風(fēng)機(jī)離心離合器使用壽命及提高方案分析

摘要：環(huán)衛(wèi)車中洗掃車是道路清掃作業(yè)的主力車型，其可靠程度受到用戶的高度關(guān)注。而其中的傳動(dòng)部分又是整個(gè)車型的關(guān)鍵，相關(guān)傳動(dòng)件的可靠性及壽命是環(huán)衛(wèi)車輛研發(fā)企業(yè)重點(diǎn)關(guān)注項(xiàng)。離心離合器通常被用作洗掃車風(fēng)機(jī)啟?？刂?，可以最大限度地降低風(fēng)機(jī)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)等動(dòng)力源件的沖擊，在相關(guān)產(chǎn)品中應(yīng)用廣泛。由此，從實(shí)際問(wèn)題出發(fā)，分析問(wèn)題的原因并提出解決問(wèn)題的方案，通過(guò)優(yōu)化改進(jìn)達(dá)到提高離心離合器使用壽命的目的。

關(guān)鍵詞：離心離合器；環(huán)衛(wèi)車；壽命

中圖分類號(hào)：U461? 收稿日期：2024-03-15

DOI：1019999/jcnki1004-0226202406023

1 前言

洗掃車在內(nèi)的道路清掃類車型通常由二類汽車底盤(pán)改裝，并加裝清水箱、垃圾箱、副車架、左右掃盤(pán)、氣路系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、高壓水路系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)及傳動(dòng)系統(tǒng)等專用件。通過(guò)風(fēng)機(jī)的抽吸使垃圾箱內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓，工作過(guò)程中與地面接觸的吸嘴通過(guò)軟管與箱體相連，使得吸嘴內(nèi)同樣產(chǎn)生負(fù)壓，與外界產(chǎn)生壓力差進(jìn)而產(chǎn)生氣流將垃圾吸入垃圾箱內(nèi)，整個(gè)過(guò)程的關(guān)鍵點(diǎn)在于風(fēng)機(jī)參與組成的氣力輸送系統(tǒng)［1］。風(fēng)機(jī)葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量偏大，加載過(guò)程對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)帶來(lái)較大的沖擊，易出現(xiàn)磨損或者發(fā)熱甚至損壞。圖1為道路清掃產(chǎn)品原理圖。

2 工作原理

離心離合器廣泛用于機(jī)械傳動(dòng)中，能隨轉(zhuǎn)速的變化自動(dòng)結(jié)合或分離，起到減小啟動(dòng)負(fù)荷及安全保護(hù)的作用［1］。圖2為風(fēng)機(jī)離心離合器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。

以某型號(hào)洗掃車為例，風(fēng)機(jī)采用離心離合器傳動(dòng)。離心離合器在輸入軸轉(zhuǎn)速小于600 r/min時(shí)不嚙合，轉(zhuǎn)速超過(guò)600 r/min后，離合器緩慢跟轉(zhuǎn)；當(dāng)輸入軸轉(zhuǎn)速大于800 r/min后，進(jìn)入工作狀態(tài)。在轉(zhuǎn)速較慢時(shí)期甩塊在彈簧力的作用下，會(huì)隨著內(nèi)圈一同轉(zhuǎn)動(dòng)，但隨著轉(zhuǎn)速的升高，甩塊的離心力大于彈簧的作用力后，甩塊與外圈摩擦傳遞扭矩。

3 主要原因及解決方案

從工作原理不難發(fā)現(xiàn)，離合器在嚙合過(guò)程中不可避免地存在外圈與甩塊之間的速度差造成的摩擦現(xiàn)象，該現(xiàn)象是離合器出現(xiàn)磨損的主原因，尤其是在高速大扭矩狀態(tài)下的磨損尤為嚴(yán)重。整個(gè)嚙合過(guò)程大致分成三個(gè)階段：第一階段為初始嚙合階段，此時(shí)出現(xiàn)打滑現(xiàn)象；第二階段為離合器完全嚙合，但未達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速階段；第三階段為目標(biāo)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定輸出階段。

