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        液力偶合器油管斷裂故障的技術(shù)分析及改進(jìn)

        2015-01-08 03:39:30陸傳榮顧智超杜言峰李建軍
        傳動(dòng)技術(shù) 2015年1期
        關(guān)鍵詞:偶合器管接頭液力

        陸傳榮 何 柳 李 唐 顧智超 杜言峰 李建軍

        (1.駐七一一研究所代表室,上海 200090;2.七一一研究所,上海 200090)

        1 前言

        液力偶合器作為一種液力傳動(dòng)機(jī)械,通過(guò)液體在旋轉(zhuǎn)的葉輪中流動(dòng),完成機(jī)械能→液體能→機(jī)械能的轉(zhuǎn)換,實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳遞[1]。

        某型液力偶合器油泵的作用是為系統(tǒng)提供控制油及潤(rùn)滑油,在油泵的供油油管斷裂后,將無(wú)法為系統(tǒng)提供控制油及潤(rùn)滑油,導(dǎo)致液力偶合器無(wú)法實(shí)現(xiàn)接合功能,不能正常傳遞扭矩。本文就某型液力偶合器在試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的油泵油管斷裂故障進(jìn)行分析,并提出相關(guān)的解決方案。

        2 故障現(xiàn)象

        某液力偶合器在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí),滑油壓力由0.18 MPa突降為0.04MPa,液力偶合器由接合狀態(tài)變?yōu)槊撻_(kāi)。將液力偶合器油底殼拆除后,發(fā)現(xiàn)油泵的供油油管在管接頭處斷裂,如圖1所示:

        圖1 油管斷裂部位Fig.1 crack position of the fracture oil pipe

        斷裂油管在油泵上的安裝位置如圖2所示:

        圖2 斷裂油管安裝位置Fig.2 settlement position of the fracture oil pipe

        3 故障原因分析

        由于油管在管接頭處發(fā)生斷裂,所以從管接頭加工缺陷[2]、管接頭受力過(guò)載、油泵振動(dòng)過(guò)大等因素進(jìn)行分析:

        3.1 管接頭加工缺陷

        將斷裂的管接頭沿徑向剖開(kāi),管接頭內(nèi)腔加工比較粗糙,有明顯的加工刀痕,如圖3所示:

        圖3 管接頭內(nèi)腔加工刀痕Fig.3 machining cuts on the pipe joint

        為了驗(yàn)證管接頭加工缺陷是否是油管斷裂的主要原因,加工了新的管接頭,表面粗糙度達(dá)到圖紙要求,裝配后重新進(jìn)行試驗(yàn),該油管在同樣部位再次發(fā)生斷裂。表明管接頭加工缺陷不是管接頭斷裂主要原因。

        3.2 管接頭受力過(guò)載

        考慮液壓油最高壓力和管接螺母的壓緊力,對(duì)管接頭和平管接進(jìn)行了強(qiáng)度校核,計(jì)算結(jié)果如圖4所示:

        管接頭與平管接都為材料都為20#鋼,20#鋼許用應(yīng)力:

        [σ]=σs/n=2.45Mpa/1.5=1.63Mpa

        σmax<[σ]

        計(jì)算結(jié)果表明:油管管接頭斷裂不是受力過(guò)載造成的。

        3.3 油泵振動(dòng)過(guò)大

        3.3.1 油泵振動(dòng)分析

        液力偶合器油泵組件使用四只M12的螺栓,以懸掛的方式安裝在偶合器箱體的中下部的橫梁上,油泵組件兩端各有一個(gè)齒輪泵,葉輪泵位于油泵中下部,如圖5所示。

        圖4 改進(jìn)前管接頭應(yīng)力示意圖Fig.4 pressure distribution before structural improvementσmax=1.206Mpa

        圖5 油泵結(jié)構(gòu)及安裝方式Fig.5 oil pump and the settlement

        液壓泵的流量脈動(dòng)是其固有特性,泵在工作時(shí),不管是吸油腔還是壓油腔的體積都會(huì)產(chǎn)生周期性變化,泵的流量也將發(fā)生周期性的變化,引起滑油的壓力脈動(dòng),從而產(chǎn)生液體的振動(dòng),引起油泵自身的振動(dòng),而單一的懸掛安裝結(jié)構(gòu)也使液力偶合器的油泵組件與箱體間的連接剛性較弱。

        計(jì)算油泵組件重心G,以油泵組件頂部固定中心為原點(diǎn)O(0,0,0),G坐標(biāo)為(-52.811,-1.467,-63.912),位置如圖6所示:

        可以看出:油泵組件重心在Y方向基本處于軸線中心,而在X、Z方向偏離懸掛安裝面較大的距離,加上偏弱的連接剛性,使得油泵組件在液壓泵和柴油機(jī)振動(dòng)的共同激勵(lì)下,會(huì)產(chǎn)生較大的振動(dòng)[3]。

        3.3.2 油泵振動(dòng)測(cè)試

        為了驗(yàn)證上述分析,在液力偶合器上進(jìn)行了測(cè)振試驗(yàn):

        圖6 油泵組件重心位置Fig.6 gravity center of the oil pump

        測(cè)振位置為斷裂油管兩端的連接部位,傳感器1安裝在該油管連接的安全閥側(cè)面,傳感器2安裝在滑油泵出口側(cè)面,如圖7所示:

        按照試驗(yàn)全工況進(jìn)行測(cè)試,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1:

        由測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出:

        1)隨轉(zhuǎn)速增加,兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)的振動(dòng)也隨之加大,測(cè)點(diǎn)1最大振動(dòng)幅值由34.96mm/s,測(cè)點(diǎn)2最大振動(dòng)幅值由19.85mm/s;

