發動機臺架聯軸器應用與故障分析

李亞東 范振勇 劉金磊

（濰柴動力股份有限公司，濰坊 261108）

1 研究背景

發動機試驗臺架振動大小通常與3個因素有關，分別是發動機臺架高彈聯軸器、臺架基礎隔振系統和發動機隔振墊塊。發動機隔振墊塊根據發動機及臺架各項參數匹配確定，這里不再詳細闡述。臺架基礎隔振系統的一般結構形式如圖1所示。

圖1 臺架基礎隔振系統一般結構形式

基礎隔振器選型通常與臺架載荷、質心分布以及運行工況等因素有關。通過選型匹配，一般將臺架隔振效率控制在93%以上，系統頻率控制在4 Hz以下。這種情況下，基本能排除臺架基礎隔振對發動機運行產生的影響。除以上原因外，臺架高彈聯軸器的應用將對臺架運行狀態優劣具有重要作用。發動機在試驗臺架上，且在發電機組、工程機械和船機等領域中一般都應用高彈聯軸器，作用是將發動機輸出扭矩平穩可靠地傳遞至后端[1]。高彈聯軸器的狀態優劣直接影響動力輸出，使用過程中常出現老化、高溫融化以及過載斷裂等現象[2]。實際應用中，往往高彈聯軸器出現故障才被動更換，給動力傳遞帶來了一定隱患。鑒于高速高彈聯軸器較廣的應用范圍，為便于分析，將重點闡述臺架高速高彈聯軸器的相關應用與研究。

2 一般性結構介紹

2.1 臺架軸系連接一般性結構

以目前行業較為普遍的臺架結構為例，發動機試驗臺架軸系基本由測功機、扭矩法蘭、彈性膜片、中間支撐、萬向軸、高彈聯軸器、飛輪過渡盤以及發動機等組成。部分臺架會根據實際需求取消中間支撐、彈性膜片等結構。試驗臺架軸系一般性結構簡圖如圖2所示。

圖2 試驗臺架軸系一般性結構簡圖

2.2 高彈聯軸器的一般性結構

以目前較為常見的高速高彈聯軸器結構為例，它主要由外連接盤、軸向軸承片、徑向軸承片、內連接盤、內鋼法蘭、外鋼法蘭、彈性硫化體和連接螺栓等組成，結構簡圖如圖3所示。

圖3 簡圖高速高彈聯軸器結構

3 高彈聯軸器應用

高彈聯軸器的選型匹配一般從適用性、功能性和裝配性3個方面進行考慮。

首先，適用性是對高彈聯軸器匹配選型的初步選型。通過發動機關鍵參數如最大扭矩、最高轉速等判斷該高彈聯軸器是否能用。一般準則是確保高彈聯軸器額定扭矩不低于發動機最大扭矩的1.2倍，萬向軸不低于最大扭矩的3倍（高彈聯軸器使用壽命約為8 000 h，萬向軸使用壽命約為20 000 h）。

其次，功能性是對高彈聯軸器匹配選型的詳細選型。通過發動機怠速、發動機轉動慣量、測功機轉動慣量以及高彈聯軸器轉動慣量（J1和J2）等詳細參數計算臺架軸系共振區間，判斷該高彈聯軸器是否可用。

最后，裝配性是對高彈聯軸器的安裝可行性的判斷。通過發動機飛輪圖、高彈聯軸器圖、測功機輸出端尺寸等參數確定裝配結構，判斷是否需設計過渡連接盤實現其連接[3]。裝配性的匹配選擇流程如圖4所示。

圖4 裝配性的匹配選擇流程

通過高彈聯軸器與之相匹配結構實際應用數據匯總分析，高速高彈聯軸器軸系各匹配副尺寸整理匯總表如表1所示（基于標準飛輪和常用萬向軸接口尺寸整理）。通常萬向軸接口尺寸有5個類別，飛輪端接口尺寸有5個類別（特殊機型除外），根據實際連接環境不同，共有6組匹配形式。針對不同機型不同的飛輪結構，明確需匹配的過渡連接盤結構，可為高彈聯軸器的匹配應用提供參考依據。

