一.葉輪機械結(jié)構(gòu)解析
給耐腐蝕泵葉輪由前蓋板、后蓋板、葉片、輪轂等零部件構(gòu)成。葉片與前蓋板接口的尖角設(shè)計方案狹窄,易于造成應(yīng)力集中。在各種載荷的相互作用下,葉片拉伸,其與前蓋板的連接處形成一個超負(fù)荷的應(yīng)力,造成連接處反向收縮形成裂痕。
1.斷口形貌解析
從葉輪上切下一個葉片樣品,觀察裂紋從葉片端擴展到后蓋板和葉片與輪轂的接頭。實際上,裂紋的總長度是70~80mm。從葉片斷面觀察到與裂紋擴展方向垂直的疲勞步驟,這是金屬疲勞斷裂的基本宏觀特征。用掃描電鏡觀察了斷裂表面,清晰地觀察了疲勞階段形成的海灘圖。低滑系數(shù)鋼材的疲勞條紋越來越短、越來越小,葉輪的轉(zhuǎn)速越來越高,因此很難觀察典型的疲勞條紋。但是,刀片的斷裂面是直的,斷裂面上有一個由疲勞弧形成的海灘圖案。
2.依據(jù)本文的解析,葉片形成裂痕因素匯總?cè)缦?/span>:
刀尖角的設(shè)計方案太窄,刀尖角的剛度由于制造偏差而低于設(shè)計值。在各種載荷的綜合作用下,葉片局部應(yīng)力集中。通過對斷裂形態(tài)的分析,證實了二次葉輪葉片裂紋是由脆性疲勞引起的。
二.葉輪結(jié)構(gòu)改善
1.葉片、后蓋板厚度
化工泵老葉輪葉片設(shè)計厚度為5mm,新葉輪葉片設(shè)計厚度為7mm,老葉輪背蓋板設(shè)計厚度為5mm,新葉輪背蓋板設(shè)計厚度為8.6mm。由于葉片剛度和強度增大,實測值高于設(shè)計值,因此在理論上葉輪強度應(yīng)高于設(shè)計值。
2.葉片前緣總長度
為解決耐腐蝕化工泵的問題,新型二級葉輪將葉片前緣縮短到葉輪內(nèi)徑處,生根位置增加至前、后蓋板兩處,加工難度小,厚度尺寸控制精度高。縮短了葉片前緣的總長度,消除了尖角,大大減輕了應(yīng)力集中問題。
3.葉片受力有限元分析
由于設(shè)計方案較短,在正常運行、小流量運行和超速運行下,老葉輪葉片進(jìn)口角處的峰值應(yīng)力超過了葉片材料的拉伸強度。而設(shè)計方案優(yōu)化后的新型葉輪葉片局部峰值應(yīng)力大大降低,大為254MPa,遠(yuǎn)低于屈服強度設(shè)計方案值,解決了葉片尖角處抗拉強度不足的問題,滿足設(shè)計方案要求。