齒輪傳動(dòng)水泵機(jī)械密封失效分析及改進(jìn)

劉井年, 李建文, 申加偉, 張志權(quán), 時(shí)勝文, 陳國(guó)強(qiáng)

1.內(nèi)燃機(jī)可靠性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 濰坊 261061; 2.濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東 濰坊 261061

0 引言

冷卻系統(tǒng)故障率高，一直是大缸徑高速柴油機(jī)可靠性的短板。齒輪水泵作為柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)的核心部件，其設(shè)計(jì)空間緊湊，工作環(huán)境溫度高，工況變化大，漏水、漏油故障頻發(fā)，嚴(yán)重影響使用。研究表明，大約70%的離心泵售后維修問(wèn)題與密封有關(guān)[1]。

機(jī)械密封是水泵密封的主要技術(shù)之一，涉及動(dòng)力學(xué)、摩擦學(xué)、流體力學(xué)、熱力學(xué)等學(xué)科，隨著對(duì)機(jī)械密封機(jī)理研究的不斷深入[2]，各種新機(jī)械密封技術(shù)陸續(xù)投入市場(chǎng)[3]。已有學(xué)者從理論和實(shí)踐2個(gè)層次對(duì)水泵機(jī)械密封的常見(jiàn)失效模式進(jìn)行了原因分析和試驗(yàn)驗(yàn)證[4-6]。除部分機(jī)械密封自身結(jié)構(gòu)和水泵內(nèi)部的水力結(jié)構(gòu)不合理外[7]，水泵傳動(dòng)部分安裝尺寸誤差大、機(jī)械密封安裝不合理、軸承安裝異常、使用工況邊界超限[8-10](包含泵振動(dòng)大、傳動(dòng)不平穩(wěn)、清潔度差等)是機(jī)械密封失效的主要原因。

本文中為解決某齒輪傳動(dòng)水泵機(jī)械密封失效故障，通過(guò)理論及試驗(yàn)分析水泵機(jī)械密封失效的主要原因，提出具體改進(jìn)措施，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證改進(jìn)措施。

1 故障現(xiàn)象

某大缸徑高速柴油發(fā)電機(jī)組運(yùn)行約2000 h，發(fā)生水泵漏水故障，水泵機(jī)械密封A結(jié)構(gòu)及故障現(xiàn)象如圖1所示。水泵機(jī)械密封失效主要表現(xiàn)為波紋管磨損變薄，撕裂穿透，與故障發(fā)生時(shí)泄水孔噴水現(xiàn)象相符。分析水泵機(jī)械密封結(jié)構(gòu)可知，波紋管除了用于密封動(dòng)環(huán)、彈簧座圈、軸套外，還傳遞力矩，克服動(dòng)、靜環(huán)間的摩擦，保證動(dòng)環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)。

結(jié)合機(jī)械密封A的結(jié)構(gòu)及故障現(xiàn)象，初步判斷故障原因?yàn)椴y管的力矩傳遞結(jié)構(gòu)不合理，因此決定使用機(jī)械密封B替換機(jī)械密封A。機(jī)械密封B改進(jìn)了機(jī)械密封的金屬撥叉驅(qū)動(dòng)動(dòng)環(huán)，相比波紋管傳遞力矩方式，結(jié)構(gòu)更可靠。但機(jī)械密封B的市場(chǎng)驗(yàn)證只進(jìn)行了約500 h即發(fā)生水泵漏水故障，主要失效現(xiàn)象是動(dòng)環(huán)座的驅(qū)動(dòng)撥叉與碳化硅動(dòng)環(huán)間存在磨損、磕碰，其中不銹鋼驅(qū)動(dòng)撥叉磨損，碳化硅動(dòng)環(huán)磕碰損壞，撥叉失效后動(dòng)環(huán)無(wú)法隨泵軸轉(zhuǎn)動(dòng)，內(nèi)部靜密封失效、漏水。機(jī)械密封B結(jié)構(gòu)及故障現(xiàn)象如圖2所示。

a)機(jī)械密封結(jié)構(gòu) b)故障現(xiàn)象 a)機(jī)械密封結(jié)構(gòu) b)故障現(xiàn)象圖1 機(jī)械密封A結(jié)構(gòu)及故障現(xiàn)象 圖2 機(jī)械密封B結(jié)構(gòu)及故障現(xiàn)象

