發(fā)電機(jī)皮帶輪脫落故障分析

張恒先

（奇瑞汽車股份有限公司動(dòng)力總成技術(shù)中心 241000)

發(fā)電機(jī)皮帶輪脫落故障分析

張恒先

（奇瑞汽車股份有限公司動(dòng)力總成技術(shù)中心 241000)

摘要：某柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在試車過(guò)程中出現(xiàn)多次發(fā)電機(jī)皮帶輪脫落的故障，本文從影響發(fā)電機(jī)皮帶輪脫落的主要因素出發(fā)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)工況和前端輪系報(bào)告進(jìn)行分析，計(jì)算各種工況下皮帶輪所受的反向扭矩，尋找出引起發(fā)電機(jī)皮帶輪脫落的原因，并提出整改措施。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī)；皮帶輪；反向扭矩

中圖分類號(hào)：U464.9

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

發(fā)電機(jī)皮帶輪脫落是指皮帶輪擰緊螺栓松脫后，皮帶輪脫離發(fā)電機(jī)軸，進(jìn)而影響發(fā)動(dòng)機(jī)前端輪系工作。本文針對(duì)這種多次出現(xiàn)的故障，從發(fā)動(dòng)機(jī)前端輪系、發(fā)動(dòng)機(jī)扭振和發(fā)電機(jī)皮帶輪擰緊方式等主要方面進(jìn)行深入分析，從根本上找到故障原因，并提出改進(jìn)措施。

1 故障背景

2014年12月，某型號(hào)國(guó)四標(biāo)準(zhǔn)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)OBD診斷及OBD功能標(biāo)定試驗(yàn)運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)20 h，在運(yùn)行完P(guān)owerMap后，回到怠速時(shí)，位于發(fā)動(dòng)機(jī)左下方的發(fā)電機(jī)皮帶輪脫落。

2015年5月，另一臺(tái)某型號(hào)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)起重機(jī)用選擇性催化還原系統(tǒng)（SCR）性能驗(yàn)證試驗(yàn)運(yùn)行50 h，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在1 300 r/min時(shí)，位于前端輪系左下方的發(fā)電機(jī)皮帶輪脫落，故障件如圖1所示。

圖1 故障件狀態(tài)

2 故障分析

2.1 故障調(diào)查

從現(xiàn)場(chǎng)了解的信息和故障件拆檢發(fā)現(xiàn)，2起發(fā)電機(jī)皮帶輪脫落故障的相同點(diǎn)如下。

①柴油發(fā)動(dòng)機(jī)均為不同編號(hào)的試驗(yàn)機(jī)。

②柴油發(fā)動(dòng)機(jī)前端輪系為雙發(fā)電機(jī)，前端輪系發(fā)電機(jī)速比為5.0，皮帶均為10楔（10PK）。

③故障件均為同一廠家發(fā)電機(jī)，故障發(fā)電機(jī)均位于左下方。

④從壓緊螺母和發(fā)電機(jī)軸及帶輪分析，帶輪脫落是個(gè)緩慢的過(guò)程，如圖2所示。

圖2 螺母和發(fā)電機(jī)軸狀態(tài)

2.2 失效機(jī)理判斷

根據(jù)以上分析可以判斷，發(fā)電機(jī)皮帶輪的失效機(jī)理為：發(fā)動(dòng)機(jī)在試驗(yàn)過(guò)程中的急減速工況，會(huì)在壓緊螺母上產(chǎn)生一個(gè)反向松脫力矩，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的作用，使螺母緩慢松動(dòng)，最終導(dǎo)致皮帶輪從發(fā)電機(jī)軸上脫落。

2.3 故障原因分析思路

鑒于發(fā)電機(jī)皮帶輪故障重復(fù)出現(xiàn)，且具有多處共同點(diǎn)，分析思路如下。

①分析發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)。目的是找到存在風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵點(diǎn)，確定分析方向。

②計(jì)算急減速試驗(yàn)時(shí)發(fā)電機(jī)皮帶輪所受的反向扭矩。目的是分析試驗(yàn)工況產(chǎn)生的反向扭矩對(duì)發(fā)電機(jī)皮帶輪的影響。

③計(jì)算輪系所能提供給發(fā)電機(jī)的最大扭矩。目的是與②中的計(jì)算結(jié)果對(duì)比，判斷皮帶在試驗(yàn)中是否會(huì)打滑。

④聯(lián)系廠家確認(rèn)發(fā)電機(jī)在設(shè)計(jì)過(guò)程中是否做過(guò)急加/減速試驗(yàn)并獲取試驗(yàn)工況數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。目的是與發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)工況對(duì)比，分析兩者對(duì)發(fā)電機(jī)皮帶輪產(chǎn)生的反向扭矩強(qiáng)度。

