發(fā)動機臺架聯(lián)軸器應用與故障分析

李亞東 范振勇 劉金磊

（濰柴動力股份有限公司，濰坊 261108）

1 研究背景

發(fā)動機試驗臺架振動大小通常與3個因素有關(guān)，分別是發(fā)動機臺架高彈聯(lián)軸器、臺架基礎(chǔ)隔振系統(tǒng)和發(fā)動機隔振墊塊。發(fā)動機隔振墊塊根據(jù)發(fā)動機及臺架各項參數(shù)匹配確定，這里不再詳細闡述。臺架基礎(chǔ)隔振系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1 臺架基礎(chǔ)隔振系統(tǒng)一般結(jié)構(gòu)形式

基礎(chǔ)隔振器選型通常與臺架載荷、質(zhì)心分布以及運行工況等因素有關(guān)。通過選型匹配，一般將臺架隔振效率控制在93%以上，系統(tǒng)頻率控制在4 Hz以下。這種情況下，基本能排除臺架基礎(chǔ)隔振對發(fā)動機運行產(chǎn)生的影響。除以上原因外，臺架高彈聯(lián)軸器的應用將對臺架運行狀態(tài)優(yōu)劣具有重要作用。發(fā)動機在試驗臺架上，且在發(fā)電機組、工程機械和船機等領(lǐng)域中一般都應用高彈聯(lián)軸器，作用是將發(fā)動機輸出扭矩平穩(wěn)可靠地傳遞至后端[1]。高彈聯(lián)軸器的狀態(tài)優(yōu)劣直接影響動力輸出，使用過程中常出現(xiàn)老化、高溫融化以及過載斷裂等現(xiàn)象[2]。實際應用中，往往高彈聯(lián)軸器出現(xiàn)故障才被動更換，給動力傳遞帶來了一定隱患。鑒于高速高彈聯(lián)軸器較廣的應用范圍，為便于分析，將重點闡述臺架高速高彈聯(lián)軸器的相關(guān)應用與研究。

2 一般性結(jié)構(gòu)介紹

2.1 臺架軸系連接一般性結(jié)構(gòu)

以目前行業(yè)較為普遍的臺架結(jié)構(gòu)為例，發(fā)動機試驗臺架軸系基本由測功機、扭矩法蘭、彈性膜片、中間支撐、萬向軸、高彈聯(lián)軸器、飛輪過渡盤以及發(fā)動機等組成。部分臺架會根據(jù)實際需求取消中間支撐、彈性膜片等結(jié)構(gòu)。試驗臺架軸系一般性結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。

圖2 試驗臺架軸系一般性結(jié)構(gòu)簡圖

2.2 高彈聯(lián)軸器的一般性結(jié)構(gòu)

以目前較為常見的高速高彈聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)為例，它主要由外連接盤、軸向軸承片、徑向軸承片、內(nèi)連接盤、內(nèi)鋼法蘭、外鋼法蘭、彈性硫化體和連接螺栓等組成，結(jié)構(gòu)簡圖如圖3所示。

圖3 簡圖高速高彈聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)

3 高彈聯(lián)軸器應用

高彈聯(lián)軸器的選型匹配一般從適用性、功能性和裝配性3個方面進行考慮。

首先，適用性是對高彈聯(lián)軸器匹配選型的初步選型。通過發(fā)動機關(guān)鍵參數(shù)如最大扭矩、最高轉(zhuǎn)速等判斷該高彈聯(lián)軸器是否能用。一般準則是確保高彈聯(lián)軸器額定扭矩不低于發(fā)動機最大扭矩的1.2倍，萬向軸不低于最大扭矩的3倍（高彈聯(lián)軸器使用壽命約為8 000 h，萬向軸使用壽命約為20 000 h）。

其次，功能性是對高彈聯(lián)軸器匹配選型的詳細選型。通過發(fā)動機怠速、發(fā)動機轉(zhuǎn)動慣量、測功機轉(zhuǎn)動慣量以及高彈聯(lián)軸器轉(zhuǎn)動慣量（J1和J2）等詳細參數(shù)計算臺架軸系共振區(qū)間，判斷該高彈聯(lián)軸器是否可用。

最后，裝配性是對高彈聯(lián)軸器的安裝可行性的判斷。通過發(fā)動機飛輪圖、高彈聯(lián)軸器圖、測功機輸出端尺寸等參數(shù)確定裝配結(jié)構(gòu)，判斷是否需設計過渡連接盤實現(xiàn)其連接[3]。裝配性的匹配選擇流程如圖4所示。

圖4 裝配性的匹配選擇流程

通過高彈聯(lián)軸器與之相匹配結(jié)構(gòu)實際應用數(shù)據(jù)匯總分析，高速高彈聯(lián)軸器軸系各匹配副尺寸整理匯總表如表1所示（基于標準飛輪和常用萬向軸接口尺寸整理）。通常萬向軸接口尺寸有5個類別，飛輪端接口尺寸有5個類別（特殊機型除外），根據(jù)實際連接環(huán)境不同，共有6組匹配形式。針對不同機型不同的飛輪結(jié)構(gòu)，明確需匹配的過渡連接盤結(jié)構(gòu)，可為高彈聯(lián)軸器的匹配應用提供參考依據(jù)。

