對閥控調速型液力偶合器的可靠性探討

齊鳳，李新偉，劉桂英

（中國石油集團濟柴動力總廠，山東 濟南 250306）

在鉆井工藝中，過去采用的單機泵組需要經過柴油機、氣囊離合器、減速箱、皮帶等結構對鉆井泵進行驅動，不僅系統龐大、復雜，并且也只能通過更換缸套或調節油門實現流量和泵壓調節，難以滿足工藝需求。進行閥控調速型液力偶合器的設計研發，則能在不更換缸套條件下實現對流量和泵壓的調節。但在實際設計過程中，為確保產品的實用性，還要進行產品的可靠性分析，以加強產品設計改進。

1 閥控調速型液力偶合器概述

閥控調速型液力偶合器為新型液力偶合器傳動裝置，需要利用進口閥控調節+固定導管排油的調速方案實現對傳統傳動系統改造。該裝置采用的是箱體結構，內部存在有電磁閥、固定導管、電動機和液壓泵等零部件，對原本泵帶有的龐大導管及殼體進行了拼裝，以減小裝置體系，確保裝置結構緊湊。利用兩支電磁閥，裝置則能對工作腔的進、排油進行控制，以達到調節偶合器輸出轉速的目標。從功能上來看，裝置除了擁有傳統液力偶合器擁有的過載保護、減緩沖擊、帶載啟動等功能，還能實現無級調速，所以能夠輕松實現泵壓、泵沖等參數的調節。此外，由于裝置帶有快速離合功能，因此，能夠進行氣囊離合器的替代，可實現對石油鉆采、船舶等多領域泵、風機等設備的驅動，使各種工況需求得到滿足。

2 閥控調速型液力偶合器的可靠性分析

2.1 可靠性分析模型

在閥控調速型液力偶合器設計階段，還要對裝置的整機結構進行分析，反映裝置各部分間的關系，以便為裝置可靠性分析模型的建立奠定基礎。從整體上來看，偶合器應由控制部分、傳動部分、動力部分、執行部分、傳感部分和支撐部分構成，各部分之間存在信息流、物質流和能量流的傳遞。其中，動力部分只包含液壓泵，執行部分包含渦輪、輸出軸、過濾器和冷卻器，控制部分包含PLC控制、固定導管、減壓閥、控制閥組、溢流管等單元，支撐部分由軸承、箱體等構成，傳感部分由速度傳感器、壓力傳感器、液位開關、電磁線圈和溫度傳感器構成，傳動部分由輸入軸、彈性聯軸器等構成。如圖1所示，在運行的過程中，裝置各部分需要同時工作，確保裝置正常運行。

圖1 可靠性分析模型

2.2 裝置FMECA分析

結合液力傳動裝置的大量統計數據可知，這類裝置故障的發生為隨機事件，所以在裝置設計研發的過程中需要加強可靠性分析，以發現不可靠的零件和故障模式。為實現這一目標，還要采用正向綜合分析法FTF進行裝置可靠性分析，即將故障模式、影響與危害度分析FMECA與故障樹分析FTA結合在一起。在實際分析時，需先利用FMECA完成系統單一故障模式分析歸納，然后結合故障危害度級別，從高危害度的故障中進行某一故障模式選擇，并采用故障樹分析方法對其進行分析，以得到裝置設計改進建議。采用該種分析方法，可對裝置各組成單元潛在故障的影響進行分析，對人為、硬件、軟件等各種因素進行綜合分析，因此可以使裝置可靠性得到全面提升。如表1所示，為可能引起閥控調速型液力偶合器各類故障的零件故障模式嚴酷度類別。表中的A、B、C、D、E指的是故障模式發生概率等級，即故障模式發生概率占總故障概率，分別為＞20%、10%～20%、1%～10%、0.1%～1%、＜0.1%。

表1 閥控調速型液力偶合器零件故障模式嚴酷度類別

根據故障模式嚴酷度等級和概率等級，綜合分析可以發現，漏油和電磁閥阻塞為危害度最高的故障，其次危害較大的故障則為葉片斷裂、軸承損壞和勺管磨損。結合這一分析結果，可以將漏油和電磁閥阻塞看作是裝置可靠性提高首先需要考慮的故障模式，對該模式進行進一步分析。

2.3 裝置FTA分析

閥控調速型液力偶合器的主要特點就是采用電磁閥進行泵壓、泵沖等參數的調節，但是電磁閥具有維護性差的特點，一旦發生故障較難完成原因查找。所以在裝置FTA分析時，可以電磁閥阻塞為關鍵故障模式，將其看成是故障樹的頂事件，對其進行可靠性分析。在裝置工作的過程中，傳感器將完成介質壓力、溫度、軸轉速等參數的監測，并將監測結果傳輸給PLC控制模塊。完成信號分析后，PLC將向控制閥組進行開關命令的發送，以實現偶合器充液量的控制。分析偶合器電磁閥阻塞故障的發生原因可以發現，該故障的產生主要與三個事件的發生有關，即工作介質中存在雜質、阻尼孔設計不合理和結垢嚴重，其中任一事件的發生都會引起電磁閥阻塞。利用或門實現事件連接，可以得到過濾器失效、換水溫度過高、傳感器失效、負載過大將導致結垢嚴重問題的發生。在定性分析的基礎上，需要對各事件進行分析，以完成最小割集的查找。采用上行法，從底事件展開分析可以發現，在設計階段，控制閥節流孔參數設計將引發電磁閥阻塞，即未能實現阻尼孔徑大小或主閥匹配選型的合理設計。

在制造階段，未選擇滿足使用要求的閥、過濾器和傳感器，也將導致故障發生。在使用階段，偶合器長期在井下工作，容易導致介質中摻入雜質。此外，負載過大或遇到卡鏈，將導致偶合器工作溫度過高，導致介質出現結垢嚴重問題。對各底事件的發生概率進行計算，可以完成故障樹定量分析，從而提出偶合器設計改進建議。

2.4 可靠性分析結果

通過可靠性分析可以發現，想要使閥控調速型液力偶合器的可靠性得到提高，還要做好裝置設計、生產的全過程管理。在裝置設計階段，需要實現阻尼孔及先導閥的合理匹配，分開先導閥與主閥間的工作介質，確保先導閥通過的介質較為干凈，然后進行主閥開啟，以防止閥組阻塞。為減少污染物的產生，應簡化液壓系統結構，將控制閥組設計在整機外，以便為閥組定期檢修維護提供便利。在裝置各部分，可進行多級過濾器設計，以降低阻塞發生的概率。此外，應增設冷卻部分和負載控制程序，以降低工作介質溫度和避免過載問題的發生。在裝置生產的過程中，則要確保各類元件質量，確保密封應用可靠性，并按照相關標準要求進行各零部件檢查，嚴格控制零部件生產加工工藝，確保各零部件能夠滿足裝置設計、安裝要求。而在裝置使用過程中，也應該在適合環境溫度條件下操作，并加強工作液清潔度控制，避免進行過載運行。

3 結語

通過可靠性分析，可以發現閥控調速型液力偶合器將產生電磁閥阻塞、漏油等關鍵故障模式。結合可靠性分析結果，在閥控調速型液力偶合器設計研發、生產和使用的過程中，還要采取相應措施避免故障的發生，以便使裝置的可靠性得到有效提升，繼而更好的確保裝置的應用效果。

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