分析該機(jī)型水泵機(jī)械密封失效的規(guī)律，機(jī)械高壓油泵柴油機(jī)用水泵壽命最短，電控高壓共軌柴油機(jī)用水泵次之，燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)用水泵壽命最長(zhǎng)，市場(chǎng)驗(yàn)證高于1萬(wàn)h。

2 故障原因分析

為徹底研究此次機(jī)械密封失效的原因，從2種水泵機(jī)械密封失效模式的機(jī)理出發(fā)，分析共性原因，并設(shè)計(jì)試驗(yàn)，對(duì)比驗(yàn)證分析的有效性。

2.1 機(jī)械密封失效原因分析

分析2種機(jī)械密封的失效模式，均為傳動(dòng)部件失效導(dǎo)致漏水故障，需要從機(jī)械密封的傳動(dòng)受力進(jìn)行分析，確定失效原因。

以機(jī)械密封A為例進(jìn)行傳動(dòng)受力分析，如圖3所示。機(jī)械密封A的靜環(huán)部分過(guò)盈裝配在泵體上，運(yùn)行時(shí)保持靜止；動(dòng)環(huán)部分通過(guò)內(nèi)側(cè)軸套與泵軸過(guò)盈聯(lián)接，保證動(dòng)環(huán)部分隨泵軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；動(dòng)環(huán)部分需要使用工裝以保證安裝高度，控制彈簧壓縮量保證摩擦副的端壓比，確保密封良好。

圖3 機(jī)械密封A傳動(dòng)受力分析示意圖

工作時(shí)，泵軸與軸套的過(guò)盈量、彈簧兩端摩擦轉(zhuǎn)矩及橡膠波紋管的扭轉(zhuǎn)變形提供了機(jī)械密封的驅(qū)動(dòng)力矩M，而動(dòng)、靜環(huán)摩擦面旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的摩擦轉(zhuǎn)矩M′即為機(jī)械密封的負(fù)載。水泵加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，M>M′，波紋管A、B扭轉(zhuǎn)變形量增大；減速運(yùn)動(dòng)時(shí)，M

發(fā)電用柴油機(jī)水泵的轉(zhuǎn)速宏觀上是恒定的，但瞬態(tài)工況下，泵軸做加、減速運(yùn)動(dòng)，即轉(zhuǎn)速是波動(dòng)的。轉(zhuǎn)速波動(dòng)導(dǎo)致波紋管扭轉(zhuǎn)角度發(fā)生變化，橡膠波紋管相對(duì)軸套發(fā)生相互運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生磨損，波紋管外側(cè)的水壓進(jìn)一步加速橡膠磨損，最終導(dǎo)致如圖1所示的波紋管撕裂。

機(jī)械密封B的損壞原因基本類(lèi)似，轉(zhuǎn)速波動(dòng)引起M和M′不均衡，導(dǎo)致不銹鋼撥叉和碳化硅動(dòng)環(huán)之間存在微動(dòng)磨損，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，相對(duì)較軟的不銹鋼撥叉被磨損，硬度相對(duì)高但材質(zhì)脆的碳化硅環(huán)被沖擊損壞。

故機(jī)械密封失效原因?yàn)樗谬X輪轉(zhuǎn)速波動(dòng)大，傳力部件(波紋管或者撥叉)沖擊磨損，機(jī)械密封失效導(dǎo)致漏水。

2.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

水泵漏水故障為水泵轉(zhuǎn)速波動(dòng)過(guò)大所致。轉(zhuǎn)速波動(dòng)過(guò)大與水泵內(nèi)部流動(dòng)特性[11-12]和水泵齒輪的傳動(dòng)部分相關(guān)，因此研究水泵齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)特點(diǎn)，分析轉(zhuǎn)速波動(dòng)大的原因，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

該機(jī)型的水泵輪系傳動(dòng)示意圖如圖4所示。曲軸正時(shí)齒輪通過(guò)凸輪軸正時(shí)齒輪驅(qū)動(dòng)水泵；凸輪軸正時(shí)齒輪背面連接一個(gè)中間齒輪，驅(qū)動(dòng)機(jī)械或電控高壓油泵，驅(qū)動(dòng)燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)無(wú)任何負(fù)載部件；凸輪軸正時(shí)齒輪、中間齒輪與凸輪軸螺栓聯(lián)接，驅(qū)動(dòng)配氣機(jī)構(gòu)。