⑤計(jì)算同一工況不同速比下發(fā)電機(jī)皮帶輪所受的反向扭矩。目的是對(duì)比同一工況不同速比下發(fā)電機(jī)的反向扭矩與發(fā)電機(jī)廠家的急加/減速試驗(yàn)產(chǎn)生的反向扭矩，分析它們之間的大小。

⑥計(jì)算發(fā)電機(jī)加載時(shí)對(duì)反向扭矩的影響。目的是分析同一發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)工況下，發(fā)電機(jī)加載時(shí)對(duì)反向扭矩的影響。

⑦分析曲軸扭振對(duì)發(fā)電機(jī)皮帶輪的影響。目的是排除扭振對(duì)發(fā)電機(jī)皮帶輪脫落的影響。

⑧計(jì)算皮帶對(duì)發(fā)電機(jī)皮帶輪反向扭矩的影響。目的是分析皮帶對(duì)扭振的緩解程度。

⑨計(jì)算張緊輪對(duì)發(fā)電機(jī)皮帶輪反向扭矩的影響。目的是分析張緊輪對(duì)扭振的緩解程度[1]。

3 故障排查

3.1 分析發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)

分析此故障，首先排查與發(fā)電機(jī)相關(guān)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)是否合理，主要有以下幾方面。

(1)發(fā)電機(jī)皮帶輪包角

不同功率的發(fā)電機(jī)對(duì)包角的要求有差別，如圖3所示。故障發(fā)電機(jī)的額定電流大于65 A，則包角要求大于82.5°，實(shí)際設(shè)計(jì)包角為154.0°，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3 常用多楔帶推薦使用的最小包角

(2)發(fā)電機(jī)皮帶輪直徑和速比

故障發(fā)電機(jī)皮帶輪直徑為54 mm，大于45 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

發(fā)電機(jī)的實(shí)際速比為5.0，比常用速比大，存在設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，有可能為故障原因，后續(xù)進(jìn)行重點(diǎn)分析。

3.2 計(jì)算發(fā)電機(jī)帶輪所受的反向扭矩

經(jīng)過(guò)工況分析，確定產(chǎn)生反向扭矩最大的工況為發(fā)動(dòng)機(jī)的急加/減速試驗(yàn)。工況描述：以每秒10 r/min的變化率從700 r/min升到2 650 r/min，在1～2 s的時(shí)間內(nèi)從2 650 r/min降到700 r/min，耐久試驗(yàn)循環(huán)工況如圖4所示。

圖4 瞬態(tài)循環(huán)耐久試驗(yàn)循環(huán)工況圖

表1 發(fā)電機(jī)參數(shù)

已知發(fā)電機(jī)相關(guān)參數(shù)如表1所示。

經(jīng)計(jì)算，發(fā)電機(jī)在試驗(yàn)過(guò)程中所受的最大反向扭矩M1為4.70 N.m，小于32.90 N.m的極限值。

結(jié)論：假設(shè)皮帶不打滑，發(fā)電機(jī)在急減速時(shí)所受的反向扭矩遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于要求值。

3.3 計(jì)算輪系所能提供給發(fā)電機(jī)的最大扭矩

根據(jù)皮帶傳動(dòng)的特性，皮帶在皮帶輪上的滑動(dòng)角等于包角時(shí)，為皮帶打滑的臨界位置，即此時(shí)的有效力最大。

已知相關(guān)參數(shù)如表2所示。

根據(jù)歐拉公式計(jì)算輪系緊邊力F2為1 261.85 N。

根據(jù)松緊邊力與有效力之間的關(guān)系，計(jì)算有效力F3為760.85 N。

根據(jù)公式計(jì)算輪系所能提供給發(fā)電機(jī)皮帶輪的最大扭矩如下。

M2=F3×R=20.54 N.m

M1=4.70 N.m

M2＞M1

結(jié)論：在急減速工況下，發(fā)電機(jī)皮帶輪與皮帶之間不會(huì)出現(xiàn)打滑現(xiàn)象[2]。

表2 輪系參數(shù)

3.4 分析發(fā)電機(jī)急加/減速試驗(yàn)工況

通過(guò)與廠家聯(lián)系得知，發(fā)電機(jī)在開發(fā)過(guò)程中也需要做急加/減速試驗(yàn)，細(xì)信工況詳息如圖5所示，工況描述如下。

在0.4 s的時(shí)間內(nèi)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速由12 000 r/min升到18 000 r/min，在1.6 s內(nèi)再?gòu)?8 000 r/min降到12 000 r/min，環(huán)境溫度90±10℃，軸載荷1 000±100 N，試驗(yàn)時(shí)間500 h，12 s一個(gè)試驗(yàn)周期，循環(huán)試驗(yàn)15萬(wàn)次。

