對閥控調(diào)速型液力偶合器的可靠性探討

齊鳳，李新偉，劉桂英

（中國石油集團濟柴動力總廠，山東 濟南 250306）

在鉆井工藝中，過去采用的單機泵組需要經(jīng)過柴油機、氣囊離合器、減速箱、皮帶等結(jié)構(gòu)對鉆井泵進行驅(qū)動，不僅系統(tǒng)龐大、復(fù)雜，并且也只能通過更換缸套或調(diào)節(jié)油門實現(xiàn)流量和泵壓調(diào)節(jié)，難以滿足工藝需求。進行閥控調(diào)速型液力偶合器的設(shè)計研發(fā)，則能在不更換缸套條件下實現(xiàn)對流量和泵壓的調(diào)節(jié)。但在實際設(shè)計過程中，為確保產(chǎn)品的實用性，還要進行產(chǎn)品的可靠性分析，以加強產(chǎn)品設(shè)計改進。

1 閥控調(diào)速型液力偶合器概述

閥控調(diào)速型液力偶合器為新型液力偶合器傳動裝置，需要利用進口閥控調(diào)節(jié)+固定導(dǎo)管排油的調(diào)速方案實現(xiàn)對傳統(tǒng)傳動系統(tǒng)改造。該裝置采用的是箱體結(jié)構(gòu)，內(nèi)部存在有電磁閥、固定導(dǎo)管、電動機和液壓泵等零部件，對原本泵帶有的龐大導(dǎo)管及殼體進行了拼裝，以減小裝置體系，確保裝置結(jié)構(gòu)緊湊。利用兩支電磁閥，裝置則能對工作腔的進、排油進行控制，以達到調(diào)節(jié)偶合器輸出轉(zhuǎn)速的目標。從功能上來看，裝置除了擁有傳統(tǒng)液力偶合器擁有的過載保護、減緩沖擊、帶載啟動等功能，還能實現(xiàn)無級調(diào)速，所以能夠輕松實現(xiàn)泵壓、泵沖等參數(shù)的調(diào)節(jié)。此外，由于裝置帶有快速離合功能，因此，能夠進行氣囊離合器的替代，可實現(xiàn)對石油鉆采、船舶等多領(lǐng)域泵、風(fēng)機等設(shè)備的驅(qū)動，使各種工況需求得到滿足。

2 閥控調(diào)速型液力偶合器的可靠性分析

2.1 可靠性分析模型

在閥控調(diào)速型液力偶合器設(shè)計階段，還要對裝置的整機結(jié)構(gòu)進行分析，反映裝置各部分間的關(guān)系，以便為裝置可靠性分析模型的建立奠定基礎(chǔ)。從整體上來看，偶合器應(yīng)由控制部分、傳動部分、動力部分、執(zhí)行部分、傳感部分和支撐部分構(gòu)成，各部分之間存在信息流、物質(zhì)流和能量流的傳遞。其中，動力部分只包含液壓泵，執(zhí)行部分包含渦輪、輸出軸、過濾器和冷卻器，控制部分包含PLC控制、固定導(dǎo)管、減壓閥、控制閥組、溢流管等單元，支撐部分由軸承、箱體等構(gòu)成，傳感部分由速度傳感器、壓力傳感器、液位開關(guān)、電磁線圈和溫度傳感器構(gòu)成，傳動部分由輸入軸、彈性聯(lián)軸器等構(gòu)成。如圖1所示，在運行的過程中，裝置各部分需要同時工作，確保裝置正常運行。

圖1 可靠性分析模型

2.2 裝置FMECA分析

結(jié)合液力傳動裝置的大量統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知，這類裝置故障的發(fā)生為隨機事件，所以在裝置設(shè)計研發(fā)的過程中需要加強可靠性分析，以發(fā)現(xiàn)不可靠的零件和故障模式。為實現(xiàn)這一目標，還要采用正向綜合分析法FTF進行裝置可靠性分析，即將故障模式、影響與危害度分析FMECA與故障樹分析FTA結(jié)合在一起。在實際分析時，需先利用FMECA完成系統(tǒng)單一故障模式分析歸納，然后結(jié)合故障危害度級別，從高危害度的故障中進行某一故障模式選擇，并采用故障樹分析方法對其進行分析，以得到裝置設(shè)計改進建議。采用該種分析方法，可對裝置各組成單元潛在故障的影響進行分析，對人為、硬件、軟件等各種因素進行綜合分析，因此可以使裝置可靠性得到全面提升。如表1所示，為可能引起閥控調(diào)速型液力偶合器各類故障的零件故障模式嚴酷度類別。表中的A、B、C、D、E指的是故障模式發(fā)生概率等級，即故障模式發(fā)生概率占總故障概率，分別為＞20%、10%～20%、1%～10%、0.1%～1%、＜0.1%。

