2300型壓裂車散熱系統變量泵損壞分析

韓旭輝 王海軍

摘要：針對壓裂車變量泵花鍵軸及軸套失效問題，分別從硬度分析、安裝形式分析、部件結構分析等方面開展了分析研究，查找出變量泵花鍵軸與軸套之間的固定是主要原因，同時對部件結構、裝配提出改進要求，解決變量泵損壞問題。

關鍵詞：壓裂車;變量泵;故障分析

2300型壓裂車是我公司于2017年投入使用的最大水馬力壓裂設備，該套設備國內制造，投入進行初步調試使用后，在出現的設備故障中，該車型臺上散熱系統液壓變量泵故障為該套設備常見問題，多次故障導致變量泵維修，影響了正常生產進度。

2300型壓裂車的散熱系統采用臥式結構冷卻系統，通過變量泵驅動液壓風扇馬達帶動風扇工作，實現發動機、傳動箱和壓裂泵等油、水系統的冷卻。所使用的變量泵為力士樂 A4VG180DT1/32L-NZD02F001P，該泵廣泛使用與設備液壓取力系統，是民用領域功能及質量較為先進的取力泵。

2300壓裂車現場使用過程中出現多起變量泵故障的問題，影響設備正常作業，針對變量泵損壞故障原因進分析，提出解決方案，為壓裂車散熱系統長時間有效工作提供了保障。

一、故障原因分析

（一）變量泵損壞情況統計

通過對2018年、2019年2300壓裂車變量泵損壞問題進行收集、分析，損壞情況主要分為一下三類：

1.變量泵與花鍵套之間的蓋板連接螺絲松動脫落。

2.變量泵花鍵軸與花鍵套損壞。

3.變量泵與發動機連接齒盤損壞。

通過對設備兩年使用過程中變量泵出現的問題進行分析，連接螺絲松動占比60%，花鍵軸及花鍵套損毀占比30%，齒盤損壞占比10%。

（二）原因分析

（三）變量泵部件材料硬度分析

查詢變量泵設計要求，對花鍵軸及軸套等進行硬度試驗，經測定變量泵花鍵軸表面硬度HRC4-56.5（要求硬度HRC49.1～52.3），軸套表面硬度HRC29.4-31.2（要求硬度HRC29.2～34.2），花鍵軸及軸套硬度符合技術要求，但是花鍵軸表面硬度高于軸套表面硬度。

兩者表面硬度均符合要求，且花鍵軸表面硬度更高，出現故障時最先磨損的是花鍵套，有利于保護變量泵花鍵軸不受損壞。

（四）變量泵安裝形式分析

2300壓裂車變量泵安裝在發動機飛輪端，變量泵花鍵軸通過軸套與齒盤連接，兩者之間通過螺絲連接，齒盤與發動機飛輪端內齒盤嚙合傳輸動力。

通過對安裝結構分析，花鍵軸與軸套之間采用一根螺絲進行連接，該螺絲無鎖緊裝置，且為正扣。發動機帶動變量泵運轉過程中，連接螺絲因震動等因素出現松動，導致花鍵軸與軸套出現軸向位移，嚙合部位變小，單位面積受力變大。同時花鍵套在運轉過程中會出現徑向位移，導致花鍵軸與軸套不同心。軸向及徑向應力不均勻，在高轉速下，加劇了變量泵花鍵軸及軸套的磨損。變量泵失效，風扇馬達驅動失效，風扇停轉后，臺上散熱系統出現高溫。

（五）部件結構分析

通過拆解查看，變量泵花鍵軸與軸套只有一半嚙合工作（圖五），在連接螺絲松動或者脫落時，由于軸向位移，導致嚙合面積會更小，花鍵軸及軸套單位面積受力變大，極易導致兩者磨損。

二、故障結論

1.通過上述分析，變量泵本體及花鍵軸并無問題，且在多次故障過程周變量泵本體未出現故障，且該型號變量泵應用廣泛，設備生產廠家及維修人員對該型號泵的質量都進行驗證，可以排除變量泵質量問題。

2.通過拆解拆看及損壞情況分析，變量泵損壞時均出現連接螺絲脫落的現象，且螺絲脫落后會引起軸套軸向、徑向位移，導致嚙合面積減小，嚙合部位受力不均，加速花鍵軸與軸套磨損。

3.變量泵花鍵軸為成品件，與軸套只有一半相互嚙合工作，螺絲松動使得嚙合面積進一步減小。

三、改進建議

1.花鍵軸與鍵套嚙合面過短，間隙配合面僅前半部分嚙合，嚙合面承受較大的徑向力，加速了花鍵軸及軸套的磨損，造成配合間隙增大，影響變量泵的使用的使用壽命。

改進措施：按照設計要求重新加工花鍵軸，加大花鍵軸與軸套的接觸面積，可以降低單位面積的受力，延長花鍵軸及軸套使用時間。

（一）改進花鍵軸與軸套連接形式，可以通過增加鎖片、擋板、將連接螺絲設計為反扣的形式，避免變量泵使用過程中螺絲松動的現象，可以從根本上解決變量泵損壞頻繁的問題。

（二）采用的聯軸器其主要材質為橡膠。在野外環境中，保養不到位會影響動力傳遞的穩定性和其使用壽命。

如將傳動方式改換為傳動軸萬向節連接，結構簡單可靠，傳動效率穩定，維護和更換方便快捷，使用壽命較長。同時，維修材料相對易獲得，采購周期短，價格相對比較便宜。