風機離心離合器使用壽命及提高方案分析

摘要：環衛車中洗掃車是道路清掃作業的主力車型，其可靠程度受到用戶的高度關注。而其中的傳動部分又是整個車型的關鍵，相關傳動件的可靠性及壽命是環衛車輛研發企業重點關注項。離心離合器通常被用作洗掃車風機啟停控制，可以最大限度地降低風機對發動機等動力源件的沖擊，在相關產品中應用廣泛。由此，從實際問題出發，分析問題的原因并提出解決問題的方案，通過優化改進達到提高離心離合器使用壽命的目的。

關鍵詞：離心離合器；環衛車；壽命

中圖分類號：U461? 收稿日期：2024-03-15

DOI：1019999/jcnki1004-0226202406023

1 前言

洗掃車在內的道路清掃類車型通常由二類汽車底盤改裝，并加裝清水箱、垃圾箱、副車架、左右掃盤、氣路系統、液壓系統、高壓水路系統、風機及傳動系統等專用件。通過風機的抽吸使垃圾箱內產生負壓，工作過程中與地面接觸的吸嘴通過軟管與箱體相連，使得吸嘴內同樣產生負壓，與外界產生壓力差進而產生氣流將垃圾吸入垃圾箱內，整個過程的關鍵點在于風機參與組成的氣力輸送系統［1］。風機葉輪的轉動慣量偏大，加載過程對傳動系統帶來較大的沖擊，易出現磨損或者發熱甚至損壞。圖1為道路清掃產品原理圖。

2 工作原理

離心離合器廣泛用于機械傳動中，能隨轉速的變化自動結合或分離，起到減小啟動負荷及安全保護的作用［1］。圖2為風機離心離合器結構簡圖。

以某型號洗掃車為例，風機采用離心離合器傳動。離心離合器在輸入軸轉速小于600 r/min時不嚙合，轉速超過600 r/min后，離合器緩慢跟轉；當輸入軸轉速大于800 r/min后，進入工作狀態。在轉速較慢時期甩塊在彈簧力的作用下，會隨著內圈一同轉動，但隨著轉速的升高，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

從工作原理不難發現，離合器在嚙合過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象，該現象是離合器出現磨損的主原因，尤其是在高速大扭矩狀態下的磨損尤為嚴重。整個嚙合過程大致分成三個階段：第一階段為初始嚙合階段，此時出現打滑現象；第二階段為離合器完全嚙合，但未達到目標轉速階段；第三階段為目標轉速穩定輸出階段。

風機離心離合器為摩擦式離合器，離合器計算轉矩計算公式為：

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

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

一般設計的理論工況系數選擇K=1.3。

實際計算中，風機離心離合器還要再考慮工作儲備系數，相關公式如下：

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

式中，[Tt]為需傳遞的轉矩；β為工作儲備系數，一般取β＝1.5～2。

目前設計時取K=1.3，β=1.5。但在實際使用過程中，風機長時間運轉后，因灰塵粘結或風機震動等原因，造成風機轉矩增大，加之啟動過程中負載的轉動慣量大，一般常規的工作儲備系數設計偏小，易超出設計轉矩范圍，造成離合器工作過程異常打滑，出現損壞風險。

離心離合器的閘塊有效離心力Q計算公式：

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

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

式中，r為閘塊質心所處半徑；n為正常工作轉速；[n0]為開始接合轉速，r/min，一般取[n0]＝（0.7～0.8）n；m為單個閘塊質量；[Qj]為傳遞轉矩所需離心力；[Tc]為計算轉矩；R為閘塊外半徑；μ為摩擦面材料摩擦因數；z為閘塊數量。

從公式可得，離心離合器的閘塊有效離心力與閘塊質心所處半徑、單個閘塊質量成正比。因此，在一定范圍內增加離合器的直徑或增加單個閥塊的質量，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采用青銅合金，離合器外殼材料是45鋼，根據表1查詢摩擦因數為0.15～0.18。若將摩擦面材料45鋼替換為鑄鐵，可將摩擦因數由0.15～0.18提高到0.28，大幅提高離合器的輸出扭矩。

根據實際使用的經驗數據可得，掃路車風機離心離合器在安全系數為2～2.5倍時能達到較為理想的壽命效果。上述兩項改進能使較小的成本實現離合器輸出扭矩的提升，從而滿足安全系數的要求，進而提高離合器的使用壽命。

4 外部原因及解決方案

4.1 負載的特殊性

掃路車風機通常采用的是離心風機，離心風機的特性曲線，即壓力P、效率η、功率N與流量Q的關系曲線如圖4所示。

由風機性能曲線可知，同一轉速下，風機功率（扭矩）會隨著風機開口（風量）的增加而增加。而掃路車傾倒垃圾時，需要對箱體進行舉升，此時風機的開口會變大，且需要上裝的水路進行輔助，就需要上裝動力啟動。因大部分風機水泵為同一動力源驅動，風機不可避免地也會跟隨啟動，此時風機的功率通常會達到工作狀態下的兩倍，若按照此工況設計離心離合器，離合器的能力在正常工作時冗余偏大，成本也偏高，因此并不合理。為此，在風機出風口處增加自動節流裝置，非工作期間降低風機開口大小，可降低所需功率，降低離合器扭矩需求，從而達到保護離心離合器的作業。

4.2 離合器維護改進

從離合器原理可知，離合器在使用過程中會存在滑動摩擦，不可避免地出現粉塵顆[粒[2]]。其他領域的離心離合器通常采用開放式結構，可以將粉塵顆粒隨時排除，能時刻保持較好的工作環境。圖5所示為開放式離合器。

環衛車的特殊工況大多為多粉塵、多水霧工況，離合器不適合開放結構。因此該所用離合器大部分為封閉結構，灰塵顆粒無法及時排除，不可避免地會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一步磨損，離合器迅速失效。圖6為封閉式離合器使用較長時間拆開后粉塵情況。

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

5 結語

掃路車風機離心離合器的使用工況較差，需要較高的安全系數才能滿足風機各工況的使用，應盡可能改變上裝的結構避免沖擊，優化離合器結構滿足高粉塵高水霧的工作環境。通過上述的改進措施，最終實現以有限成本來提升離合器壽命的目的。

參考文獻：

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

[2]宋培欣自動離心離合器的設計[J]壓縮機技術，1991（3）：12-18.

作者簡介：

彭彥陽，男，1982年生，工程師，研發方向為煤專產品及環衛車輛。