□ 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(shí)因自身攜帶大量微生物而會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。對(duì)此,國際海事組織大會(huì)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(yùn)船舶必須安裝壓載水處理系統(tǒng),并且達(dá)到公約要求的排放標(biāo)準(zhǔn)[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(yùn)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(guān)鍵設(shè)備。在壓載水處理過程中,過濾器傳動(dòng)軸發(fā)生斷裂失效,嚴(yán)重影響壓載水處理系統(tǒng)的正常運(yùn)行。由此,迫切需要對(duì)過濾器傳動(dòng)軸進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。過濾器傳動(dòng)軸失效情況如圖1所示。

2 結(jié)構(gòu)分析

在過濾器傳動(dòng)系統(tǒng)中,減速機(jī)輸出軸通過鍵將扭矩傳遞至傳動(dòng)軸,傳動(dòng)軸再將扭矩傳遞至過濾器上下吸污臂,實(shí)現(xiàn)上下吸污臂在濾芯上下兩端連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)及清污。過濾器傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

針對(duì)過濾器傳動(dòng)軸失效,有必要對(duì)過濾器傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,確定產(chǎn)生失效的關(guān)鍵因素,然后進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。文獻(xiàn)[2]對(duì)過濾器傳動(dòng)系統(tǒng)中軸鍵的失效進(jìn)行理論計(jì)算與有限元分析,得出減速機(jī)輸出軸、鍵的強(qiáng)度不足是過濾器傳動(dòng)系統(tǒng)失效的主要原因,并通過優(yōu)化鍵結(jié)構(gòu)、增大鍵長(zhǎng)度成功解決減速機(jī)輸出軸、鍵強(qiáng)度不足的問題。文獻(xiàn)[2]的研究成果對(duì)本文優(yōu)化過濾器傳動(dòng)軸有借鑒作用。

原過濾器傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)如圖3所示。傳動(dòng)軸的內(nèi)側(cè)設(shè)有傳遞扭矩的單鍵槽,單鍵槽的底部設(shè)有鍵槽加工的工藝圓孔。傳動(dòng)軸的外側(cè)設(shè)有固定傳動(dòng)軸的止動(dòng)鍵槽。原過濾器傳動(dòng)軸失效恰好發(fā)生在內(nèi)側(cè)單鍵槽與外側(cè)止動(dòng)鍵槽之間的區(qū)域。根據(jù)失效情況,基于使用性能要求,對(duì)過濾器傳動(dòng)軸的材質(zhì)進(jìn)行合理選用,并對(duì)過濾器傳動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)進(jìn)行如下優(yōu)化:

第一,將原過濾器傳動(dòng)軸的內(nèi)側(cè)單鍵傳動(dòng)優(yōu)化為內(nèi)側(cè)雙鍵傳動(dòng);

第二,取消原過濾器傳動(dòng)軸內(nèi)側(cè)單鍵槽底部的工藝圓孔及外側(cè)止動(dòng)鍵槽。

在優(yōu)化結(jié)構(gòu)的同時(shí),優(yōu)化過濾器傳動(dòng)軸內(nèi)側(cè)雙鍵槽的加工工藝。優(yōu)化后過濾器傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3 材料選擇分析

實(shí)際運(yùn)行過程中,傳動(dòng)軸完全浸泡于海水中,易受海水腐蝕。因此,選用傳動(dòng)軸的材料必須兼顧強(qiáng)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(xué)性能。雙相不銹鋼的鐵素體相具有抗應(yīng)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(diǎn)蝕當(dāng)量超過40%,可以稱為超級(jí)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(xué)性能,已在石油化工、海洋領(lǐng)域得到應(yīng)用[5-7]。過濾器傳動(dòng)軸的材料原本選擇SAF2507雙相不銹鋼,屈服強(qiáng)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(dǎo)致過濾器傳動(dòng)軸在使用過程中發(fā)生低應(yīng)力斷裂失效。

從滿足強(qiáng)度要求的角度考慮,過濾器傳動(dòng)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(yīng)選擇316L不銹鋼,因?yàn)閷?duì)于相同的裂紋尺寸,316L不銹鋼具有更高的斷裂應(yīng)力。SAF2507雙相不銹鋼與316L不銹鋼力學(xué)性能對(duì)比見表1。

