝 □ 曲瑞波

洛陽船舶材料研究所 河南洛陽 471000

1 失效情況

壓載水是保證船舶航行安全的重要措施,壓載水抽取與排放時因自身攜帶大量微生物而會對環(huán)境造成污染。對此,國際海事組織大會通過了《船舶壓載水及其沉積物管理和控制的國際公約》。這一公約的制定意味著國際航運船舶必須安裝壓載水處理系統(tǒng),并且達到公約要求的排放標準[1],這樣才能在所到港口國停泊。如何保證壓載水處理系統(tǒng)的正常運行,成為重要的研究課題。

過濾器是壓載水處理系統(tǒng)中的關鍵設備。在壓載水處理過程中,過濾器傳動軸發(fā)生斷裂失效,嚴重影響壓載水處理系統(tǒng)的正常運行。由此,迫切需要對過濾器傳動軸進行優(yōu)化改進。過濾器傳動軸失效情況如圖1所示。

2 結構分析

在過濾器傳動系統(tǒng)中,減速機輸出軸通過鍵將扭矩傳遞至傳動軸,傳動軸再將扭矩傳遞至過濾器上下吸污臂,實現上下吸污臂在濾芯上下兩端連續(xù)運轉及清污。過濾器傳動系統(tǒng)結構如圖2所示。

針對過濾器傳動軸失效,有必要對過濾器傳動系統(tǒng)的結構進行分析,確定產生失效的關鍵因素,然后進行結構優(yōu)化。文獻[2]對過濾器傳動系統(tǒng)中軸鍵的失效進行理論計算與有限元分析,得出減速機輸出軸、鍵的強度不足是過濾器傳動系統(tǒng)失效的主要原因,并通過優(yōu)化鍵結構、增大鍵長度成功解決減速機輸出軸、鍵強度不足的問題。文獻[2]的研究成果對本文優(yōu)化過濾器傳動軸有借鑒作用。

原過濾器傳動軸結構如圖3所示。傳動軸的內側設有傳遞扭矩的單鍵槽,單鍵槽的底部設有鍵槽加工的工藝圓孔。傳動軸的外側設有固定傳動軸的止動鍵槽。原過濾器傳動軸失效恰好發(fā)生在內側單鍵槽與外側止動鍵槽之間的區(qū)域。根據失效情況,基于使用性能要求,對過濾器傳動軸的材質進行合理選用,并對過濾器傳動軸的結構進行如下優(yōu)化:

第一,將原過濾器傳動軸的內側單鍵傳動優(yōu)化為內側雙鍵傳動;

第二,取消原過濾器傳動軸內側單鍵槽底部的工藝圓孔及外側止動鍵槽。

在優(yōu)化結構的同時,優(yōu)化過濾器傳動軸內側雙鍵槽的加工工藝。優(yōu)化后過濾器傳動軸結構如圖4所示。

3 材料選擇分析

實際運行過程中,傳動軸完全浸泡于海水中,易受海水腐蝕。因此,選用傳動軸的材料必須兼顧強度和耐蝕性。雙相不銹鋼由鐵素體和奧氏體組成,具有良好的耐蝕性和力學性能。雙相不銹鋼的鐵素體相具有抗應力腐蝕和縫隙腐蝕的性能,耐腐蝕性能優(yōu)于普通奧氏體不銹鋼。雙相不銹鋼的奧氏體相具有延展性和韌性。

SAF2507雙相不銹鋼的耐點蝕當量超過40%,可以稱為超級雙相不銹鋼[3-4]。SAF2507雙相不銹鋼具有優(yōu)異的耐蝕性能和優(yōu)良的綜合力學性能,已在石油化工、海洋領域得到應用[5-7]。過濾器傳動軸的材料原本選擇SAF2507雙相不銹鋼,屈服強度較高,能夠滿足使用要求,但是斷裂韌性較低。鍵槽的加工工藝原本選擇插削加工工藝,存在一定的加工缺陷,導致過濾器傳動軸在使用過程中發(fā)生低應力斷裂失效。