風(fēng)機(jī)離心離合器為摩擦式離合器，離合器計(jì)算轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式為：

[Tc=KTKvKm]????????????????????????????????????????????????? （1）

式中，[Tc]為離合器計(jì)算轉(zhuǎn)矩，選用離合器時(shí)，Tc小于等于離合器的額定轉(zhuǎn)矩；T為離合器的理論轉(zhuǎn)矩；K為工況系數(shù)，對(duì)于干式摩擦離合器可取較大值，對(duì)于濕式摩擦離合器可取較小值；[Km]為離合器接合頻率系數(shù)；[Kv]為離合器滑動(dòng)速度系數(shù)。

一般設(shè)計(jì)的理論工況系數(shù)選擇K=1.3。

實(shí)際計(jì)算中，風(fēng)機(jī)離心離合器還要再考慮工作儲(chǔ)備系數(shù)，相關(guān)公式如下：

[Tc=βTt]?????????????????????? ??????????（2）

式中，[Tt]為需傳遞的轉(zhuǎn)矩；β為工作儲(chǔ)備系數(shù)，一般取β＝1.5～2。

目前設(shè)計(jì)時(shí)取K=1.3，β=1.5。但在實(shí)際使用過(guò)程中，風(fēng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)后，因灰塵粘結(jié)或風(fēng)機(jī)震動(dòng)等原因，造成風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)矩增大，加之啟動(dòng)過(guò)程中負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，一般常規(guī)的工作儲(chǔ)備系數(shù)設(shè)計(jì)偏小，易超出設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)矩范圍，造成離合器工作過(guò)程異常打滑，出現(xiàn)損壞風(fēng)險(xiǎn)。

離心離合器的閘塊有效離心力Q計(jì)算公式：

[Q=mrπ2（n2?n20）90 000≥Qj]????????????????? （3）

[Qj=TcRμz]???? ???????????????????????????（4）

式中，r為閘塊質(zhì)心所處半徑；n為正常工作轉(zhuǎn)速；[n0]為開(kāi)始接合轉(zhuǎn)速，r/min，一般取[n0]＝（0.7～0.8）n；m為單個(gè)閘塊質(zhì)量；[Qj]為傳遞轉(zhuǎn)矩所需離心力；[Tc]為計(jì)算轉(zhuǎn)矩；R為閘塊外半徑；μ為摩擦面材料摩擦因數(shù)；z為閘塊數(shù)量。

從公式可得，離心離合器的閘塊有效離心力與閘塊質(zhì)心所處半徑、單個(gè)閘塊質(zhì)量成正比。因此，在一定范圍內(nèi)增加離合器的直徑或增加單個(gè)閥塊的質(zhì)量，可以提高正壓力，從而增加離合器的輸出扭矩。

通常離心離合器的摩擦片材質(zhì)采用青銅合金，離合器外殼材料是45鋼，根據(jù)表1查詢摩擦因數(shù)為0.15～0.18。若將摩擦面材料45鋼替換為鑄鐵，可將摩擦因數(shù)由0.15～0.18提高到0.28，大幅提高離合器的輸出扭矩。

根據(jù)實(shí)際使用的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得，掃路車風(fēng)機(jī)離心離合器在安全系數(shù)為2～2.5倍時(shí)能達(dá)到較為理想的壽命效果。上述兩項(xiàng)改進(jìn)能使較小的成本實(shí)現(xiàn)離合器輸出扭矩的提升，從而滿足安全系數(shù)的要求，進(jìn)而提高離合器的使用壽命。

4 外部原因及解決方案

4.1 負(fù)載的特殊性

掃路車風(fēng)機(jī)通常采用的是離心風(fēng)機(jī)，離心風(fēng)機(jī)的特性曲線，即壓力P、效率η、功率N與流量Q的關(guān)系曲線如圖4所示。

