高速軸離合器失效分析與改進(jìn)措施研究

侯秀舉，邱曉峰，鄒 波，鄒 斌，劉志平

(武漢船用機(jī)械有限責(zé)任公司， 湖北 武漢 430084)

0 引言

離合器是主、從動(dòng)部分在同軸線上傳遞動(dòng)力或運(yùn)動(dòng)時(shí)，具有接合或分離功能的裝置[1]，其離合功能可以靠嵌合、摩擦等方式實(shí)現(xiàn)。一般離合器接合時(shí)利用摩擦副之間機(jī)械摩擦力把功率和扭矩從主動(dòng)部件傳到從動(dòng)部件，帶動(dòng)工作機(jī)運(yùn)行；離合器分離時(shí)，傳動(dòng)系統(tǒng)的主動(dòng)部件和從動(dòng)部件分開，使傳動(dòng)系統(tǒng)分為兩個(gè)系統(tǒng)，從而使主機(jī)可以空載啟動(dòng)，減少主機(jī)的啟動(dòng)負(fù)荷。

離合器按照動(dòng)作的過程可分為操縱式(必須通過操作元件才具有接合或分離功能)和自控式(在主動(dòng)部分或從動(dòng)部分某些性能參數(shù)變化時(shí)，接合元件具有接合或分離功能的離合器)[2]。操縱式又分為機(jī)械離合器、電磁離合器、液壓離合器和氣動(dòng)離合器，船舶推進(jìn)系統(tǒng)中使用比較多的是液壓離合器和氣動(dòng)離合器這兩種[3]。液壓離合器通過液壓方式來控制離合器的接合和分離，具有傳遞扭矩能力大而體積小、啟動(dòng)沖擊小、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、系統(tǒng)散熱性和耐磨性好等特點(diǎn)，但是接脫排頻次和響應(yīng)速度不及氣動(dòng)離合器，也比較容易發(fā)生泄漏；而氣動(dòng)離合器是采用空氣方式來控制離合器的接合和分離的，具有接脫排響應(yīng)時(shí)間快、控制簡(jiǎn)單、無污染等特點(diǎn)，但是啟動(dòng)沖擊大、承載能力相對(duì)液壓離合器也差些。

船舶推進(jìn)領(lǐng)域中離合器使用工況比較復(fù)雜和惡劣，離合器性能穩(wěn)定對(duì)于整個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)的安全運(yùn)行起到關(guān)鍵作用。本文結(jié)合某項(xiàng)目中離合器出現(xiàn)的問題，對(duì)其失效原因進(jìn)行系統(tǒng)分析，從離合器結(jié)構(gòu)上進(jìn)行優(yōu)化與改進(jìn)。

1 工程問題概述

某自升式海洋輔助平臺(tái)上安裝2套Z型全回轉(zhuǎn)舵槳裝置作為主推進(jìn)裝置?；趦r(jià)格和船檢認(rèn)可等因素，選用CW16V200ZC柴油機(jī)(功率1 760 kW，轉(zhuǎn)速1 000 r/min)作為全回轉(zhuǎn)舵槳推進(jìn)軸系的動(dòng)力源。該型號(hào)主機(jī)主要用于發(fā)電機(jī)組，作為推進(jìn)主機(jī)尚屬首次。主機(jī)通過空氣馬達(dá)啟動(dòng)，在試航時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)啟動(dòng)馬達(dá)損壞的問題，而主機(jī)生產(chǎn)廠家聲明主機(jī)啟動(dòng)負(fù)荷不能大于2 kW，否則將直接導(dǎo)致啟動(dòng)馬達(dá)損壞，并有可能影響主機(jī)內(nèi)部系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壽命，將不對(duì)后續(xù)的售后服務(wù)負(fù)責(zé)。事實(shí)上，主機(jī)啟動(dòng)加載整個(gè)軸系和舵槳軸帶液壓的負(fù)載。

