绞吸挖泥船泥泵泵轴的断裂事故时有发生,直接影响疏浚工程的进度和效益.以厦门机场大小嶝造地工程为背景,3500 m3/h绞吸挖泥船的泥泵轴系为研究对象,建立了泥泵在流量11000 m3/h、泥砂粒径0.7 mm、混合物体积浓度20％工况下的疲劳寿命预测模型.通过对泥泵运转过程中的多相流场数值分析和对泥泵轴系瞬态动应力响应分析,提取泵轴关键节点处的应力时间历程数据,结合S-N曲线法和线性累积损伤原理,分析泵轴时域疲劳特性,预测相应工况下的泥泵轴系疲劳寿命.以此为基础,为进一步优化施工工艺和提升泵轴运转寿命提供建议.

以泥泵泵轴为研究对象,在Workbench中建立泵轴三维有限元模型,对泵轴进行应力分析及轴头局部结构优化.对轴头网格进行细化并开展网格无关性分析,得到轴头应力分布情况和最大应力值.以轴头轴肩圆角、轴肩距离、螺纹起始角、螺纹起始圆角等4个关键尺寸为优化参数,以轴头螺纹最大应力值最小和轴头形变量最小为目标函数,应用遗传优化算法进行轴头特征尺寸优化设计.优化后的方案与原设计相比,螺纹起始角明显下降,螺纹过渡更加平缓,泵轴轴头最大应力减小了14.6％,且最大应力点位置由比较危险的螺纹起始端偏移至第2道螺纹处,有效改善了轴头受力情况.

针对挖泥船泥泵轴疲劳断裂问题,研究基于流场非定常数值模拟、轴系瞬态有限元计算、应力-疲劳寿命修正模型下的泥泵轴疲劳寿命预测方法,并据此计算分析泥沙粒径、输送浓度以及叶轮局部磨损对泥泵轴疲劳寿命的影响.计算结果表明,随泥沙粒径与输送浓度的增大,泵轴疲劳寿命均呈对数规律降低,可根据计算结果合理调整泥泵轴系检修周期;叶轮局部磨损会造成泵轴疲劳寿命的显著下降,施工中应注意磨损叶轮的及时修复.

泥泵轴端螺纹根部有较严重的应力集中效应,使得螺纹根部局部应力较大,在交变载荷作用下,泵轴易发生疲劳破坏,影响工程进度及经济效益.以某绞吸挖泥船舱内泵的轴端螺纹为研究对象,在ANSYS中建立泵轴端部二维轴对称有限元模型,计算了螺纹根部的局部最大应力及相应的应力集中系数,分析了螺纹根部倒角半径、螺纹牙高、螺距和螺纹位置对应力集中系数的影响.结果表明,应力集中系数随螺纹根部倒角半径的减小而增大;螺纹牙高度对应力集中系数的影响不大,可忽略;应力集中系数和螺距线性正相关;适当增大螺纹与轴肩间距有利于减小应力集中系数.本文计算所得应力集中系数可用于修正材料的S-N(应力-寿命)曲线,从而提高泵轴疲劳寿命预报的精确度,各因素的影响规律可为泵轴结构优化设计提供参考.