從滿足強度要求的角度考慮,過濾器傳動軸材料選擇SAF2507雙相不銹鋼比選擇316L不銹鋼好,但若考慮斷裂韌性較低的缺陷,則應選擇316L不銹鋼,因為對于相同的裂紋尺寸,316L不銹鋼具有更高的斷裂應力。SAF2507雙相不銹鋼與316L不銹鋼力學性能對比見表1。

表1 材料力學性能對比

綜合分析后,決定選擇316L不銹鋼作為結構優(yōu)化后過濾器傳動軸的材料。

4 加工工藝分析

內鍵槽按結構形式可以分為兩類,分別為通孔內鍵槽、盲孔內鍵槽。內鍵槽的加工方式主要有插削、拉削、線切割、電火花加工等。通孔內鍵槽一般采用插床、拉床和線切割加工。因為受裝夾和行程的限制,所以插床、線切割只能加工長度較短、深度較淺的通孔內鍵槽。對于深度較深的通孔內鍵槽,可以采用拉削加工,但拉刀磨損較快,價格昂貴。對于盲孔內鍵槽,可以采用插床、電火花加工,但是如果單件小批量生產,成本較高[8]。

原過濾器傳動軸的內側單鍵槽為盲孔內鍵槽,加工方式選擇插削,加工過程中存在較大的沖擊力,易于在盲孔內鍵槽的根部形成較大應力集中區(qū)。隨著應力集中區(qū)應力的逐漸釋放,勢必會在盲孔內鍵槽兩側面的根部產生裂紋缺陷。另一方面,采用插削加工的鍵槽,鍵槽的寬度精度、對稱度、形狀、表面質量都難以保證。插削加工后盲孔內鍵槽如圖5所示。由分析可見,采用插削加工降低了過濾器傳動軸的性能。

電火花加工主要采用棒狀或管狀電極,利用工具電極與零件間脈沖放電所產生的電蝕作用,蝕除零件材料,是一種特種加工方法[9]。電火花加工屬于精密加工,所加工零件的尺寸公差、形位公差都能得到很好的保證。結構優(yōu)化后過濾器傳動軸內側雙鍵槽同樣為盲孔內鍵槽,電火花加工后盲孔內鍵槽如圖6所示。

5 有限元分析

應用Pro/E三維建模軟件,對原過濾器傳動軸和結構優(yōu)化后過濾器傳動軸建立三維模型。在ANSYS Workbench有限元分析軟件中,對三維模型進行網格設置,生成用于分析的有限元模型。在有限元模型中,對過濾器傳動軸施加相同的邊界條件,并完成求解。

通過有限元分析,得到原過濾器傳動軸等效應力云圖和結構優(yōu)化后過濾器傳動軸等效應力云圖,分別如圖7、圖8所示。

由圖7可以看出,原過濾器傳動軸采用內側單鍵傳動結構,應力分布不均勻,在過濾器傳動軸的鍵槽根部應力集中較為嚴重,最大應力值達到3 623.1 MPa,已經大于材料的許用應力。由圖8可以看出,結構優(yōu)化后過濾器傳動軸采用內側雙鍵傳動結構,應力分布較為均勻,最大應力值為138.11 MPa,滿足材料的許用應力要求。

6 結束語

由分析可知,原過濾器傳動軸采用內側單鍵傳動結構不合理,過濾器傳動軸的材料及加工工藝選擇不當,導致過濾器傳動軸在使用過程中發(fā)生低應力斷裂失效。

將過濾器傳動軸結構優(yōu)化為內側雙鍵傳動,選擇316L不銹鋼作為結構優(yōu)化后過濾器傳動軸的材料,對內側雙鍵槽采用電火花加工,壓載水處理過程中,過濾器傳動軸未再發(fā)生斷裂失效。

針對過濾器傳動軸失效,需要做多方面綜合分析。在設計過程中,為了滿足零件的強度性能要求而盲目追求高強度材料,有時并不一定能保證結構安全可靠。應根據具體使用要求,在材料、結構、加工工藝等方面綜合權衡。