在主機(jī)廠家不允許修改情況下，為從根本上解決該型號(hào)主機(jī)使用上的限制，在主機(jī)飛輪輸出端和高速中間軸系(即主機(jī)的負(fù)載)之間設(shè)置WSH21OC300氣動(dòng)推盤式離合器，以保證主機(jī)實(shí)現(xiàn)空載啟動(dòng)，怠速400 r/min合排后再驅(qū)動(dòng)高速軸系和機(jī)帶泵?？傮w布置見圖1。

該氣動(dòng)離合器總成主要包含氣動(dòng)離合器、徑向配氣機(jī)構(gòu)、支撐殼體、支承軸承、氣控系統(tǒng)和冷卻潤(rùn)滑系統(tǒng)等部分，見圖2。氣控系統(tǒng)通過離合器內(nèi)部的徑向配氣機(jī)構(gòu)控制壓縮空氣來控制接脫排。接排空氣壓力為0.7～0.9 MPa。氣動(dòng)離合器的徑向配氣機(jī)構(gòu)由六道唇形密封組成，其中中間的兩道密封唇口相對(duì)，以保證控制空氣氣路的密封，見圖3。

圖1 全回轉(zhuǎn)舵槳裝置總體布置圖

圖2 氣動(dòng)離合器總成示意圖

圖3 氣動(dòng)離合器徑向配氣機(jī)構(gòu)

配氣機(jī)構(gòu)中的密封環(huán)與高速軸在旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量。為降低密封環(huán)的溫度，延長(zhǎng)其使用壽命，在壓力空氣腔兩側(cè)增加一個(gè)獨(dú)立的海水冷卻腔進(jìn)行循環(huán)冷卻，且為避免徑向配氣機(jī)構(gòu)中殘余海水的腐蝕，該海水冷卻腔要求在高合器停止工作后切換至淡水進(jìn)行沖洗。

平臺(tái)交付后，氣動(dòng)離合器在使用不久后出現(xiàn)了運(yùn)行不穩(wěn)定、徑向配氣機(jī)構(gòu)漏水和軸承腐蝕損壞等質(zhì)量問題，進(jìn)而導(dǎo)致離合器失效，最終平臺(tái)喪失動(dòng)力，給平臺(tái)運(yùn)行帶來很大安全隱患。

2 離合器失效原因分析

2.1 徑向進(jìn)氣密封裝置對(duì)壓力太敏感

冷卻潤(rùn)滑系統(tǒng)進(jìn)入徑向配氣機(jī)構(gòu)冷卻海水和沖洗用淡水的壓力是通過三通球閥后的節(jié)流閥來進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制的，并通過壓力表來觀察。其控制工作原理見圖4。

圖4 氣動(dòng)離合器控制原理圖

兩種冷卻介質(zhì)在壓力相同情況下，通過首次節(jié)流閥調(diào)節(jié)就可以保證冷卻系統(tǒng)的壓力和正常使用。但如果海水和淡水的水路壓力相差較大，就需要先關(guān)閉節(jié)流閥再切換水路，然后慢慢調(diào)節(jié)節(jié)流閥使進(jìn)入到配氣機(jī)構(gòu)的水壓慢慢升高，直到達(dá)到要求的水壓值(≤0.15 MPa，可通過壓力表讀取)。

從圖3看出，徑向配氣機(jī)構(gòu)采用了多道唇形旋轉(zhuǎn)密封圈，不論是哪道密封損壞都會(huì)導(dǎo)致離合器工作失效。這種旋轉(zhuǎn)密封圈允許的工作壓力一般不高于0.15 MPa[4]，而在實(shí)際工作中很難控制冷卻水的壓力和流量，極易出現(xiàn)水壓過高導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)密封圈失效的情況，進(jìn)而導(dǎo)致海水對(duì)離合器裝置內(nèi)部的腐蝕。

