2300型壓裂車(chē)散熱系統(tǒng)變量泵損壞分析

韓旭輝 王海軍

摘要：針對(duì)壓裂車(chē)變量泵花鍵軸及軸套失效問(wèn)題，分別從硬度分析、安裝形式分析、部件結(jié)構(gòu)分析等方面開(kāi)展了分析研究，查找出變量泵花鍵軸與軸套之間的固定是主要原因，同時(shí)對(duì)部件結(jié)構(gòu)、裝配提出改進(jìn)要求，解決變量泵損壞問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：壓裂車(chē);變量泵;故障分析

2300型壓裂車(chē)是我公司于2017年投入使用的最大水馬力壓裂設(shè)備，該套設(shè)備國(guó)內(nèi)制造，投入進(jìn)行初步調(diào)試使用后，在出現(xiàn)的設(shè)備故障中，該車(chē)型臺(tái)上散熱系統(tǒng)液壓變量泵故障為該套設(shè)備常見(jiàn)問(wèn)題，多次故障導(dǎo)致變量泵維修，影響了正常生產(chǎn)進(jìn)度。

2300型壓裂車(chē)的散熱系統(tǒng)采用臥式結(jié)構(gòu)冷卻系統(tǒng)，通過(guò)變量泵驅(qū)動(dòng)液壓風(fēng)扇馬達(dá)帶動(dòng)風(fēng)扇工作，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)箱和壓裂泵等油、水系統(tǒng)的冷卻。所使用的變量泵為力士樂(lè) A4VG180DT1/32L-NZD02F001P，該泵廣泛使用與設(shè)備液壓取力系統(tǒng)，是民用領(lǐng)域功能及質(zhì)量較為先進(jìn)的取力泵。

2300壓裂車(chē)現(xiàn)場(chǎng)使用過(guò)程中出現(xiàn)多起變量泵故障的問(wèn)題，影響設(shè)備正常作業(yè)，針對(duì)變量泵損壞故障原因進(jìn)分析，提出解決方案，為壓裂車(chē)散熱系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間有效工作提供了保障。

一、故障原因分析

（一）變量泵損壞情況統(tǒng)計(jì)

通過(guò)對(duì)2018年、2019年2300壓裂車(chē)變量泵損壞問(wèn)題進(jìn)行收集、分析，損壞情況主要分為一下三類：

1.變量泵與花鍵套之間的蓋板連接螺絲松動(dòng)脫落。

2.變量泵花鍵軸與花鍵套損壞。

3.變量泵與發(fā)動(dòng)機(jī)連接齒盤(pán)損壞。

通過(guò)對(duì)設(shè)備兩年使用過(guò)程中變量泵出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行分析，連接螺絲松動(dòng)占比60%，花鍵軸及花鍵套損毀占比30%，齒盤(pán)損壞占比10%。

（二）原因分析

（三）變量泵部件材料硬度分析

查詢變量泵設(shè)計(jì)要求，對(duì)花鍵軸及軸套等進(jìn)行硬度試驗(yàn)，經(jīng)測(cè)定變量泵花鍵軸表面硬度HRC4-56.5（要求硬度HRC49.1～52.3），軸套表面硬度HRC29.4-31.2（要求硬度HRC29.2～34.2），花鍵軸及軸套硬度符合技術(shù)要求，但是花鍵軸表面硬度高于軸套表面硬度。

兩者表面硬度均符合要求，且花鍵軸表面硬度更高，出現(xiàn)故障時(shí)最先磨損的是花鍵套，有利于保護(hù)變量泵花鍵軸不受損壞。

（四）變量泵安裝形式分析

2300壓裂車(chē)變量泵安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪端，變量泵花鍵軸通過(guò)軸套與齒盤(pán)連接，兩者之間通過(guò)螺絲連接，齒盤(pán)與發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪端內(nèi)齒盤(pán)嚙合傳輸動(dòng)力。

通過(guò)對(duì)安裝結(jié)構(gòu)分析，花鍵軸與軸套之間采用一根螺絲進(jìn)行連接，該螺絲無(wú)鎖緊裝置，且為正扣。發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)變量泵運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，連接螺絲因震動(dòng)等因素出現(xiàn)松動(dòng)，導(dǎo)致花鍵軸與軸套出現(xiàn)軸向位移，嚙合部位變小，單位面積受力變大。同時(shí)花鍵套在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)徑向位移，導(dǎo)致花鍵軸與軸套不同心。軸向及徑向應(yīng)力不均勻，在高轉(zhuǎn)速下，加劇了變量泵花鍵軸及軸套的磨損。變量泵失效，風(fēng)扇馬達(dá)驅(qū)動(dòng)失效，風(fēng)扇停轉(zhuǎn)后，臺(tái)上散熱系統(tǒng)出現(xiàn)高溫。

（五）部件結(jié)構(gòu)分析

通過(guò)拆解查看，變量泵花鍵軸與軸套只有一半嚙合工作（圖五），在連接螺絲松動(dòng)或者脫落時(shí)，由于軸向位移，導(dǎo)致嚙合面積會(huì)更小，花鍵軸及軸套單位面積受力變大，極易導(dǎo)致兩者磨損。

二、故障結(jié)論

1.通過(guò)上述分析，變量泵本體及花鍵軸并無(wú)問(wèn)題，且在多次故障過(guò)程周變量泵本體未出現(xiàn)故障，且該型號(hào)變量泵應(yīng)用廣泛，設(shè)備生產(chǎn)廠家及維修人員對(duì)該型號(hào)泵的質(zhì)量都進(jìn)行驗(yàn)證，可以排除變量泵質(zhì)量問(wèn)題。

2.通過(guò)拆解拆看及損壞情況分析，變量泵損壞時(shí)均出現(xiàn)連接螺絲脫落的現(xiàn)象，且螺絲脫落后會(huì)引起軸套軸向、徑向位移，導(dǎo)致嚙合面積減小，嚙合部位受力不均，加速花鍵軸與軸套磨損。

3.變量泵花鍵軸為成品件，與軸套只有一半相互嚙合工作，螺絲松動(dòng)使得嚙合面積進(jìn)一步減小。

三、改進(jìn)建議

1.花鍵軸與鍵套嚙合面過(guò)短，間隙配合面僅前半部分嚙合，嚙合面承受較大的徑向力，加速了花鍵軸及軸套的磨損，造成配合間隙增大，影響變量泵的使用的使用壽命。

改進(jìn)措施：按照設(shè)計(jì)要求重新加工花鍵軸，加大花鍵軸與軸套的接觸面積，可以降低單位面積的受力，延長(zhǎng)花鍵軸及軸套使用時(shí)間。

（一）改進(jìn)花鍵軸與軸套連接形式，可以通過(guò)增加鎖片、擋板、將連接螺絲設(shè)計(jì)為反扣的形式，避免變量泵使用過(guò)程中螺絲松動(dòng)的現(xiàn)象，可以從根本上解決變量泵損壞頻繁的問(wèn)題。

（二）采用的聯(lián)軸器其主要材質(zhì)為橡膠。在野外環(huán)境中，保養(yǎng)不到位會(huì)影響動(dòng)力傳遞的穩(wěn)定性和其使用壽命。

如將傳動(dòng)方式改換為傳動(dòng)軸萬(wàn)向節(jié)連接，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，傳動(dòng)效率穩(wěn)定，維護(hù)和更換方便快捷，使用壽命較長(zhǎng)。同時(shí)，維修材料相對(duì)易獲得，采購(gòu)周期短，價(jià)格相對(duì)比較便宜。