表1 高速高彈聯軸器軸系各匹配副尺寸整理匯總表

4 高彈聯軸器故障成因分析

一般在工作狀態下的動態負荷和工作過程中發生變化的彈性體特性，會使高彈聯軸器有一種復雜的負荷曲線，從而導致其硫化體狀態異常。

常見故障成因如下。

（1）疲勞：重復出現的負荷失效，引起材料發熱。

（2）熱破壞：環境溫度過高或高頻連續交變負荷產生阻尼功，材料發熱。

（3）過載斷裂：受高于斷裂強度的靜態負荷而失效，由于提前疲勞可能已產生裂紋，較小的負荷就可能導致故障。

（4）老化：彈性體表面與周圍環境介質間發生化學反應破壞分子結構，導致表面受損，降低了疲勞和過載斷裂的負荷極限。

（5）裝配超差：高彈聯軸器安裝對中偏差較大，使高彈內部承載部件受力不均，導致彈性體形變過大，內部定位部件受力[4]。

5 典型故障分析

5.1 高彈聯軸器損壞典型故障分析一

某型號發動機在臺架上進行200 h前端輪系瞬態循環耐久試驗，在試驗進行約130 h時發現連接發動機與萬向軸的高彈聯軸器發生硫化橡膠斷裂，導致整個高彈聯軸器報廢?，F場照片如圖5和圖6所示。

圖5 聯軸器與萬向軸裝配圖

圖6 硫化橡膠斷裂的聯軸器

高彈聯軸器運行工況異常，試驗在低怠速、標定轉速、最高空車轉速、停車設定點的條件下特定循環，循環一次共13 s，每5個循環起動1次，共運行200 h，循環工況如圖7所示。

圖7 試驗循環圖

結合高彈聯軸器結構簡圖（如圖8所示）進行故障分析，發現連續的交變負荷、頻繁突加減負荷以及頻繁經過怠速以下的共振區域的循環工況，是造成高彈聯軸器損壞的主要原因。

圖8 高彈聯軸器結構典型故障一示例圖

考慮存在的問題，在進行特殊工況試驗時，一是要考慮高彈聯軸器的疲勞損耗，二是要加強軸向連接機構的安全防護，三是要縮短定期檢查軸向連接機構的周期。

5.2 高彈聯軸器損壞典型故障分析二

高彈聯軸器軸向軸承偏移斷開，臺架振動超標，現場如圖9所示。

圖9 高彈聯軸器損壞現場

結合高彈聯軸器結構簡圖（如圖10所示）進行故障分析，此故障主要由以下3個因素引起。第一，結構。該高彈聯軸器的軸向定位的軸承片固定方式不合理。第二，老化。使用時間超限，部件磨損，配合間隙加大。第三，安裝超差。在對中操作時，無對中詳細數據，無法保證對中精度。如果對中偏差較大，將造成高彈內部承載部件受力不均，內部定位部件受力導致部件偏移，破壞整體結構和動平衡。

圖10 高彈聯軸器結構典型故障二示例圖

一方面需完善萬向軸和高彈聯軸器使用累積小時計功能，對其進行全生命周期管控，建立定期檢查機制，到期強制檢修或報廢；另一方面，需規范臺架對中操作，提高對中準確度，使對中數據準確可靠，且具備可追溯性[5]。

6 結語

通過對高彈聯軸器選型匹配的分析，結合其在實際環境中的應用情況，以及對其進行典型故障分析，可見高彈聯軸器的合理選型匹配、安裝、使用直接關系整個軸系的安全性和可靠性。高彈聯軸器通過不同結構和連接形式配置于試驗室、整車及發電機組等領域。正確的配置與使用，不但能平穩可靠地傳遞扭矩，減少振動和噪聲，還能延長高彈聯軸器的使用壽命。鑒于高彈聯軸器的結構形式和運行方式，為降低高彈聯軸器的故障率，運行狀態的預判非常必要。一方面，可以通過人為累計計算其存置時間和運行時間，也可以通過無線技術手段實現在線監測，在到達極限使用時間前更換高彈聯軸器，避免發生故障；另一方面，針對極端苛刻的運行工況應提前分析評估，做好預備方案。隨著監測技術手段的不斷升級更新，這種情況用無線在線監測技術手段更為方便。運行過程中一旦發現高彈聯軸器參數異常，可及時停機排查以避免故障的發生。