表1 高速高彈聯(lián)軸器軸系各匹配副尺寸整理匯總表

4 高彈聯(lián)軸器故障成因分析

一般在工作狀態(tài)下的動態(tài)負荷和工作過程中發(fā)生變化的彈性體特性，會使高彈聯(lián)軸器有一種復雜的負荷曲線，從而導致其硫化體狀態(tài)異常。

常見故障成因如下。

（1）疲勞：重復出現(xiàn)的負荷失效，引起材料發(fā)熱。

（2）熱破壞：環(huán)境溫度過高或高頻連續(xù)交變負荷產(chǎn)生阻尼功，材料發(fā)熱。

（3）過載斷裂：受高于斷裂強度的靜態(tài)負荷而失效，由于提前疲勞可能已產(chǎn)生裂紋，較小的負荷就可能導致故障。

（4）老化：彈性體表面與周圍環(huán)境介質(zhì)間發(fā)生化學反應破壞分子結(jié)構(gòu)，導致表面受損，降低了疲勞和過載斷裂的負荷極限。

（5）裝配超差：高彈聯(lián)軸器安裝對中偏差較大，使高彈內(nèi)部承載部件受力不均，導致彈性體形變過大，內(nèi)部定位部件受力[4]。

5 典型故障分析

5.1 高彈聯(lián)軸器損壞典型故障分析一

某型號發(fā)動機在臺架上進行200 h前端輪系瞬態(tài)循環(huán)耐久試驗，在試驗進行約130 h時發(fā)現(xiàn)連接發(fā)動機與萬向軸的高彈聯(lián)軸器發(fā)生硫化橡膠斷裂，導致整個高彈聯(lián)軸器報廢。現(xiàn)場照片如圖5和圖6所示。

圖5 聯(lián)軸器與萬向軸裝配圖

圖6 硫化橡膠斷裂的聯(lián)軸器

高彈聯(lián)軸器運行工況異常，試驗在低怠速、標定轉(zhuǎn)速、最高空車轉(zhuǎn)速、停車設定點的條件下特定循環(huán)，循環(huán)一次共13 s，每5個循環(huán)起動1次，共運行200 h，循環(huán)工況如圖7所示。

圖7 試驗循環(huán)圖

結(jié)合高彈聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)簡圖（如圖8所示）進行故障分析，發(fā)現(xiàn)連續(xù)的交變負荷、頻繁突加減負荷以及頻繁經(jīng)過怠速以下的共振區(qū)域的循環(huán)工況，是造成高彈聯(lián)軸器損壞的主要原因。

圖8 高彈聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)典型故障一示例圖

考慮存在的問題，在進行特殊工況試驗時，一是要考慮高彈聯(lián)軸器的疲勞損耗，二是要加強軸向連接機構(gòu)的安全防護，三是要縮短定期檢查軸向連接機構(gòu)的周期。

5.2 高彈聯(lián)軸器損壞典型故障分析二

高彈聯(lián)軸器軸向軸承偏移斷開，臺架振動超標，現(xiàn)場如圖9所示。

圖9 高彈聯(lián)軸器損壞現(xiàn)場

結(jié)合高彈聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)簡圖（如圖10所示）進行故障分析，此故障主要由以下3個因素引起。第一，結(jié)構(gòu)。該高彈聯(lián)軸器的軸向定位的軸承片固定方式不合理。第二，老化。使用時間超限，部件磨損，配合間隙加大。第三，安裝超差。在對中操作時，無對中詳細數(shù)據(jù)，無法保證對中精度。如果對中偏差較大，將造成高彈內(nèi)部承載部件受力不均，內(nèi)部定位部件受力導致部件偏移，破壞整體結(jié)構(gòu)和動平衡。

圖10 高彈聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)典型故障二示例圖

一方面需完善萬向軸和高彈聯(lián)軸器使用累積小時計功能，對其進行全生命周期管控，建立定期檢查機制，到期強制檢修或報廢；另一方面，需規(guī)范臺架對中操作，提高對中準確度，使對中數(shù)據(jù)準確可靠，且具備可追溯性[5]。

6 結(jié)語

通過對高彈聯(lián)軸器選型匹配的分析，結(jié)合其在實際環(huán)境中的應用情況，以及對其進行典型故障分析，可見高彈聯(lián)軸器的合理選型匹配、安裝、使用直接關(guān)系整個軸系的安全性和可靠性。高彈聯(lián)軸器通過不同結(jié)構(gòu)和連接形式配置于試驗室、整車及發(fā)電機組等領(lǐng)域。正確的配置與使用，不但能平穩(wěn)可靠地傳遞扭矩，減少振動和噪聲，還能延長高彈聯(lián)軸器的使用壽命。鑒于高彈聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)形式和運行方式，為降低高彈聯(lián)軸器的故障率，運行狀態(tài)的預判非常必要。一方面，可以通過人為累計計算其存置時間和運行時間，也可以通過無線技術(shù)手段實現(xiàn)在線監(jiān)測，在到達極限使用時間前更換高彈聯(lián)軸器，避免發(fā)生故障；另一方面，針對極端苛刻的運行工況應提前分析評估，做好預備方案。隨著監(jiān)測技術(shù)手段的不斷升級更新，這種情況用無線在線監(jiān)測技術(shù)手段更為方便。運行過程中一旦發(fā)現(xiàn)高彈聯(lián)軸器參數(shù)異常，可及時停機排查以避免故障的發(fā)生。