圖4 齒輪系傳動(dòng)示意圖

結(jié)合齒輪系結(jié)構(gòu)分析，曲軸扭振引起的曲軸正時(shí)齒輪轉(zhuǎn)速波動(dòng)能明顯加大齒輪系的振動(dòng)與沖擊[13]，水泵齒輪受到的沖擊增大，故發(fā)動(dòng)機(jī)扭振大可加速水泵機(jī)械密封失效。高壓油泵和配氣機(jī)構(gòu)均為凸輪結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)時(shí)存在轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，導(dǎo)致正時(shí)齒輪沖擊大，正時(shí)齒輪通過(guò)中間齒輪將波動(dòng)傳遞給水泵齒輪，導(dǎo)致水泵轉(zhuǎn)速波動(dòng)大。通過(guò)試驗(yàn)實(shí)測(cè)，機(jī)械高壓油泵的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)是其平均轉(zhuǎn)矩的7倍以上，電控高壓油泵的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)是平均轉(zhuǎn)矩的2～3倍。故機(jī)械高壓油泵機(jī)型出現(xiàn)機(jī)械密封失效的可能性比電控高壓油泵機(jī)型更大，與市場(chǎng)故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)一致。

若要量化分析水泵轉(zhuǎn)速波動(dòng)對(duì)機(jī)械密封可靠性的影響，需實(shí)測(cè)水泵的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速。參考文獻(xiàn)[14-15]的方法，并結(jié)合公司現(xiàn)有的試驗(yàn)資源和經(jīng)驗(yàn)，采用信號(hào)盤(pán)和磁電轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量水泵的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速，測(cè)量方法示意圖如圖5所示，水泵葉輪圓周方向均勻加工60個(gè)通孔作為測(cè)試信號(hào)盤(pán)。

圖5 水泵轉(zhuǎn)速波動(dòng)測(cè)量方法示意圖

測(cè)試采用LMS采集卡及LMS Test.Lab軟件模塊，精準(zhǔn)測(cè)定脈沖觸發(fā)零位，結(jié)合拉格朗日插值，實(shí)現(xiàn)高精度瞬態(tài)轉(zhuǎn)速測(cè)量。計(jì)算原理為：信號(hào)盤(pán)掃過(guò)磁電式轉(zhuǎn)速傳感器時(shí)產(chǎn)生脈沖信號(hào)，軟件根據(jù)脈沖信號(hào)間接計(jì)算轉(zhuǎn)速信號(hào)。

水泵瞬時(shí)轉(zhuǎn)速

n=60Δα/Δt，

(1)

式中：n的單位為r/min；Δα為2個(gè)脈沖之間角度差，°；Δt為2個(gè)脈沖之間時(shí)間差，s。

均方根也稱(chēng)有效值，用于表征信號(hào)中能量的大小，所以本文中以瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號(hào)的均方根表示轉(zhuǎn)速波動(dòng)。具體做法：對(duì)試驗(yàn)測(cè)得瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，得到其頻譜，再計(jì)算頻譜中5～700 Hz頻段內(nèi)樣本點(diǎn)各振幅的均方根，計(jì)算公式為：

(2)

式中：RMS為瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號(hào)的均方根，r/min；Ai為樣本區(qū)間內(nèi)轉(zhuǎn)速信號(hào)的振幅,r/min。

該機(jī)型不同用途機(jī)組水泵在不同負(fù)荷下的實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速波動(dòng)對(duì)比如圖6所示。

圖6 不同機(jī)組水泵在不同負(fù)荷下的實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速波動(dòng)對(duì)比

由圖6可知：機(jī)械高壓油泵柴油機(jī)，因高壓油泵沖擊力大，水泵轉(zhuǎn)速波動(dòng)明顯高于電控高壓共軌柴油機(jī)用水泵；氣體發(fā)動(dòng)機(jī)因標(biāo)定功率較柴油機(jī)低，100%負(fù)荷下曲軸扭振約為柴油機(jī)的50%，氣體發(fā)動(dòng)機(jī)用水泵轉(zhuǎn)速波動(dòng)明顯小于柴油機(jī)用水泵。