根據(jù)廠家提供的試驗(yàn)工況，計(jì)算發(fā)電機(jī)皮帶輪的反向扭矩如下。

M2=F3×R =1.81 N.m

M1=4.70 N.m

M2＜M1

結(jié)論：發(fā)電機(jī)開發(fā)急加/減速試驗(yàn)條件不如在發(fā)動(dòng)機(jī)上的試驗(yàn)條件苛刻。

圖5 發(fā)電機(jī)急加/減速試驗(yàn)規(guī)范

3.5 分析不同速比下皮帶輪所受的反向扭矩

選擇3.5、4.0和5.0這3個(gè)發(fā)電機(jī)速比，在發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬態(tài)循環(huán)耐久試驗(yàn)下，分別計(jì)算其反向扭矩，并與發(fā)電機(jī)開發(fā)時(shí)的急加/減速試驗(yàn)中的反向扭矩進(jìn)行比較。

(1)發(fā)動(dòng)機(jī)在1 s的時(shí)間內(nèi)從2 650 r/min降到700 r/min，計(jì)算不同速比的反向扭矩如下。

速比為3.5時(shí)的反向扭矩為3.28 N.m。

速比為4.0時(shí)的反向扭矩為3.76 N.m。

速比為5.0時(shí)的反向扭矩為4.72 N.m。

(2)發(fā)動(dòng)機(jī)在2 s的時(shí)間內(nèi)從2 650 r/min降到700 r/min，計(jì)算不同速比的反向扭矩如下。

速比為3.5時(shí)的反向扭矩為1.64 N.m。

速比為4.0時(shí)的反向扭矩為1.88 N.m。

速比為5.0時(shí)的反向扭矩為2.36 N.m。

結(jié)論：如果發(fā)動(dòng)機(jī)在1 s內(nèi)轉(zhuǎn)速?gòu)? 650 r/min降到700 r/min，3個(gè)速比下發(fā)電機(jī)的反向扭矩均大于其在急加/減速下產(chǎn)生的反向扭矩，如果發(fā)動(dòng)機(jī)在2 s內(nèi)轉(zhuǎn)速?gòu)? 650 r/min降到700 r/min，3.5速比下發(fā)電機(jī)的反向扭矩小于其在急加/減速下產(chǎn)生的反向扭矩，4.0速比下發(fā)電機(jī)的反向扭矩略大于其在急加/減速下產(chǎn)生的反向扭矩，5.0速比下發(fā)電機(jī)的反向扭矩大于其在急加/減速下產(chǎn)生的反向扭矩。

3.6 分析發(fā)電機(jī)加載時(shí)對(duì)反向扭矩的影響

分析發(fā)電機(jī)在發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)循環(huán)耐久試驗(yàn)循環(huán)工況下的加載情況，產(chǎn)生反向扭矩最大的時(shí)間出現(xiàn)在循環(huán)周期的19.0～19.5時(shí)間，此段時(shí)間為加載降速階段，發(fā)動(dòng)機(jī)加速度a=83.78 rad/s，按速比為5.0計(jì)算，發(fā)電機(jī)加速度a=418.88 rad/s。

計(jì)算負(fù)載扭矩與急減速時(shí)的反向扭矩并比較。

負(fù)載扭矩M6為4.91 N.m。

反向扭矩M7為1.93 N.m。

由計(jì)算結(jié)果可知，負(fù)載扭矩M6比反向扭矩M7大，且二者的方向是相反的。

結(jié)論：發(fā)電機(jī)在發(fā)電過(guò)程中，因存在轉(zhuǎn)子阻扭矩，負(fù)載扭矩和反向扭矩的方向是相反的，且負(fù)載扭矩M6比反向扭矩M7大，所以，發(fā)電機(jī)發(fā)電狀態(tài)時(shí)的急減速過(guò)程不會(huì)產(chǎn)生反向扭矩。

3.7 分析曲軸扭振對(duì)發(fā)電機(jī)皮帶輪的影響

發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行的過(guò)程中，由于曲軸的扭振會(huì)相應(yīng)地產(chǎn)生反向的角加速度，隨著轉(zhuǎn)速的提高而升高。結(jié)合此款柴油發(fā)動(dòng)機(jī)前期的扭振試驗(yàn)報(bào)告數(shù)據(jù)，扭振加速度的最大值為25 m/s2，以此值計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)減振器皮帶輪所需的扭矩值很大，即發(fā)動(dòng)機(jī)扭振產(chǎn)生的角加速度不能按照5倍速比傳遞到發(fā)電機(jī)，曲軸扭振在發(fā)電機(jī)帶輪處產(chǎn)生的最大反向扭矩受發(fā)電機(jī)帶輪處皮帶所能提供的最大有效力限制，為3.2中所計(jì)算出的M1。

