某Z型全回轉舵槳裝置離合器故障分析及改進

孫 凱，王建強，邱曉峰，王錦偉，鄒 波

(武漢船用機械有限責任公司，武漢 430084)

某Z型全回轉舵槳裝置離合器故障分析及改進

孫 凱，王建強，邱曉峰，王錦偉，鄒 波

(武漢船用機械有限責任公司，武漢 430084)

針對某Z型全回轉舵槳裝置工作過程中，隨著系統油溫升高，液壓離合器接排壓力急劇下降，出現自動脫排，導致全回轉舵槳裝置無法正常工作的問題，通過分析液壓離合器接、脫排控制油工作原理，結合該全回轉舵槳裝置實際工作中出現的故障，提出配油機構優化設計及改進措施。

Z型全回轉舵槳；液壓離合器；配油機構；優化設計與改進

1 故障現象描述

某自升式輔助平臺上安裝有2臺Z型全回轉舵槳裝置，原動機為柴油機，柴油機額定功率為1 760 kW，額定轉速為1 000 r/min，Z型全回轉舵槳裝置的齒輪箱為國內齒輪箱制造商配套，齒輪箱離合器采用液壓多片式摩擦離合器，該系統離合器按照齒輪箱廠商要求設定為1.6～2.0 MPa，平臺在系泊試驗時，Z型全回轉舵槳裝置怠速接排后，主機轉速緩慢提高至800 r/min，在主機轉速增加的過程中，離合器接排壓力呈下降趨勢，主機以800 r/min連續運行約1.5 h后，系統出現接排壓力低報警，離合器出現脫排現象。

2 故障分析和排查

2.1 液壓離合器接排、脫排控制原理

液壓離合器接排、脫排控制原理見圖1。

圖1 離合器接排/脫排原理

主機啟動即P2泵啟動，V25閥得電，V24閥壓力設置為0.8 MPa，P2泵壓力達到0.8 MPa以上時，V22閥打開，系統開始對Z型全回轉舵槳裝置的軸承、離合器等潤滑點進行潤滑，同時將一部分油液抽送至膨脹油箱。當控制系統發出“接排”指令時，V25閥失電，同時V26閥得電，V23閥壓力設置為2.4 MPa，系統壓力達到1.8 MPa時離合器接排。接排壓力油通過V26閥進入LA，離合器接排，離合器接排后，當V26閥前壓力增大至2.4 MPa時，V23閥開啟。然后V22閥也開啟，系統在維持離合器接排壓力的情況，保持對各潤滑點的強制潤滑。

2.2 離合器故障排查和分析過程

2.2.1 檢查系統流量變化是否會引起接排壓力變化

該系統由機帶泵驅動供油，機帶泵轉速隨主機轉速變化而變化，當主機轉速變化時會導致機帶泵流量變化，那么在主機轉速變化范圍內，離合器接排壓力的變化范圍將可能導致故障發生。為排查此原因，將離合器接排工作油路LA口封堵，通過工裝變頻電機驅動P2泵，不斷調節變頻電機的轉速來調節泵的流量，模擬實船主機轉速變化，工裝電機轉速從400 r/min變化到1 000 r/min，試驗結果表明：隨著電機轉速提高，離合器接排壓力少量升高；電機轉速下降，離合器接排壓力少量下降，但是電機從400～1 000 r/min之間變化時，離合器接排壓力最大變化值約為0.1 MPa；電機轉速不變時，離合器接排壓力基本不變。該試驗結果表明：在溫度不變時，系統流量變化會引起接排壓力變化約0.1 MPa，但是不會引起離合器脫排。而實際系泊試驗時，壓力波動超過0.4 MPa，導致離合器脫排，所以該原因可以排除。

2.2.2 檢查離合器接排油路是否存在泄漏

齒輪箱內部結構圖見圖2。如果齒輪箱配油機構、油缸等內部結構存在較大泄漏，會導致導致運行過程中合排壓力不穩定。為排查此原因，使用流量為60 L/min的工裝泵站(與實際場額定工況一致)，向離合器接排進油口LA泵壓，保證LA口壓力為2 MPa，同時測量不同溫度下LB口和離合器油缸泄漏量。由于試驗條件限制，回油LB口油溫達到42 ℃時就趨于熱平衡。試驗結果顯示：單獨對油缸進行1.8 MPa泵壓試驗，測得泄漏量約為6滴/min。而齒輪箱離合器配油機構存在較大泄漏，且隨著油溫上升，從LB口泄漏量越大，在油溫42 ℃時，總泄漏量已達到11.1 L/min。測量齒輪箱配油環和配油軸(軸徑55 mm)的實際配合間隙為0.35～0.37 mm。所以，離合器壓力波動大與齒輪箱配油機構的泄漏量大有直接關聯。

圖2 齒輪箱內部結構

2.2.3 泄漏量與溫度和壓力的關系

1)配油機構泄漏量計算。齒輪箱配油機構由配油軸和配油環組成，配油軸和配油環之間采用機械密封，機械密封存在一定的泄露，其泄漏量關系可以使用如下公式表示。

配油環與配油軸同心時，泄漏量為[1]

(1)

配油環與配油軸安全偏心時，泄漏量為

Q偏心=2.5Q同心

(2)

μ=ν×ρ×e0.02p×10-6-0.05×(t-40)

(3)

式中：Q——配油機構泄漏量,L/min;d——配油軸直徑,mm;δ——配油軸與配油環之間間隙,mm;p——壓力,Pa;L1，L2——密封長度,mm;μ——油液粘度,Pa·sν——油液運動粘度,m2/s;t——油液溫度,℃;ρ——油液密度,kg/m3。