由風(fēng)機(jī)性能曲線可知，同一轉(zhuǎn)速下，風(fēng)機(jī)功率（扭矩）會(huì)隨著風(fēng)機(jī)開(kāi)口（風(fēng)量）的增加而增加。而掃路車傾倒垃圾時(shí)，需要對(duì)箱體進(jìn)行舉升，此時(shí)風(fēng)機(jī)的開(kāi)口會(huì)變大，且需要上裝的水路進(jìn)行輔助，就需要上裝動(dòng)力啟動(dòng)。因大部分風(fēng)機(jī)水泵為同一動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)，風(fēng)機(jī)不可避免地也會(huì)跟隨啟動(dòng)，此時(shí)風(fēng)機(jī)的功率通常會(huì)達(dá)到工作狀態(tài)下的兩倍，若按照此工況設(shè)計(jì)離心離合器，離合器的能力在正常工作時(shí)冗余偏大，成本也偏高，因此并不合理。為此，在風(fēng)機(jī)出風(fēng)口處增加自動(dòng)節(jié)流裝置，非工作期間降低風(fēng)機(jī)開(kāi)口大小，可降低所需功率，降低離合器扭矩需求，從而達(dá)到保護(hù)離心離合器的作業(yè)。

4.2 離合器維護(hù)改進(jìn)

從離合器原理可知，離合器在使用過(guò)程中會(huì)存在滑動(dòng)摩擦，不可避免地出現(xiàn)粉塵顆[粒[2]]。其他領(lǐng)域的離心離合器通常采用開(kāi)放式結(jié)構(gòu)，可以將粉塵顆粒隨時(shí)排除，能時(shí)刻保持較好的工作環(huán)境。圖5所示為開(kāi)放式離合器。

環(huán)衛(wèi)車的特殊工況大多為多粉塵、多水霧工況，離合器不適合開(kāi)放結(jié)構(gòu)。因此該所用離合器大部分為封閉結(jié)構(gòu)，灰塵顆粒無(wú)法及時(shí)排除，不可避免地會(huì)夾在摩擦片和外圈之間，造成了嚙合不充分，易造成異常打滑而進(jìn)一步磨損，離合器迅速失效。圖6為封閉式離合器使用較長(zhǎng)時(shí)間拆開(kāi)后粉塵情況。

為此，在保證粉塵顆粒及時(shí)排出情況下，需防止水霧進(jìn)入離合器內(nèi)部，在離合器端設(shè)置迷宮式排灰口，出口位于離合器側(cè)面，利用離合器本身的離心力將粉塵甩出離合器。同時(shí)在離合器徑向外端設(shè)置排水環(huán)，同樣利用離心力將飛濺到離合器上的水及外部顆粒甩開(kāi)，避免進(jìn)入離合器內(nèi)部，從而解決了上述問(wèn)題。圖7所示為改進(jìn)型離合器。

5 結(jié)語(yǔ)

掃路車風(fēng)機(jī)離心離合器的使用工況較差，需要較高的安全系數(shù)才能滿足風(fēng)機(jī)各工況的使用，應(yīng)盡可能改變上裝的結(jié)構(gòu)避免沖擊，優(yōu)化離合器結(jié)構(gòu)滿足高粉塵高水霧的工作環(huán)境。通過(guò)上述的改進(jìn)措施，最終實(shí)現(xiàn)以有限成本來(lái)提升離合器壽命的目的。

參考文獻(xiàn)：

[1]林石離心離合器的壓緊力及摩擦扭矩[J]機(jī)械強(qiáng)度，1993（3）：20-23

[2]宋培欣自動(dòng)離心離合器的設(shè)計(jì)[J]壓縮機(jī)技術(shù)，1991（3）：12-18.

作者簡(jiǎn)介：

彭彥陽(yáng)，男，1982年生，工程師，研發(fā)方向?yàn)槊簩．a(chǎn)品及環(huán)衛(wèi)車輛。