表1 材料力學(xué)性能對(duì)比

綜合分析后,決定選擇316L不銹鋼作為結(jié)構(gòu)優(yōu)化后過濾器傳動(dòng)軸的材料。

4 加工工藝分析

內(nèi)鍵槽按結(jié)構(gòu)形式可以分為兩類,分別為通孔內(nèi)鍵槽、盲孔內(nèi)鍵槽。內(nèi)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(nèi)鍵槽一般采用插床、拉床和線切割加工。因?yàn)槭苎b夾和行程的限制,所以插床、線切割只能加工長(zhǎng)度較短、深度較淺的通孔內(nèi)鍵槽。對(duì)于深度較深的通孔內(nèi)鍵槽,可以采用拉削加工,但拉刀磨損較快,價(jià)格昂貴。對(duì)于盲孔內(nèi)鍵槽,可以采用插床、電火花加工,但是如果單件小批量生產(chǎn),成本較高[8]。

原過濾器傳動(dòng)軸的內(nèi)側(cè)單鍵槽為盲孔內(nèi)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(nèi)鍵槽的根部形成較大應(yīng)力集中區(qū)。隨著應(yīng)力集中區(qū)應(yīng)力的逐漸釋放,勢(shì)必會(huì)在盲孔內(nèi)鍵槽兩側(cè)面的根部產(chǎn)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(duì)稱度、形狀、表面質(zhì)量都難以保證。插削加工后盲孔內(nèi)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(dòng)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(chǎn)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(jié)構(gòu)優(yōu)化后過濾器傳動(dòng)軸內(nèi)側(cè)雙鍵槽同樣為盲孔內(nèi)鍵槽,電火花加工后盲孔內(nèi)鍵槽如圖6所示。

5 有限元分析

應(yīng)用Pro/E三維建模軟件,對(duì)原過濾器傳動(dòng)軸和結(jié)構(gòu)優(yōu)化后過濾器傳動(dòng)軸建立三維模型。在ANSYS Workbench有限元分析軟件中,對(duì)三維模型進(jìn)行網(wǎng)格設(shè)置,生成用于分析的有限元模型。在有限元模型中,對(duì)過濾器傳動(dòng)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(dòng)軸等效應(yīng)力云圖和結(jié)構(gòu)優(yōu)化后過濾器傳動(dòng)軸等效應(yīng)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(dòng)軸采用內(nèi)側(cè)單鍵傳動(dòng)結(jié)構(gòu),應(yīng)力分布不均勻,在過濾器傳動(dòng)軸的鍵槽根部應(yīng)力集中較為嚴(yán)重,最大應(yīng)力值達(dá)到3 623.1 MPa,已經(jīng)大于材料的許用應(yīng)力。由圖8可以看出,結(jié)構(gòu)優(yōu)化后過濾器傳動(dòng)軸采用內(nèi)側(cè)雙鍵傳動(dòng)結(jié)構(gòu),應(yīng)力分布較為均勻,最大應(yīng)力值為138.11 MPa,滿足材料的許用應(yīng)力要求。

6 結(jié)束語

由分析可知,原過濾器傳動(dòng)軸采用內(nèi)側(cè)單鍵傳動(dòng)結(jié)構(gòu)不合理,過濾器傳動(dòng)軸的材料及加工工藝選擇不當(dāng),導(dǎo)致過濾器傳動(dòng)軸在使用過程中發(fā)生低應(yīng)力斷裂失效。

將過濾器傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)優(yōu)化為內(nèi)側(cè)雙鍵傳動(dòng),選擇316L不銹鋼作為結(jié)構(gòu)優(yōu)化后過濾器傳動(dòng)軸的材料,對(duì)內(nèi)側(cè)雙鍵槽采用電火花加工,壓載水處理過程中,過濾器傳動(dòng)軸未再發(fā)生斷裂失效。

針對(duì)過濾器傳動(dòng)軸失效,需要做多方面綜合分析。在設(shè)計(jì)過程中,為了滿足零件的強(qiáng)度性能要求而盲目追求高強(qiáng)度材料,有時(shí)并不一定能保證結(jié)構(gòu)安全可靠。應(yīng)根據(jù)具體使用要求,在材料、結(jié)構(gòu)、加工工藝等方面綜合權(quán)衡。