风机离心离合器使用寿命及提高方案分析

摘要：环卫车中洗扫车是道路清扫作业的主力车型，其可靠程度受到用户的高度关注。而其中的传动部分又是整个车型的关键，相关传动件的可靠性及寿命是环卫车辆研发企业重点关注项。离心离合器通常被用作洗扫车风机启停控制，可以最大限度地降低风机对发动机等动力源件的冲击，在相关产品中应用广泛。由此，从实际问题出发，分析问题的原因并提出解决问题的方案，通过优化改进达到提高离心离合器使用寿命的目的。

关键词：离心离合器；环卫车；寿命

中图分类号：U461  收稿日期：2024-03-15

DOI：1019999/jcnki1004-0226202406023

1 前言

洗扫车在内的道路清扫类车型通常由二类汽车底盘改装，并加装清水箱、垃圾箱、副车架、左右扫盘、气路系统、液压系统、高压水路系统、风机及传动系统等专用件。通过风机的抽吸使垃圾箱内产生负压，工作过程中与地面接触的吸嘴通过软管与箱体相连，使得吸嘴内同样产生负压，与外界产生压力差进而产生气流将垃圾吸入垃圾箱内，整个过程的关键点在于风机参与组成的气力输送系统［1］。风机叶轮的转动惯量偏大，加载过程对传动系统带来较大的冲击，易出现磨损或者发热甚至损坏。图1为道路清扫产品原理图。

2 工作原理

离心离合器广泛用于机械传动中，能随转速的变化自动结合或分离，起到减小启动负荷及安全保护的作用［1］。图2为风机离心离合器结构简图。

以某型号洗扫车为例，风机采用离心离合器传动。离心离合器在输入轴转速小于600 r/min时不啮合，转速超过600 r/min后，离合器缓慢跟转；当输入轴转速大于800 r/min后，进入工作状态。在转速较慢时期甩块在弹簧力的作用下，会随着内圈一同转动，但随着转速的升高，甩块的离心力大于弹簧的作用力后，甩块与外圈摩擦传递扭矩。

3 主要原因及解决方案

从工作原理不难发现，离合器在啮合过程中不可避免地存在外圈与甩块之间的速度差造成的摩擦现象，该现象是离合器出现磨损的主原因，尤其是在高速大扭矩状态下的磨损尤为严重。整个啮合过程大致分成三个阶段：第一阶段为初始啮合阶段，此时出现打滑现象；第二阶段为离合器完全啮合，但未达到目标转速阶段；第三阶段为目标转速稳定输出阶段。

风机离心离合器为摩擦式离合器，离合器计算转矩计算公式为：

[Tc=KTKvKm]                                                  （1）

式中，[Tc]为离合器计算转矩，选用离合器时，Tc小于等于离合器的额定转矩；T为离合器的理论转矩；K为工况系数，对于干式摩擦离合器可取较大值，对于湿式摩擦离合器可取较小值；[Km]为离合器接合频率系数；[Kv]为离合器滑动速度系数。

一般设计的理论工况系数选择K=1.3。

实际计算中，风机离心离合器还要再考虑工作储备系数，相关公式如下：

[Tc=βTt]                                 （2）

式中，[Tt]为需传递的转矩；β为工作储备系数，一般取β＝1.5～2。

目前设计时取K=1.3，β=1.5。但在实际使用过程中，风机长时间运转后，因灰尘粘结或风机震动等原因，造成风机转矩增大，加之启动过程中负载的转动惯量大，一般常规的工作储备系数设计偏小，易超出设计转矩范围，造成离合器工作过程异常打滑，出现损坏风险。

离心离合器的闸块有效离心力Q计算公式：

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

[Qj=TcRμz]                                （4）

式中，r为闸块质心所处半径；n为正常工作转速；[n0]为开始接合转速，r/min，一般取[n0]＝（0.7～0.8）n；m为单个闸块质量；[Qj]为传递转矩所需离心力；[Tc]为计算转矩；R为闸块外半径；μ为摩擦面材料摩擦因数；z为闸块数量。

从公式可得，离心离合器的闸块有效离心力与闸块质心所处半径、单个闸块质量成正比。因此，在一定范围内增加离合器的直径或增加单个阀块的质量，可以提高正压力，从而增加离合器的输出扭矩。

通常离心离合器的摩擦片材质采用青铜合金，离合器外壳材料是45钢，根据表1查询摩擦因数为0.15～0.18。若将摩擦面材料45钢替换为铸铁，可将摩擦因数由0.15～0.18提高到0.28，大幅提高离合器的输出扭矩。

根据实际使用的经验数据可得，扫路车风机离心离合器在安全系数为2～2.5倍时能达到较为理想的寿命效果。上述两项改进能使较小的成本实现离合器输出扭矩的提升，从而满足安全系数的要求，进而提高离合器的使用寿命。

4 外部原因及解决方案

4.1 负载的特殊性

扫路车风机通常采用的是离心风机，离心风机的特性曲线，即压力P、效率η、功率N与流量Q的关系曲线如图4所示。

由风机性能曲线可知，同一转速下，风机功率（扭矩）会随着风机开口（风量）的增加而增加。而扫路车倾倒垃圾时，需要对箱体进行举升，此时风机的开口会变大，且需要上装的水路进行辅助，就需要上装动力启动。因大部分风机水泵为同一动力源驱动，风机不可避免地也会跟随启动，此时风机的功率通常会达到工作状态下的两倍，若按照此工况设计离心离合器，离合器的能力在正常工作时冗余偏大，成本也偏高，因此并不合理。为此，在风机出风口处增加自动节流装置，非工作期间降低风机开口大小，可降低所需功率，降低离合器扭矩需求，从而达到保护离心离合器的作业。

4.2 离合器维护改进

从离合器原理可知，离合器在使用过程中会存在滑动摩擦，不可避免地出现粉尘颗[粒[2]]。其他领域的离心离合器通常采用开放式结构，可以将粉尘颗粒随时排除，能时刻保持较好的工作环境。图5所示为开放式离合器。

环卫车的特殊工况大多为多粉尘、多水雾工况，离合器不适合开放结构。因此该所用离合器大部分为封闭结构，灰尘颗粒无法及时排除，不可避免地会夹在摩擦片和外圈之间，造成了啮合不充分，易造成异常打滑而进一步磨损，离合器迅速失效。图6为封闭式离合器使用较长时间拆开后粉尘情况。

为此，在保证粉尘颗粒及时排出情况下，需防止水雾进入离合器内部，在离合器端设置迷宫式排灰口，出口位于离合器侧面，利用离合器本身的离心力将粉尘甩出离合器。同时在离合器径向外端设置排水环，同样利用离心力将飞溅到离合器上的水及外部颗粒甩开，避免进入离合器内部，从而解决了上述问题。图7所示为改进型离合器。

5 结语

扫路车风机离心离合器的使用工况较差，需要较高的安全系数才能满足风机各工况的使用，应尽可能改变上装的结构避免冲击，优化离合器结构满足高粉尘高水雾的工作环境。通过上述的改进措施，最终实现以有限成本来提升离合器寿命的目的。

参考文献：

[1]林石离心离合器的压紧力及摩擦扭矩[J]机械强度，1993（3）：20-23

[2]宋培欣自动离心离合器的设计[J]压缩机技术，1991（3）：12-18.

作者简介：

彭彦阳，男，1982年生，工程师，研发方向为煤专产品及环卫车辆。