2.2 徑向進(jìn)氣密封裝置對(duì)海水的清潔度太敏感

徑向配氣機(jī)構(gòu)正常工作時(shí)采用經(jīng)過平臺(tái)過濾系統(tǒng)過來的海水進(jìn)行冷卻旋轉(zhuǎn)密封，海水中含有一定的鹽分和雜質(zhì)等[4]。如果停機(jī)后沒有及時(shí)或者徹底用淡水進(jìn)行沖洗，旋轉(zhuǎn)密封中殘存的海水中的鹽分或雜質(zhì)會(huì)在密封腔室內(nèi)部形成結(jié)晶或沉積，下次再啟動(dòng)使用時(shí)會(huì)導(dǎo)致密封磨損加速，密封壽命大大減短。同時(shí)，該平臺(tái)屬于海工輔助生活平臺(tái)，全回轉(zhuǎn)舵槳裝置經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)使用后又停用很久的情況，殘余的鹽分或雜質(zhì)會(huì)進(jìn)一步腐蝕配氣機(jī)構(gòu)[5]。

2.3 海水泄漏對(duì)零部件腐蝕

氣動(dòng)離合器采用海水進(jìn)行冷卻和淡水沖洗，如果密封腔室發(fā)生泄漏，海水或淡水將會(huì)直接進(jìn)入氣動(dòng)離合器內(nèi)部，對(duì)軸承及離合器摩擦片等造成腐蝕，導(dǎo)致軸承磨損高溫和破損等現(xiàn)象。從現(xiàn)場(chǎng)反饋裝配看，徑向配氣機(jī)構(gòu)的軸承就因?yàn)楹Ｋg導(dǎo)致銹蝕進(jìn)而完全破碎。

3 優(yōu)化改進(jìn)方案

(1)由于海水的腐蝕性和清潔度的原因，改用液壓油作為冷卻潤(rùn)滑介質(zhì)。

(2)冷卻潤(rùn)滑介質(zhì)如果采用液壓油，則采用液壓驅(qū)動(dòng)離合器更為方便，否則需要考慮獨(dú)立的氣、液控制與潤(rùn)滑系統(tǒng)。

(3)離合器靠近主機(jī)，工作環(huán)境比較惡劣，軸系的振動(dòng)較大，高速旋轉(zhuǎn)的線速度也很高，普通的唇形旋轉(zhuǎn)密封很難可靠工作。為了提高裝置的安全可靠性，采用間隙機(jī)械密封是最佳的選擇。通過計(jì)算分析，選取合理的配合間隙(最佳間隙為0.07～0.09 mm)。這樣配油機(jī)構(gòu)與高速軸處于浮動(dòng)狀態(tài)，既保證了配油機(jī)構(gòu)良好的冷卻潤(rùn)滑又保證了控制油壓的穩(wěn)定建立。配油機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)見圖5。

圖5 液壓離合器配油機(jī)構(gòu)

(4)根據(jù)各部位潤(rùn)滑油量和泄漏油量，以及離合器的控制速度和壓力等設(shè)計(jì)合理的液壓系統(tǒng)。

保證接口尺寸和外形尺寸不變，優(yōu)化后方案見圖6。優(yōu)化前后離合器主要特點(diǎn)對(duì)比見表1。

圖6 優(yōu)化后浮動(dòng)式配油機(jī)構(gòu)離合器總圖

表1 優(yōu)化前后離合器主要特點(diǎn)對(duì)比

4 結(jié)語

項(xiàng)目整改完成后，按照船級(jí)社認(rèn)可的試驗(yàn)大綱對(duì)該平臺(tái)裝置進(jìn)行了系泊試驗(yàn)和航行試驗(yàn)，主要開展了額定負(fù)荷試驗(yàn)、超負(fù)荷試驗(yàn)、正倒車試驗(yàn)、緊急制動(dòng)等試驗(yàn)，試驗(yàn)期間液壓離合器運(yùn)行正?？煽?，同時(shí)裝置在實(shí)際的運(yùn)營(yíng)過程中也一直正常工作。