試驗過程中，LA口壓力為2 MPa，配油環與配油軸之間間隙為0.35～ 0.37 mm，配油軸直徑為55 mm，密封長度分別為30 mm和25 mm，油液為L-CKC68齒輪油，泄漏量與溫度變化關系見圖3。

圖3 配油機構間隙0.35～0.37 mm時，泄漏量與溫度關系

由圖3可以看出，42 ℃時，配油軸與配油環同心時，泄漏量為14.33 L/min至14.57 L/min，與實際試驗結果11.1 L/min基本吻合。如果油液溫度達到65 ℃，泄漏量將達到38.9～46 L/min，此處泄漏量將消耗大部分系統流量，導致系統不能正常工作。

溫度升高時，由于配油環材料是ZQSn10-1，配油軸材料是42CrMo，2種材料的膨脹系數不同，其密封間隙也是在增大，通過計算，當溫度由20 ℃上升至65 ℃，其配合間隙會增大0.012 mm，這樣會導致其泄漏量進一步增大。系統流量將全部從此處泄漏，離合器無法建立油壓。

2)系統壓力損失計算。通過對閥塊進行計算，在LA口泄漏量達到11 L/min時，其閥塊上壓損為0.02 MPa，隨著泄漏量不斷加大，其閥塊上壓損不斷增大，當泄漏量達到43 L/min時，閥塊壓損可達到0.127 4 MPa，此計算結果均未包含換向閥V26閥件本身的壓損。

經查閥件樣本，其在油液運動粘度46 mm2/s時閥件本身的壓力損失約為0.3 MPa，即在齒輪箱內部泄漏量43 L/min時，冷卻潤滑系統總流量最大流量才60 L/min，冷卻潤滑單元閥塊和V26換向閥這一段壓差，即PS2處和PS3處之間壓差可達0.427 4 MPa，與系泊試驗時的現象一致，最終導致離合器脫排。

3 故障解決措施

3.1 配油機構配合間隙優化設計

離合器壓力波動與配油機構的泄漏量有直接聯系，結合公司多年調距槳配油機構設計經驗，將配油機構的間隙優化設計，即使溫度達到65 ℃時的泄漏量也只有約1 L/min(見圖4)，經過仿真計算，在該泄漏量下，其齒輪箱接排壓力下降不到0.01 MPa，滿足系統要求。

圖4 配油機構間隙優化設計后，泄漏量與溫度關系

3.2 配油環優化設計

配油環材料由ZQSn10-1修改為20鋼，同時配油環與配油軸配合間隙位置澆鑄巴士合金，一方面提高耐磨性能，另一方面使配油環與配油軸的材料膨脹系數相差不大，減小因為材料膨脹系數不同導致配油環和配油軸的間隙增大，從而導致泄漏量增大；

3.3 配油環浮動性優化設計

將原來LA和LB接口處的鋼管修改為軟管，保持配油環在配油軸高速旋轉運動時處于浮動狀態，減小運轉過程中由于裝配導致的偏磨現象，避免出現配油軸與配油環出現完全偏心泄漏，減小泄漏量。

4 實船驗證

4.1 系泊試驗驗證

整改完成后，該船在碼頭進行系泊試驗，按照船級社認可的試驗大綱進行試驗共5 h，各轉速下運行時間見表1。

序號主機轉速/(r·min-1)運行時間/min1430102630203730304810240

試驗初始怠速設定合排壓力約為1.8 MPa，試驗結束后合排壓力約為1.78 MPa。試驗最后進行810→430→810 r/min往復急升降速試驗，結果顯示壓力波動范圍小于0.05 MPa。

4.2 航行試驗驗證

該平臺系泊試驗結束后按照船級社認可的航行試驗大綱進行了為期3天的航行試驗，試航期間進行了正常航行工況主機700 r/min運轉、額定轉速1 000 r/min、主機110%工況運轉及動力定位等各項試驗，主機連續工作3 d期間離合器壓力波動均小于0.05 MPa。

5 結論

掌握Z型全回轉離合器工作過程中控制壓力變化的關鍵影響因素及變化規律，對于全回轉舵槳制造企業提高系統集成設計能力及綜合分析解決實船問題能力均具有重要意義。

[1] 成大先.機械設計手冊[M]. 5版.北京：化學工業出版社，2008.

Fault Analysis and Improvement of the Actuated Clutch for a Azimuth Thruster

SUN Kai, WANG Jian-qiang, QIU Xiao-feng, WANG Jin-wei, ZOU Bo

(Wuhan Marine Machinery Plant Co. Ltd., Wuhan 430084, China)

During the azimuth thruster unit working, the hydraulic actuated clutch appears low oil pressure alarm with high oil temperature, and then the clutch disengage, it makes the azimuth thruster working abnormally. According to analyze the principle of hydraulic actuated clutch engage and disengage, and combining to failure cause for the azimuth thruster, some optimization design and improvement measures were provided for the oil distribution, so that the azimuth thruster can work well.

azimuth thruster; hydraulic actuated clutch; oil distribution; optimization design and improvement measures

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.06.016

2016-07-24

國家發改委項目(發改辦高校[2015]1409號)

孫 凱 (1978—)，男，學士，高級工程師

U664.3

A

1671-7953(2016)06-0072-04

修回日期：2016-08-24

研究方向:液壓傳動技術

E-mail:sunkai@wmmp.com.cn