某船用摩擦離合器油路密封對(duì)花鍵失效影響的仿真模擬研究

豐 雷,馮 健,葉 輝,賈龍凱,劉 震,丁星星

(1.海裝廣州局駐重慶地區(qū)第二軍事代表室，重慶 402260；2.重慶齒輪箱有限責(zé)任公司，重慶 402263；3.西南技術(shù)工程研究所，重慶 400039)

0 引言

某船用濕式摩擦離合器內(nèi)置于船舶齒輪傳動(dòng)裝置，在8～10年使用、運(yùn)行大約10 000 h后離合器花鍵出現(xiàn)異常磨損，內(nèi)部密封出現(xiàn)老化，磨損嚴(yán)重，使離合器接排沖擊過大，脫排時(shí)間過長，無法滿足船舶的使用要求。

為了確保船舶齒輪傳動(dòng)裝置的安全運(yùn)行，亟須對(duì)某船用摩擦離合器內(nèi)部潤滑油路泄漏和花鍵失效機(jī)理進(jìn)行研究，為后續(xù)進(jìn)一步提高離合器長期運(yùn)行可靠性奠定理論基礎(chǔ)。朱孝錄等[1]研究了花鍵的偏心量對(duì)微動(dòng)磨損的影響等；薛向珍等[2]研究了鍵副的微動(dòng)磨損機(jī)理并提出了損傷累積的模型。劉鴻雁等[3]研究了提高花鍵軸的加工精度、減少花鍵連接的配合間隙和通過熱處理提高接觸強(qiáng)度等方式來提高花鍵的磨損壽命。劉軍等[4]研究了花鍵齒面摩擦因數(shù)、最大齒面作用力、花鍵連接偏心量、齒面面積等因素對(duì)齒面疲勞磨損破壞影響；文獻(xiàn)[5-16]分別從不同角度對(duì)濕式摩擦離合器的摩擦片副磨損、仿真、潤滑或溫度場等進(jìn)行研究，但沒有對(duì)離合器內(nèi)部油路泄憤漏量的流場進(jìn)行分析以及對(duì)花鍵副失效進(jìn)行分析。

本文從工程實(shí)際出發(fā)，對(duì)某船舶齒輪箱離合器結(jié)構(gòu)和功能、磨損現(xiàn)象、微觀機(jī)理分析等入手，采用有限元方法對(duì)離合器內(nèi)部油路在不同程度的泄漏對(duì)流場影響進(jìn)行仿真，并通過離合器流量對(duì)花鍵磨損影響實(shí)驗(yàn)進(jìn)行定性驗(yàn)證，為離合器長壽命周期可靠性增長研究奠定基礎(chǔ)。

1 濕式摩擦離合器結(jié)構(gòu)及內(nèi)部油路介紹

輸入端內(nèi)置濕式摩擦離合器，實(shí)現(xiàn)船舶動(dòng)力的控制，離合器部件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 離合器部件圖

離合器部件潤滑油路采用碳素密封進(jìn)行“徑向進(jìn)油”密封，潤滑油從供油環(huán)處進(jìn)入，主要作用是潤滑離合器摩擦副并花鍵副和實(shí)現(xiàn)內(nèi)、外摩擦片分離。油路如圖2所示，潤滑油從進(jìn)油口φ20 mm徑向進(jìn)供油環(huán)(9)，經(jīng)過進(jìn)供油環(huán)(9)上油孔L1、輸入軸(4)上油孔L2—L5到輸入軸花鍵，再通過摩擦片座(1)花鍵上3組11-φ3 mm出油孔進(jìn)行離合器的潤滑。其中供油環(huán)與輸入軸頸之間由填料密封形成油路，填料密封靜止。

圖2 離合器部件油路示意圖

2 摩擦片座與輸入軸連接花鍵磨損情況

某船運(yùn)行8年后在例行小修等級(jí)維護(hù)保養(yǎng)中，發(fā)現(xiàn)離合器花鍵磨損嚴(yán)重，離合器密老化，具體情況如下：

1) 輸入軸花鍵(與摩擦片座內(nèi)花鍵配合處)工作齒面壓痕明顯，壓痕偏向輸入軸軸端，壓痕深度約1 mm，其余正常，如圖3所示。

2) 摩擦片座內(nèi)花鍵(與輸入軸外花鍵配合處)工作齒面存在偏載現(xiàn)象，外花鍵每個(gè)工作齒面(與內(nèi)摩擦片配合處)上均存在10處不同程度的壓痕，每處壓痕寬度約30 mm，最大深度約2 mm，如圖4所示。

