3 500 方绞吸挖泥船水下泥泵轴系启动性能的分析

郭 贵， 武永顶

（1.中交上海航道装备工业有限公司， 上海 201208； 2.中交疏浚技术装备国家工程研究中心有限公司，上海 201208）

1 研究背景

在绞吸挖泥船中，疏浚泥泵主轴一端带动叶轮旋转进行工作，另一端通过离合器与发动机相连接。主轴在启动阶段与离合器接合时会产生较大的扭矩，轴系在此时的受载情况较为恶劣，因此，以3 500方绞挖泥船泥泵轴系为研究对象，分析泥泵轴系在启动条件下的性能具有重要的意义。

2 基本理论

柴油机连接发电机，发电机给电柜箱供电，电柜箱给电动机供电，电动机驱动泵启动；启动时，电动机与泵轴联接，从0 开始加速至某一固定转速，电柜箱显示的输出功率除去电机自身、传动损耗，总计约10%，全部转化为泵轴转矩。泵轴转矩一方面提供给泵自身做功，另一方面用于泵加速旋转。可见，泥泵启动过程所需时间是由电动机输出功率，以及泥泵管路系统的特性所确定。

泵自身做功所需的功率满足转速相似定律。泥泵最大角转速为rmax，柴油机最大角转速为Rmax，启动后柴油机角转速为R1，则启动结束后泵角转速r1：

电机需要提供的加速转矩M1为泵匀角加速度α 与泵叶轮（满水、含轴）转动惯量It的乘积：

电机需要提供的泵加速功率P1为加速转矩M1与泵当前角转速r0的乘积：

电机需要提供的泵输出功率P2为：

式中：r额为额定角转速度；P额为泵额定功率；k为放大系数1.5。

3 实例工况启动性能的分析

3.1 实船数据的分析

分别分析疏浚船泥泵轴系在稳定工况下的受载性能和启动工况下的受载性能。

已知：DRC172-850 水下泵叶轮充满水后的转动惯量I=1 355 kg·m2，含泵轴后转动惯量It=1 450 kg·m2，泵清水额定转速n=330 r/min（即34.56 rad/s）,额定清水功率P=1 500 kW。

经实船测试统计，统计实船测试的部分数据见下表1：

表1 3500 方疏浚船稳定运行过程数据

带入稳定时功率与转速均值，泵轴稳定满负荷工作时承受转矩约为45 kN·m。

泵匀加速启动过程所受载情况如下：

泵启动过程为匀速启动，且忽略启动过程中泵轴受轴承、衬套的影响。所以泵匀速启动过程，电柜输出功率可为（P1+P2）/0.9，得到其如下页图1 所示的功率曲线。

下页表2 中说明泵启动过程中，最大的负载为满负载转矩的24.31 倍，考虑粗大误差的影响，泵轴所承受的最大转矩至少为满负荷时的6.5 倍。

3.2 有限元法对轴受力的仿真

上文可知，计算出泵轴承受的较大转矩为293.78 kN·m 和1 112.27 kN·m。现针对这两个转矩载荷进行稳态仿真计算，泵轴的材质42CrMo。

图1 水下泵电机需要的输出功率

表2 3500 方疏浚船水下泵启动过程参数

3.2.1.1 泵轴承受转矩293.78 kN·m 时

当泵轴承受转矩为293.78 kN·m 时，应力图如图2 所示，应力值较大基本集中在轴肩圆角和轴上凹槽处。轴上其他部位基本处于相当安全的应力范围内。

图2 转矩293.78 kN·m 时泵轴应力图

实际工况中，轴头部分是危险处，是主要的失效部位，可能是由于泵叶轮施加在轴头上瞬态交变的叶轮及水的自重作用以及泵叶轮振动对轴头缩径位置导致此位置的疲劳损伤更大于图2 位置。本次计算是稳态计算，没有考虑交变作用力的疲劳效应，主要考虑施加扭矩后轴头处的应力分布，轴头部分的应力显示如下：

轴头部分，从左至右，轴肩处应力大小为255.5 MPa，与轴套接触的两个冷却凹槽应力大小分别为208.6 MPa 和199.01 MPa，最后与叶轮配合轴头的轴肩处有较大的应力，约为311.8 MPa。

轴材料42CrMo，屈服强度930 MPa，轴头部分应力最大处位于叶轮配合轴头的轴肩处，瞬间载荷约为扭转屈服强度的0.33 倍。

3.2.1.2 泵轴承受转矩1 112.27 kN·m

当泵轴承受转矩为1 112.27 kN·m 时，较大应力值基本集中在轴的各个轴肩圆角和轴上凹槽处。轴上其他部位基本处于相当安全的应力范围内。

同样，主要关注轴头部分的应力结果, 轴头部分，从左至右，轴肩处应力大小为908.9 MPa，与轴套接触的两个冷却凹槽应力大小分别为818.76 MPa和710.25 MPa，最后与叶轮配合轴头的轴肩处有较大的应力，约为1 135.5 MPa。

轴材料42CrMo，屈服强度930 MPa，则与屈服强度的倍数关系如表3。

表3 应力与屈服强度的倍数关系

轴头部分应力最大处处于叶轮配合轴头的轴肩处，瞬间载荷约为扭转屈服强度的1.22 倍。

最大应力为屈服强度的1.22 倍，超出了屈服强度，泵轴失效。

4 结论

1）泵轴在启动的过程中，所受载荷远远高出泵轴稳定运行时的大小，实船数据分析中，泵启动过程中，泵轴所承受的最大转矩至少为满负荷时的6.5倍，并且可能为20 多倍。

2）泵轴启动时瞬间载荷较大，泥泵水下泵轴的最危险截面位于轴头轴肩处，该处为最有可失效点，应加大安全系数。