对阀控调速型液力偶合器的可靠性探讨

齐凤，李新伟，刘桂英

（中国石油集团济柴动力总厂，山东 济南 250306）

在钻井工艺中，过去采用的单机泵组需要经过柴油机、气囊离合器、减速箱、皮带等结构对钻井泵进行驱动，不仅系统庞大、复杂，并且也只能通过更换缸套或调节油门实现流量和泵压调节，难以满足工艺需求。进行阀控调速型液力偶合器的设计研发，则能在不更换缸套条件下实现对流量和泵压的调节。但在实际设计过程中，为确保产品的实用性，还要进行产品的可靠性分析，以加强产品设计改进。

1 阀控调速型液力偶合器概述

阀控调速型液力偶合器为新型液力偶合器传动装置，需要利用进口阀控调节+固定导管排油的调速方案实现对传统传动系统改造。该装置采用的是箱体结构，内部存在有电磁阀、固定导管、电动机和液压泵等零部件，对原本泵带有的庞大导管及壳体进行了拼装，以减小装置体系，确保装置结构紧凑。利用两支电磁阀，装置则能对工作腔的进、排油进行控制，以达到调节偶合器输出转速的目标。从功能上来看，装置除了拥有传统液力偶合器拥有的过载保护、减缓冲击、带载启动等功能，还能实现无级调速，所以能够轻松实现泵压、泵冲等参数的调节。此外，由于装置带有快速离合功能，因此，能够进行气囊离合器的替代，可实现对石油钻采、船舶等多领域泵、风机等设备的驱动，使各种工况需求得到满足。

2 阀控调速型液力偶合器的可靠性分析

2.1 可靠性分析模型

在阀控调速型液力偶合器设计阶段，还要对装置的整机结构进行分析，反映装置各部分间的关系，以便为装置可靠性分析模型的建立奠定基础。从整体上来看，偶合器应由控制部分、传动部分、动力部分、执行部分、传感部分和支撑部分构成，各部分之间存在信息流、物质流和能量流的传递。其中，动力部分只包含液压泵，执行部分包含涡轮、输出轴、过滤器和冷却器，控制部分包含PLC控制、固定导管、减压阀、控制阀组、溢流管等单元，支撑部分由轴承、箱体等构成，传感部分由速度传感器、压力传感器、液位开关、电磁线圈和温度传感器构成，传动部分由输入轴、弹性联轴器等构成。如图1所示，在运行的过程中，装置各部分需要同时工作，确保装置正常运行。

图1 可靠性分析模型

2.2 装置FMECA分析

结合液力传动装置的大量统计数据可知，这类装置故障的发生为随机事件，所以在装置设计研发的过程中需要加强可靠性分析，以发现不可靠的零件和故障模式。为实现这一目标，还要采用正向综合分析法FTF进行装置可靠性分析，即将故障模式、影响与危害度分析FMECA与故障树分析FTA结合在一起。在实际分析时，需先利用FMECA完成系统单一故障模式分析归纳，然后结合故障危害度级别，从高危害度的故障中进行某一故障模式选择，并采用故障树分析方法对其进行分析，以得到装置设计改进建议。采用该种分析方法，可对装置各组成单元潜在故障的影响进行分析，对人为、硬件、软件等各种因素进行综合分析，因此可以使装置可靠性得到全面提升。如表1所示，为可能引起阀控调速型液力偶合器各类故障的零件故障模式严酷度类别。表中的A、B、C、D、E指的是故障模式发生概率等级，即故障模式发生概率占总故障概率，分别为＞20%、10%～20%、1%～10%、0.1%～1%、＜0.1%。

表1 阀控调速型液力偶合器零件故障模式严酷度类别

根据故障模式严酷度等级和概率等级，综合分析可以发现，漏油和电磁阀阻塞为危害度最高的故障，其次危害较大的故障则为叶片断裂、轴承损坏和勺管磨损。结合这一分析结果，可以将漏油和电磁阀阻塞看作是装置可靠性提高首先需要考虑的故障模式，对该模式进行进一步分析。

2.3 装置FTA分析

阀控调速型液力偶合器的主要特点就是采用电磁阀进行泵压、泵冲等参数的调节，但是电磁阀具有维护性差的特点，一旦发生故障较难完成原因查找。所以在装置FTA分析时，可以电磁阀阻塞为关键故障模式，将其看成是故障树的顶事件，对其进行可靠性分析。在装置工作的过程中，传感器将完成介质压力、温度、轴转速等参数的监测，并将监测结果传输给PLC控制模块。完成信号分析后，PLC将向控制阀组进行开关命令的发送，以实现偶合器充液量的控制。分析偶合器电磁阀阻塞故障的发生原因可以发现，该故障的产生主要与三个事件的发生有关，即工作介质中存在杂质、阻尼孔设计不合理和结垢严重，其中任一事件的发生都会引起电磁阀阻塞。利用或门实现事件连接，可以得到过滤器失效、换水温度过高、传感器失效、负载过大将导致结垢严重问题的发生。在定性分析的基础上，需要对各事件进行分析，以完成最小割集的查找。采用上行法，从底事件展开分析可以发现，在设计阶段，控制阀节流孔参数设计将引发电磁阀阻塞，即未能实现阻尼孔径大小或主阀匹配选型的合理设计。

在制造阶段，未选择满足使用要求的阀、过滤器和传感器，也将导致故障发生。在使用阶段，偶合器长期在井下工作，容易导致介质中掺入杂质。此外，负载过大或遇到卡链，将导致偶合器工作温度过高，导致介质出现结垢严重问题。对各底事件的发生概率进行计算，可以完成故障树定量分析，从而提出偶合器设计改进建议。

2.4 可靠性分析结果

通过可靠性分析可以发现，想要使阀控调速型液力偶合器的可靠性得到提高，还要做好装置设计、生产的全过程管理。在装置设计阶段，需要实现阻尼孔及先导阀的合理匹配，分开先导阀与主阀间的工作介质，确保先导阀通过的介质较为干净，然后进行主阀开启，以防止阀组阻塞。为减少污染物的产生，应简化液压系统结构，将控制阀组设计在整机外，以便为阀组定期检修维护提供便利。在装置各部分，可进行多级过滤器设计，以降低阻塞发生的概率。此外，应增设冷却部分和负载控制程序，以降低工作介质温度和避免过载问题的发生。在装置生产的过程中，则要确保各类元件质量，确保密封应用可靠性，并按照相关标准要求进行各零部件检查，严格控制零部件生产加工工艺，确保各零部件能够满足装置设计、安装要求。而在装置使用过程中，也应该在适合环境温度条件下操作，并加强工作液清洁度控制，避免进行过载运行。

3 结语

通过可靠性分析，可以发现阀控调速型液力偶合器将产生电磁阀阻塞、漏油等关键故障模式。结合可靠性分析结果，在阀控调速型液力偶合器设计研发、生产和使用的过程中，还要采取相应措施避免故障的发生，以便使装置的可靠性得到有效提升，继而更好的确保装置的应用效果。

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