圖4 摩擦片座外花鍵壓痕圖

3) 供油環(huán)處密封件嚴(yán)重磨損并已老化，部分已經(jīng)斷裂，如圖5所示。

圖5 供油環(huán)處密封件損壞圖

3 磨損機(jī)理分析

離合器潤滑油壓力為0.2～0.5 MPa，通過供油環(huán)進(jìn)入離合器內(nèi)部，經(jīng)過輸入軸中心油路、摩擦片座，對(duì)摩擦片進(jìn)行潤滑，帶走摩擦片座的內(nèi)外花鍵、摩擦片之間以及摩擦片與花鍵之間的蠕動(dòng)產(chǎn)生的熱量。

潤滑油流量充分，快速帶走熱量，花鍵和摩擦片的磨損速度相對(duì)比較慢。如果潤滑油泄漏或流量不足，則花鍵熱量長期聚集，造成潤滑油變質(zhì)使花鍵得不到潤滑，加速花鍵磨損。

同時(shí)，由于流量限制，花鍵微量磨粒無法被帶走而聚集，加速了花鍵的磨損。如流量過大，摩擦片高速運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)因攪油產(chǎn)生大量的熱量，無法使摩擦離合器快速冷卻。因此摩擦離合器的潤滑油過少或過多，都要引起離合器發(fā)熱，造成連接的花鍵磨損加速。

通過臺(tái)架試驗(yàn)調(diào)整離合器潤滑油流量，確保離合器不發(fā)熱。但在長期使用過程中，由于油路上相關(guān)密封件磨損、花鍵間隙變化，造成潤滑油路泄漏量加大，使離合器實(shí)際量逐步減少，最后達(dá)不到離合器的潤滑冷卻的流量要求。

通過上述分析可知，長期運(yùn)行后，供油環(huán)處密封件磨損程度逐步增大，導(dǎo)致實(shí)際進(jìn)入離合器潤滑油量逐漸減少，引起輸入軸和摩擦片座花鍵副磨損加速和間隙增加。

4 離合器供油油路仿真分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證離合器供油環(huán)密封磨損引起花鍵潤滑油流量泄漏值，采用ANSYS FLUENT軟件對(duì)管路內(nèi)部滑油的流動(dòng)特性進(jìn)行流場仿真分析，利用出口平均體積流量分析確定密封間隙引起的潤滑油的泄漏量。

4.1 模型建立

以離合器的潤滑油路建立有限元仿真模型(見圖6)，將供油環(huán)密封處設(shè)置為間隙分別為0、0.3、0.5、0.7 mm 4種工況進(jìn)行仿真。

R1為3組噴油口；R2為輸入軸花鍵處潤滑油；R3為供油環(huán)外部環(huán)槽油路；R4為供油環(huán)內(nèi)部環(huán)槽油路；R5為密封間隙(見圖右邊放大圖)；L1—L5為離合器內(nèi)部油路(見圖1)

本文中只考慮流體計(jì)算區(qū)域，其中流動(dòng)介質(zhì)采用三維穩(wěn)態(tài)不可壓縮流體液態(tài)潤滑油，忽略流體計(jì)算區(qū)域與外界以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間的熱流交換。只求解連續(xù)性方程與動(dòng)量方程。其材料參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)

入口邊界為壓力入口，壓力值為0.5 MPa，出口為壓力出口(因?yàn)樽杂沙隹诋a(chǎn)生回流，導(dǎo)致不收斂)。

其中可以描述為

x=0,w=Pin=0.5 MPa,u=w=0,

x=L,w=pout=0

流體計(jì)算區(qū)域采用四面體網(wǎng)格。網(wǎng)格數(shù)量為1 445 120，計(jì)算模型為k-ε湍流模型，求解方法為Coupled求解方法，離散格式為二階迎風(fēng)格式。其中求解的控制方程如下式所示。

連續(xù)性方程

(1)

動(dòng)量方程

(2)

即

i,j=1，2，3

4.2 仿真結(jié)果

分別按4種工況進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算,進(jìn)行流速與流場分布仿真，選取間隙為0和0.5 mm 2個(gè)工況為例。具體如下：

1) 間隙值為0的流速仿真結(jié)果

通過分析可知，當(dāng)供油環(huán)入口處間隙為0時(shí)，其最大流速為3.027e+001 m/s，出口處的最大流速為5.000e+000 m/s。入口處、出口處流場分布矢量分別如圖7、圖8所示。其余各部分流場分布如圖9、圖10所示。

