压载水过滤器传动轴失效的分析

□ 李洪波 □ 侯宗宗 □ 张 辉 □ 曲瑞波

洛阳船舶材料研究所 河南洛阳 471000

1 失效情况

压载水是保证船舶航行安全的重要措施,压载水抽取与排放时因自身携带大量微生物而会对环境造成污染。对此,国际海事组织大会通过了《船舶压载水及其沉积物管理和控制的国际公约》。这一公约的制定意味着国际航运船舶必须安装压载水处理系统,并且达到公约要求的排放标准[1],这样才能在所到港口国停泊。如何保证压载水处理系统的正常运行,成为重要的研究课题。

过滤器是压载水处理系统中的关键设备。在压载水处理过程中,过滤器传动轴发生断裂失效,严重影响压载水处理系统的正常运行。由此,迫切需要对过滤器传动轴进行优化改进。过滤器传动轴失效情况如图1所示。

2 结构分析

在过滤器传动系统中,减速机输出轴通过键将扭矩传递至传动轴,传动轴再将扭矩传递至过滤器上下吸污臂,实现上下吸污臂在滤芯上下两端连续运转及清污。过滤器传动系统结构如图2所示。

针对过滤器传动轴失效,有必要对过滤器传动系统的结构进行分析,确定产生失效的关键因素,然后进行结构优化。文献[2]对过滤器传动系统中轴键的失效进行理论计算与有限元分析,得出减速机输出轴、键的强度不足是过滤器传动系统失效的主要原因,并通过优化键结构、增大键长度成功解决减速机输出轴、键强度不足的问题。文献[2]的研究成果对本文优化过滤器传动轴有借鉴作用。

原过滤器传动轴结构如图3所示。传动轴的内侧设有传递扭矩的单键槽,单键槽的底部设有键槽加工的工艺圆孔。传动轴的外侧设有固定传动轴的止动键槽。原过滤器传动轴失效恰好发生在内侧单键槽与外侧止动键槽之间的区域。根据失效情况,基于使用性能要求,对过滤器传动轴的材质进行合理选用,并对过滤器传动轴的结构进行如下优化:

第一,将原过滤器传动轴的内侧单键传动优化为内侧双键传动;

第二,取消原过滤器传动轴内侧单键槽底部的工艺圆孔及外侧止动键槽。

在优化结构的同时,优化过滤器传动轴内侧双键槽的加工工艺。优化后过滤器传动轴结构如图4所示。

3 材料选择分析

实际运行过程中,传动轴完全浸泡于海水中,易受海水腐蚀。因此,选用传动轴的材料必须兼顾强度和耐蚀性。双相不锈钢由铁素体和奥氏体组成,具有良好的耐蚀性和力学性能。双相不锈钢的铁素体相具有抗应力腐蚀和缝隙腐蚀的性能,耐腐蚀性能优于普通奥氏体不锈钢。双相不锈钢的奥氏体相具有延展性和韧性。

SAF2507双相不锈钢的耐点蚀当量超过40%,可以称为超级双相不锈钢[3-4]。SAF2507双相不锈钢具有优异的耐蚀性能和优良的综合力学性能,已在石油化工、海洋领域得到应用[5-7]。过滤器传动轴的材料原本选择SAF2507双相不锈钢,屈服强度较高,能够满足使用要求,但是断裂韧性较低。键槽的加工工艺原本选择插削加工工艺,存在一定的加工缺陷,导致过滤器传动轴在使用过程中发生低应力断裂失效。

从满足强度要求的角度考虑,过滤器传动轴材料选择SAF2507双相不锈钢比选择316L不锈钢好,但若考虑断裂韧性较低的缺陷,则应选择316L不锈钢,因为对于相同的裂纹尺寸,316L不锈钢具有更高的断裂应力。SAF2507双相不锈钢与316L不锈钢力学性能对比见表1。

表1 材料力学性能对比

综合分析后,决定选择316L不锈钢作为结构优化后过滤器传动轴的材料。

4 加工工艺分析

内键槽按结构形式可以分为两类,分别为通孔内键槽、盲孔内键槽。内键槽的加工方式主要有插削、拉削、线切割、电火花加工等。通孔内键槽一般采用插床、拉床和线切割加工。因为受装夹和行程的限制,所以插床、线切割只能加工长度较短、深度较浅的通孔内键槽。对于深度较深的通孔内键槽,可以采用拉削加工,但拉刀磨损较快,价格昂贵。对于盲孔内键槽,可以采用插床、电火花加工,但是如果单件小批量生产,成本较高[8]。

原过滤器传动轴的内侧单键槽为盲孔内键槽,加工方式选择插削,加工过程中存在较大的冲击力,易于在盲孔内键槽的根部形成较大应力集中区。随着应力集中区应力的逐渐释放,势必会在盲孔内键槽两侧面的根部产生裂纹缺陷。另一方面,采用插削加工的键槽,键槽的宽度精度、对称度、形状、表面质量都难以保证。插削加工后盲孔内键槽如图5所示。由分析可见,采用插削加工降低了过滤器传动轴的性能。

电火花加工主要采用棒状或管状电极,利用工具电极与零件间脉冲放电所产生的电蚀作用,蚀除零件材料,是一种特种加工方法[9]。电火花加工属于精密加工,所加工零件的尺寸公差、形位公差都能得到很好的保证。结构优化后过滤器传动轴内侧双键槽同样为盲孔内键槽,电火花加工后盲孔内键槽如图6所示。

5 有限元分析

应用Pro/E三维建模软件,对原过滤器传动轴和结构优化后过滤器传动轴建立三维模型。在ANSYS Workbench有限元分析软件中,对三维模型进行网格设置,生成用于分析的有限元模型。在有限元模型中,对过滤器传动轴施加相同的边界条件,并完成求解。

通过有限元分析,得到原过滤器传动轴等效应力云图和结构优化后过滤器传动轴等效应力云图,分别如图7、图8所示。

由图7可以看出,原过滤器传动轴采用内侧单键传动结构,应力分布不均匀,在过滤器传动轴的键槽根部应力集中较为严重,最大应力值达到3 623.1 MPa,已经大于材料的许用应力。由图8可以看出,结构优化后过滤器传动轴采用内侧双键传动结构,应力分布较为均匀,最大应力值为138.11 MPa,满足材料的许用应力要求。

6 结束语

由分析可知,原过滤器传动轴采用内侧单键传动结构不合理,过滤器传动轴的材料及加工工艺选择不当,导致过滤器传动轴在使用过程中发生低应力断裂失效。

将过滤器传动轴结构优化为内侧双键传动,选择316L不锈钢作为结构优化后过滤器传动轴的材料,对内侧双键槽采用电火花加工,压载水处理过程中,过滤器传动轴未再发生断裂失效。

针对过滤器传动轴失效,需要做多方面综合分析。在设计过程中,为了满足零件的强度性能要求而盲目追求高强度材料,有时并不一定能保证结构安全可靠。应根据具体使用要求,在材料、结构、加工工艺等方面综合权衡。