表1 閥控調(diào)速型液力偶合器零件故障模式嚴酷度類別

根據(jù)故障模式嚴酷度等級和概率等級，綜合分析可以發(fā)現(xiàn)，漏油和電磁閥阻塞為危害度最高的故障，其次危害較大的故障則為葉片斷裂、軸承損壞和勺管磨損。結(jié)合這一分析結(jié)果，可以將漏油和電磁閥阻塞看作是裝置可靠性提高首先需要考慮的故障模式，對該模式進行進一步分析。

2.3 裝置FTA分析

閥控調(diào)速型液力偶合器的主要特點就是采用電磁閥進行泵壓、泵沖等參數(shù)的調(diào)節(jié)，但是電磁閥具有維護性差的特點，一旦發(fā)生故障較難完成原因查找。所以在裝置FTA分析時，可以電磁閥阻塞為關(guān)鍵故障模式，將其看成是故障樹的頂事件，對其進行可靠性分析。在裝置工作的過程中，傳感器將完成介質(zhì)壓力、溫度、軸轉(zhuǎn)速等參數(shù)的監(jiān)測，并將監(jiān)測結(jié)果傳輸給PLC控制模塊。完成信號分析后，PLC將向控制閥組進行開關(guān)命令的發(fā)送，以實現(xiàn)偶合器充液量的控制。分析偶合器電磁閥阻塞故障的發(fā)生原因可以發(fā)現(xiàn)，該故障的產(chǎn)生主要與三個事件的發(fā)生有關(guān)，即工作介質(zhì)中存在雜質(zhì)、阻尼孔設(shè)計不合理和結(jié)垢嚴重，其中任一事件的發(fā)生都會引起電磁閥阻塞。利用或門實現(xiàn)事件連接，可以得到過濾器失效、換水溫度過高、傳感器失效、負載過大將導(dǎo)致結(jié)垢嚴重問題的發(fā)生。在定性分析的基礎(chǔ)上，需要對各事件進行分析，以完成最小割集的查找。采用上行法，從底事件展開分析可以發(fā)現(xiàn)，在設(shè)計階段，控制閥節(jié)流孔參數(shù)設(shè)計將引發(fā)電磁閥阻塞，即未能實現(xiàn)阻尼孔徑大小或主閥匹配選型的合理設(shè)計。

在制造階段，未選擇滿足使用要求的閥、過濾器和傳感器，也將導(dǎo)致故障發(fā)生。在使用階段，偶合器長期在井下工作，容易導(dǎo)致介質(zhì)中摻入雜質(zhì)。此外，負載過大或遇到卡鏈，將導(dǎo)致偶合器工作溫度過高，導(dǎo)致介質(zhì)出現(xiàn)結(jié)垢嚴重問題。對各底事件的發(fā)生概率進行計算，可以完成故障樹定量分析，從而提出偶合器設(shè)計改進建議。

2.4 可靠性分析結(jié)果

通過可靠性分析可以發(fā)現(xiàn)，想要使閥控調(diào)速型液力偶合器的可靠性得到提高，還要做好裝置設(shè)計、生產(chǎn)的全過程管理。在裝置設(shè)計階段，需要實現(xiàn)阻尼孔及先導(dǎo)閥的合理匹配，分開先導(dǎo)閥與主閥間的工作介質(zhì)，確保先導(dǎo)閥通過的介質(zhì)較為干凈，然后進行主閥開啟，以防止閥組阻塞。為減少污染物的產(chǎn)生，應(yīng)簡化液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，將控制閥組設(shè)計在整機外，以便為閥組定期檢修維護提供便利。在裝置各部分，可進行多級過濾器設(shè)計，以降低阻塞發(fā)生的概率。此外，應(yīng)增設(shè)冷卻部分和負載控制程序，以降低工作介質(zhì)溫度和避免過載問題的發(fā)生。在裝置生產(chǎn)的過程中，則要確保各類元件質(zhì)量，確保密封應(yīng)用可靠性，并按照相關(guān)標準要求進行各零部件檢查，嚴格控制零部件生產(chǎn)加工工藝，確保各零部件能夠滿足裝置設(shè)計、安裝要求。而在裝置使用過程中，也應(yīng)該在適合環(huán)境溫度條件下操作，并加強工作液清潔度控制，避免進行過載運行。

3 結(jié)語

通過可靠性分析，可以發(fā)現(xiàn)閥控調(diào)速型液力偶合器將產(chǎn)生電磁閥阻塞、漏油等關(guān)鍵故障模式。結(jié)合可靠性分析結(jié)果，在閥控調(diào)速型液力偶合器設(shè)計研發(fā)、生產(chǎn)和使用的過程中，還要采取相應(yīng)措施避免故障的發(fā)生，以便使裝置的可靠性得到有效提升，繼而更好的確保裝置的應(yīng)用效果。

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