壓載水過濾器傳動軸失效的分析

□ 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,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中的關鍵設備。在壓載水處理過程中,過濾器傳動軸發生斷裂失效,嚴重影響壓載水處理系統的正常運行。由此,迫切需要對過濾器傳動軸進行優化改進。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運轉及清污。過濾器傳動系統結構如圖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,然后進行結構優化。文獻[2]對過濾器傳動系統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失效的主要原因,并通過優化鍵結構、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生在內側單鍵槽與外側止動鍵槽之間的區域。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化:

第一,將原過濾器傳動軸的內側單鍵傳動優化為內側雙鍵傳動;

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。

在優化結構的同時,優化過濾器傳動軸內側雙鍵槽的加工工藝。優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雙相不銹鋼具有優異的耐蝕性能和優良的綜合力學性能,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。隨著應力集中區應力的逐漸釋放,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生低應力斷裂失效。

將過濾器傳動軸結構優化為內側雙鍵傳動,選擇316L不銹鋼作為結構優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。