高速軸離合器失效分析與改進措施研究

侯秀舉，邱曉峰，鄒 波，鄒 斌，劉志平

(武漢船用機械有限責(zé)任公司， 湖北 武漢 430084)

0 引言

離合器是主、從動部分在同軸線上傳遞動力或運動時，具有接合或分離功能的裝置[1]，其離合功能可以靠嵌合、摩擦等方式實現(xiàn)。一般離合器接合時利用摩擦副之間機械摩擦力把功率和扭矩從主動部件傳到從動部件，帶動工作機運行；離合器分離時，傳動系統(tǒng)的主動部件和從動部件分開，使傳動系統(tǒng)分為兩個系統(tǒng)，從而使主機可以空載啟動，減少主機的啟動負荷。

離合器按照動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(在主動部分或從動部分某些性能參數(shù)變化時，接合元件具有接合或分離功能的離合器)[2]。操縱式又分為機械離合器、電磁離合器、液壓離合器和氣動離合器，船舶推進系統(tǒng)中使用比較多的是液壓離合器和氣動離合器這兩種[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、啟動沖擊小、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、系統(tǒng)散熱性和耐磨性好等特點，但是接脫排頻次和響應(yīng)速度不及氣動離合器，也比較容易發(fā)生泄漏；而氣動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)時間快、控制簡單、無污染等特點，但是啟動沖擊大、承載能力相對液壓離合器也差些。

船舶推進領(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)定對于整個推進系統(tǒng)的安全運行起到關(guān)鍵作用。本文結(jié)合某項目中離合器出現(xiàn)的問題，對其失效原因進行系統(tǒng)分析，從離合器結(jié)構(gòu)上進行優(yōu)化與改進。

1 工程問題概述

某自升式海洋輔助平臺上安裝2套Z型全回轉(zhuǎn)舵槳裝置作為主推進裝置?；趦r格和船檢認可等因素，選用CW16V200ZC柴油機(功率1 760 kW，轉(zhuǎn)速1 000 r/min)作為全回轉(zhuǎn)舵槳推進軸系的動力源。該型號主機主要用于發(fā)電機組，作為推進主機尚屬首次。主機通過空氣馬達啟動，在試航時經(jīng)常出現(xiàn)啟動馬達損壞的問題，而主機生產(chǎn)廠家聲明主機啟動負荷不能大于2 kW，否則將直接導(dǎo)致啟動馬達損壞，并有可能影響主機內(nèi)部系統(tǒng)的設(shè)計壽命，將不對后續(xù)的售后服務(wù)負責(zé)。事實上，主機啟動加載整個軸系和舵槳軸帶液壓的負載。

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

該氣動離合器總成主要包含氣動離合器、徑向配氣機構(gòu)、支撐殼體、支承軸承、氣控系統(tǒng)和冷卻潤滑系統(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。氣動離合器的徑向配氣機構(gòu)由六道唇形密封組成，其中中間的兩道密封唇口相對，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 氣動離合器總成示意圖

圖3 氣動離合器徑向配氣機構(gòu)

配氣機構(gòu)中的密封環(huán)與高速軸在旋轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生大量的熱量。為降低密封環(huán)的溫度，延長其使用壽命，在壓力空氣腔兩側(cè)增加一個獨立的海水冷卻腔進行循環(huán)冷卻，且為避免徑向配氣機構(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行沖洗。

平臺交付后，氣動離合器在使用不久后出現(xiàn)了運行不穩(wěn)定、徑向配氣機構(gòu)漏水和軸承腐蝕損壞等質(zhì)量問題，進而導(dǎo)致離合器失效，最終平臺喪失動力，給平臺運行帶來很大安全隱患。

2 離合器失效原因分析

2.1 徑向進氣密封裝置對壓力太敏感

冷卻潤滑系統(tǒng)進入徑向配氣機構(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)流閥使進入到配氣機構(gòu)的水壓慢慢升高，直到達到要求的水壓值(≤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，進而導(dǎo)致海水對離合器裝置內(nèi)部的腐蝕。

2.2 徑向進氣密封裝置對海水的清潔度太敏感

徑向配氣機構(gòu)正常工作時采用經(jīng)過平臺過濾系統(tǒng)過來的海水進行冷卻旋轉(zhuǎn)密封，海水中含有一定的鹽分和雜質(zhì)等[4]。如果停機后沒有及時或者徹底用淡水進行沖洗，旋轉(zhuǎn)密封中殘存的海水中的鹽分或雜質(zhì)會在密封腔室內(nèi)部形成結(jié)晶或沉積，下次再啟動使用時會導(dǎo)致密封磨損加速，密封壽命大大減短。同時，該平臺屬于海工輔助生活平臺，全回轉(zhuǎn)舵槳裝置經(jīng)常會出現(xiàn)使用后又停用很久的情況，殘余的鹽分或雜質(zhì)會進一步腐蝕配氣機構(gòu)[5]。

2.3 海水泄漏對零部件腐蝕

氣動離合器采用海水進行冷卻和淡水沖洗，如果密封腔室發(fā)生泄漏，海水或淡水將會直接進入氣動離合器內(nèi)部，對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)場反饋裝配看，徑向配氣機構(gòu)的軸承就因為海水腐蝕導(dǎo)致銹蝕進而完全破碎。

3 優(yōu)化改進方案

(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滑介質(zhì)。

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

(3)離合器靠近主機，工作環(huán)境比較惡劣，軸系的振動較大，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，采用間隙機械密封是最佳的選擇。通過計算分析，選取合理的配合間隙(最佳間隙為0.07～0.09 mm)。這樣配油機構(gòu)與高速軸處于浮動狀態(tài)，既保證了配油機構(gòu)良好的冷卻潤滑又保證了控制油壓的穩(wěn)定建立。配油機構(gòu)結(jié)構(gòu)見圖5。

圖5 液壓離合器配油機構(gòu)

(4)根據(jù)各部位潤滑油量和泄漏油量，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對比見表1。

圖6 優(yōu)化后浮動式配油機構(gòu)離合器總圖

表1 優(yōu)化前后離合器主要特點對比

4 結(jié)語

項目整改完成后，按照船級社認可的試驗大綱對該平臺裝置進行了系泊試驗和航行試驗，主要開展了額定負荷試驗、超負荷試驗、正倒車試驗、緊急制動等試驗，試驗期間液壓離合器運行正?？煽?，同時裝置在實際的運營過程中也一直正常工作。