3.8 分析皮帶對(duì)發(fā)電機(jī)皮帶輪反向扭矩的影響

皮帶受力時(shí)會(huì)被拉長(zhǎng)，從而可以緩解發(fā)動(dòng)機(jī)扭振對(duì)發(fā)電機(jī)皮帶輪的影響，下面通過(guò)計(jì)算來(lái)證明發(fā)動(dòng)機(jī)扭振產(chǎn)生的加速度對(duì)發(fā)電機(jī)皮帶輪的影響程度，輪系布置如圖6所示。

發(fā)動(dòng)機(jī)扭振角度限值α0＜0.2°，減振器皮帶輪的直徑D為280 mm，則扭振角度對(duì)應(yīng)的弧長(zhǎng)計(jì)算如下。

L=π×280×0.2÷360=0.49 mm

根據(jù)皮帶廠家提供的數(shù)據(jù)，1PK皮帶施加50 N的拉力會(huì)比自然狀態(tài)伸長(zhǎng)0.35%，1PK皮帶施加100 N的拉力在自然狀態(tài)基礎(chǔ)上伸長(zhǎng)0.7%。圖7為皮帶施加的拉力與伸長(zhǎng)量之間的關(guān)系曲線，由此可見，二者基本成線性關(guān)系。

圖6 輪系布置圖

圖7 皮帶變形與拉力關(guān)系曲線

發(fā)電機(jī)皮帶輪到減振器皮帶輪之間的跨度包括發(fā)電機(jī)皮帶輪到張緊輪的跨度和張緊輪到減振器皮帶輪的跨度2段，即L1為293.07 mm。發(fā)動(dòng)機(jī)扭振在此段上對(duì)皮帶產(chǎn)生的伸長(zhǎng)率計(jì)算如下。

β=L/L1=0.167%

不考慮張緊輪對(duì)扭振的吸收作用，發(fā)動(dòng)機(jī)扭振在發(fā)電機(jī)皮帶輪上產(chǎn)生的扭振計(jì)算如下。

M8=1 000×（0.167÷0.7）×0.027=6.45 N.m

結(jié)論：在未考慮張緊輪處吸收的扭振影響的情況下，計(jì)算出的扭振在發(fā)電機(jī)皮帶輪處的反向扭矩為6.45 N.m，小于廠家提供的發(fā)電機(jī)皮帶輪所能承受的反向扭矩值。

3.9 分析張緊輪對(duì)發(fā)電機(jī)反向扭矩的影響

張緊輪支板擺角25°，平均扭轉(zhuǎn)、回復(fù)扭矩40.20±4.00 N.m，臂長(zhǎng)85 mm，使其擺動(dòng)力的范圍為425～520 N。從擺動(dòng)幅度及安裝位置分析，發(fā)電機(jī)帶輪處增加的有效力小于50 N，則扭振對(duì)其產(chǎn)生的反向扭矩計(jì)算如下。

M9=50×0.027=1.35 N.m

結(jié)論：皮帶伸縮變化產(chǎn)生的拉力使張緊輪產(chǎn)生抖動(dòng)，皮帶伸長(zhǎng)和張緊輪抖動(dòng)共同消弱發(fā)動(dòng)機(jī)扭振對(duì)發(fā)電機(jī)皮帶輪的影響，使扭振產(chǎn)生的反向扭矩會(huì)遠(yuǎn)小于1.35 N.m，即可以忽略不計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)扭振傳遞到發(fā)電機(jī)皮帶輪上的反向扭矩[3]。

3.10 結(jié)論

經(jīng)過(guò)以上分析和計(jì)算結(jié)果可知，在發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)電機(jī)皮帶輪急減速產(chǎn)生的角加速度作用，產(chǎn)生反向扭矩。加之發(fā)電機(jī)的速比較大，同一發(fā)動(dòng)機(jī)工況下，在一定程度上提高了作用在發(fā)電機(jī)皮帶輪上的反向扭矩。一定大小的反向扭矩對(duì)擰緊力矩有個(gè)持續(xù)的累加影響，會(huì)使螺栓緩慢松脫，導(dǎo)致皮帶輪脫落，這也是發(fā)電機(jī)廠家在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中需要做急加/減速試驗(yàn)的原因。

4 改進(jìn)措施

綜上所述，為了避免發(fā)電機(jī)皮帶輪脫落故障的再次發(fā)生，采取以下措施進(jìn)行改進(jìn)。

①根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果，控制發(fā)電機(jī)速比不超過(guò)4.0。

②要求廠家采用轉(zhuǎn)角控制的方法來(lái)提高發(fā)電機(jī)皮帶輪壓緊螺栓的擰緊力矩。

作者簡(jiǎn)介:

張恒先，碩士，工程師，研究方向?yàn)樾履茉磩?dòng)力總成集成設(shè)計(jì)。