        2)測(cè)點(diǎn)1的X方向?yàn)橛凸苓M(jìn)油軸向方向,Y、Z方向的振動(dòng)幅值相對(duì)X方向較大,表明油管受交變彎曲應(yīng)力較大,易導(dǎo)致油管斷裂;

        3)從總體看,測(cè)點(diǎn)1振動(dòng)情況大于測(cè)點(diǎn)2,與油管在測(cè)點(diǎn)1方向斷裂的現(xiàn)象一致。

        根據(jù)GB/T 16301—2008《船舶機(jī)械輔機(jī)振動(dòng)烈度的測(cè)量和評(píng)價(jià)》,液力偶合器為剛性支承安裝,其振動(dòng)烈度評(píng)價(jià)等級(jí)見(jiàn)表2:

        液力偶合器試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)屬于C級(jí)合格[5](28~43mm/s),考慮到船舶的實(shí)際工作環(huán)境中包含各種復(fù)雜工況,可能需要承擔(dān)各類(lèi)額外的沖擊及過(guò)載,液力偶合器該處油管的實(shí)際振動(dòng)情況可能較試驗(yàn)結(jié)果更為惡劣。

        圖7 測(cè)振位置(左側(cè)為傳感器1、右側(cè)為傳感器2)Fig.7 position of the vibration sensor(sensor 1on the left sensor 2on the right)

        表1 振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)Table1 vibration results

        表2 振動(dòng)烈度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Table2 evaluation of vibration level

        由上述分析:測(cè)點(diǎn)1振動(dòng)偏大,測(cè)試數(shù)據(jù)與油管斷裂現(xiàn)象一致,所以油泵振動(dòng)偏大時(shí)造成油管斷裂的主要原因,對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行一定的優(yōu)化以減小振動(dòng)[4],提高油泵工作的可靠性。

        3.4 油泵結(jié)構(gòu)改進(jìn)

        3.4.1 改進(jìn)措施

        油泵組件的重心G與安裝位中心O偏離距離較大,如果在油泵組件適當(dāng)位置再增加一處與箱體連接的固定點(diǎn)T,則可以增加連接剛性,有效改善振動(dòng)情況。

        根據(jù)上述分析,結(jié)合油泵空間位置,在圖8所示的位置增加一個(gè)與箱體連接的固定支撐板,油泵固定中心坐標(biāo) T(-35.398,-85.458,-121)如圖6所示,而 G坐標(biāo)(-52.811,-1.467,-63.912),T的位置在重心G偏離安裝中心O的相同方向,有利于增加油泵組件連接剛性,可以有效改善振動(dòng)情況。

        圖8 支撐板安裝位置Fig.8 settlement position of support plate

        3.4.2 改進(jìn)措施驗(yàn)證

        增加支撐板后,油管沒(méi)有發(fā)生斷裂,測(cè)振試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

        將表1與表3測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比:

        可以看出:

        安裝支撐板后,測(cè)點(diǎn)1最大振動(dòng)幅值由34.96降至18.83mm/s,降低了46.1%;測(cè)點(diǎn)2最大振動(dòng)幅值由19.85降至11.82mm/s,降低了40.5%;

        測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)由合格C級(jí)(28~43mm/s)改善為良好B級(jí)(11.2~28mm/s)。

        綜上所屬:增加支撐板后,油泵的振動(dòng)情況得到了很大的改善,尤其對(duì)高速工況的振動(dòng)改善尤為顯著,提高了油泵工作的可靠性。

        表3 增加支撐板后振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)Table3 vibration results after the support plate was settled

        圖9 測(cè)點(diǎn)1改進(jìn)前后X方向振動(dòng)對(duì)比Fig.9 the comparison of the vibration on X-axis from sensor 1

        圖10 測(cè)點(diǎn)1改進(jìn)前后Y方向振動(dòng)對(duì)比Fig.10 the comparison of the vibration on Y-axis from sensor 1

        4 結(jié)論

        通過(guò)上述分析可以得出結(jié)論,造成液力偶合器油管斷裂的主要原因是油泵振動(dòng)過(guò)大,油管斷裂位置受到較大的交變彎曲應(yīng)力;另外,管接頭表面質(zhì)量較差也是造成故障的隱患之一。

        圖11 測(cè)點(diǎn)1改進(jìn)前后Z方向振動(dòng)對(duì)比Fig.11 the comparison of the vibration on Z-axis from sensor 1

        圖12 測(cè)點(diǎn)2改進(jìn)前后X方向振動(dòng)對(duì)比Fig.12 the comparison of the vibration on X-axis from sensor 2

        圖13 測(cè)點(diǎn)2改進(jìn)前后Y方向振動(dòng)對(duì)比Fig.13 the comparison of the vibration on Y-axis from sensor 2

        圖14 測(cè)點(diǎn)2改進(jìn)前后Z方向振動(dòng)對(duì)比Fig.14 the comparison of the vibration on Y-axis from sensor 2

        [1] 劉應(yīng)誠(chéng).液力偶合器應(yīng)用與節(jié)能技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2006.

        [2] 趙明春 焊制三通的加工缺陷及其消除 《石油工程建設(shè)》,1999.

        [3] NG Stephen On Energy Harvesting from Ambient Vibra-tion《Journal of Sound and vibration》,2006,Elsevier.

        [4] CA Papadopoulos,AD Dimarogonas Coupled Vibration of Cracked Shafts《Journal of Vibration and acoustics》,1992,AIP.

        [5] GB/T 16301—2008《船舶機(jī)械輔機(jī)振動(dòng)烈度的測(cè)量和評(píng)價(jià)》.

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