圖7 間隙為0工況下入口處流場分布矢量圖

圖8 間隙為0工況下出口流場分布矢量圖

圖9 間隙為0工況下軸向視圖流場分布圖

圖10 無間隙情況下側(cè)視剖面流場分布圖

2) 間隙值為0.5 mm的流速仿真結(jié)果

通過分析可知，當(dāng)供油環(huán)入口處間隙為0.5 mm時(shí)，其最大流速為3.21e+001 m/s，出口處的最大流速為5.000e+000 m/s。入口處、出口處流場分布矢量分別如圖11、圖12所示。其余各部分流場分布如圖13、圖14所示。

圖11 間隙為0.5 mm時(shí)入口流場分布矢量圖

圖12 間隙為0.5 mm時(shí)出口流場分布矢量圖

圖13 間隙為0.5 mm軸向視圖流場分布圖

3) 流量仿真結(jié)果

由流場分布圖可知，供油環(huán)處密封件與輸入軸外圓存在間隙的情況下嚴(yán)重影響流場的分布。經(jīng)過分析可知流量在間隙不同情況下發(fā)生很大變化，具體如表2所示。

表2 試驗(yàn)流量

從上述仿真分析可知：

1) 沒有間隙泄漏時(shí)，由于管道阻尼的影響，出口流量有微小降低趨勢；

2) 隨著泄漏量增大，入口流量有所增加，出口流量逐步減少；

3) 隨著泄漏量增大，出口處的流速逐步下降，出口處潤滑油壓力無法形成，導(dǎo)致離合器脫排時(shí)間延長。

5 離合器密封泄漏試驗(yàn)驗(yàn)證

為了進(jìn)一步研究潤滑油量對(duì)離合器花鍵磨損的影響，通過按比例人為控制離合器的潤滑油流量，對(duì)離合器進(jìn)行高速運(yùn)行，再拆檢離合器花鍵磨損情況。

5.1 試驗(yàn)簡介

濕式摩擦離合器試驗(yàn)臺(tái)(如圖15所示)由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、聯(lián)軸器、離合器試驗(yàn)箱、稀油站等組成，試驗(yàn)時(shí)試驗(yàn)用潤滑油、滑油溫度、滑油油壓、離合器工作油壓等均與實(shí)船離合器保持一致。試驗(yàn)前先檢查輸入軸和摩擦片座花鍵副的幾何參數(shù)和花鍵參數(shù)，便于試驗(yàn)后對(duì)比相關(guān)數(shù)據(jù)和參數(shù)。

1.驅(qū)動(dòng)電機(jī); 2.萬向聯(lián)軸節(jié); 3.SY479試驗(yàn)箱

5.2 試驗(yàn)及拆檢情況

1) 試驗(yàn)工況

在滑油壓力0.45～0.55 MPa、額定轉(zhuǎn)速520 r/min條件下進(jìn)行試驗(yàn)，通過調(diào)節(jié)離合器的供油流量，按額定流量150 L/min，分別按20%、40%、60%、80%、100%試驗(yàn)流量工況減少流量逐步進(jìn)行離合器運(yùn)行試驗(yàn)，具體工況如表3所示。

表3 試驗(yàn)流量

2) 試驗(yàn)拆檢情況

考慮到試驗(yàn)時(shí)間不長以及拆檢定性分析，只進(jìn)行了2次拆檢，第1次是在運(yùn)行6 h后，即第3工況完成后進(jìn)行；第2次拆檢是全部12 h試驗(yàn)后進(jìn)行,具體情況如下：

① 6 h拆檢情況：

試驗(yàn)后拆檢輸入軸以及摩擦片座花鍵副發(fā)現(xiàn)輕微接觸痕跡，內(nèi)摩擦片、外摩擦片無異常，如圖16所示。

圖16 第1次拆檢輸入軸花鍵

② 12 h拆檢情況：

試驗(yàn)后拆檢輸入軸以及摩擦片座花鍵副有明顯接觸痕跡，公法線值沒有變化，從而說明磨損量無法檢測到；內(nèi)摩擦片、外摩擦片均無異常，具體拆檢情況如圖17所示。

圖17 第2次拆檢輸入軸花鍵

6 結(jié)論

雖然試驗(yàn)時(shí)間較短，無法完全模擬實(shí)船的離合器長時(shí)間運(yùn)行后花鍵的磨損情況，但通過極端缺油試驗(yàn)，得出如下結(jié)論：

1) 隨著潤滑油減少，花鍵長期運(yùn)行后磨損逐步增大；

2) 在極端缺油情況下，花鍵運(yùn)行4 h后表面有一定變色但沒有發(fā)生膠合或損壞，表明花鍵承載能力在短時(shí)間缺油條件下不會(huì)快速降低，可在應(yīng)急保障條件下使用。

3) 本船離合器的花鍵損壞是由于長期磨損和潤滑油逐步泄漏冷卻不充分2個(gè)因素導(dǎo)致的。