水泵轉(zhuǎn)速波動(dòng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與水泵市場(chǎng)表現(xiàn)結(jié)果完全一致，轉(zhuǎn)速波動(dòng)大的機(jī)械高壓油泵柴油機(jī)用水泵壽命最短，轉(zhuǎn)速波動(dòng)最小的氣體發(fā)動(dòng)機(jī)用水泵壽命最長(zhǎng)，故水泵轉(zhuǎn)速波動(dòng)可以作為評(píng)價(jià)機(jī)械密封可靠性的理論依據(jù)，用于解決本次故障。

3 改進(jìn)方案及驗(yàn)證

以轉(zhuǎn)速波動(dòng)最大的機(jī)械高壓油泵柴油機(jī)用水泵為研究對(duì)象，從2個(gè)方面入手降低水泵轉(zhuǎn)速波動(dòng)：優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)火順序,重新匹配減振器以降低曲軸轉(zhuǎn)速波動(dòng)；優(yōu)化齒輪系以降低高壓油泵、凸輪軸驅(qū)動(dòng)扭矩波動(dòng)沖擊。發(fā)火順序由A1-B2-A5-B4-A3-B1-A6-B5-A2-B3-A4-B6優(yōu)化為A1-B5-A5-B3-A3-B6-A6-B2-A2-B4-A4-B1,減振器外徑由420 mm增大至520 mm。齒輪系優(yōu)化方案為：由凸輪軸正時(shí)齒輪驅(qū)動(dòng)改為曲軸-惰輪驅(qū)動(dòng)，斷開(kāi)其轉(zhuǎn)矩波動(dòng)對(duì)水泵齒輪的影響，柴油機(jī)增加一層齒輪系，單獨(dú)驅(qū)動(dòng)水泵，優(yōu)化后水泵齒輪系布局如圖7所示。建立改進(jìn)后水泵齒輪系的多體動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)水泵轉(zhuǎn)速波動(dòng)進(jìn)行仿真分析，結(jié)果顯示，發(fā)動(dòng)機(jī)100%負(fù)荷時(shí)，水泵轉(zhuǎn)速波動(dòng)降低約61%。

圖7 優(yōu)化后的水泵層齒輪系布置圖

為驗(yàn)證改進(jìn)效果，采用與2.2節(jié)相同的方法，利用臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)量水泵轉(zhuǎn)速波動(dòng)情況，改進(jìn)前、后臺(tái)架狀態(tài)水泵轉(zhuǎn)速波動(dòng)對(duì)比結(jié)果如圖8所示。由圖8可知，100%負(fù)荷時(shí)改進(jìn)后水泵轉(zhuǎn)速波動(dòng)降低69.6%，優(yōu)于仿真計(jì)算結(jié)果。對(duì)比1000 h耐久試驗(yàn)的水泵機(jī)械密封傳力部件的磨損情況，同樣證明改進(jìn)有效。

圖8 改進(jìn)前、后臺(tái)架試驗(yàn)水泵轉(zhuǎn)速波動(dòng)對(duì)比

4 結(jié)論

1)通過(guò)齒輪水泵機(jī)械密封失效故障模式的理論分析及試驗(yàn)驗(yàn)證，證明水泵轉(zhuǎn)速波動(dòng)大是機(jī)械密封失效的主要原因，可以使用轉(zhuǎn)速波動(dòng)作為量化評(píng)價(jià)機(jī)械密封可靠性的指標(biāo)。

2)為降低水泵轉(zhuǎn)速波動(dòng)，提出優(yōu)化發(fā)火順序、重新匹配減振器降低曲軸扭轉(zhuǎn)波動(dòng)，優(yōu)化齒輪系降低高壓油泵、凸輪軸等附件沖擊的方案，臺(tái)架試驗(yàn)及耐久試驗(yàn)證明改進(jìn)有效。

3)此次故障分析及改進(jìn)可以為柴油機(jī)齒輪水泵的布置設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，為試驗(yàn)評(píng)價(jià)水泵可靠性提供了量化標(biāo)準(zhǔn)。