鐵路大型養(yǎng)路機(jī)械ZF變速箱無閉鎖離合變換的探討

郎啟洪

（昆明中鐵大型養(yǎng)路機(jī)械集團(tuán)有限公司，云南 昆明650215）

1 “ZF變速箱無閉鎖離合變換動(dòng)作”問題分析

1.1 ZF液力變矩器

ZF液力變矩器是一種以液體作為工作介質(zhì)的能量轉(zhuǎn)換傳遞裝置，它將發(fā)動(dòng)機(jī)傳來的機(jī)械能，通過能量輸入部件，轉(zhuǎn)換成液體的動(dòng)能；再經(jīng)能量輸出部件，把液體的動(dòng)能轉(zhuǎn)換機(jī)械能輸出，經(jīng)過機(jī)械傳動(dòng)傳遞給車輪。ZF變速箱廣泛應(yīng)用于鐵路大型養(yǎng)路機(jī)械的走行系統(tǒng)，并且起著至關(guān)重要的作用，在鐵路大型養(yǎng)路機(jī)械高速運(yùn)行中，ZF變速箱一旦沒有閉鎖離合變換動(dòng)作將嚴(yán)重影響大型養(yǎng)路機(jī)械的正常運(yùn)行和行車安全。

1.2 “ZF變速箱無閉鎖離合變換動(dòng)作”問題產(chǎn)生的現(xiàn)象和影響

1.2.1 “ZF變速箱無閉鎖離合變換動(dòng)作”問題產(chǎn)生的現(xiàn)象

“ZF變速箱沒有閉鎖離合變換動(dòng)作”現(xiàn)象主要表現(xiàn)為：高速走行換擋后程發(fā)動(dòng)機(jī)沒有離合變換降速現(xiàn)象；大機(jī)高速走行速度達(dá)到50～60km/h后，走行速度很難上升到設(shè)計(jì)要求的運(yùn)行速度。

1.2.2 “ZF變速箱無閉鎖離合變換動(dòng)作”問題產(chǎn)生的影響

“ZF變速箱無閉鎖離合變換動(dòng)作”（以下簡(jiǎn)稱無WK）這個(gè)問題在大型鐵路養(yǎng)路機(jī)械（以下簡(jiǎn)稱大機(jī)，如：DWL-48搗穩(wěn)車、DCL-32連續(xù)式搗固車、DC-32搗固車、CDC-16道岔搗固車、WD-320穩(wěn)定車等）的調(diào)試、檢驗(yàn)、高速路試和用戶使用的過程中廣泛存在，此問題一旦存在，將直接造成高速走行效率低下，嚴(yán)重時(shí)將造成區(qū)間運(yùn)行誤點(diǎn)，造成鐵路安全事故。

特別是在調(diào)試和檢驗(yàn)過程中，此問題一旦發(fā)生，因問題牽涉到電氣、ZF變速箱、發(fā)動(dòng)機(jī)、走行傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等各部，各部相關(guān)調(diào)試、操作、檢驗(yàn)、供貨等人員總是不好界定問題產(chǎn)生的根源；再加上以上各機(jī)構(gòu)都是大機(jī)的核心部件，結(jié)構(gòu)龐大、空間緊湊、拆卸困難，造成分析問題，解決問題的極大困難，延誤調(diào)試、檢驗(yàn)、高速路試工期，導(dǎo)致較大的質(zhì)量成本。

2 ZF變速箱閉鎖離合變換原理分析

ZF液力變矩器（以下簡(jiǎn)稱ZF）是一種以液體作為工作介質(zhì)的能量轉(zhuǎn)換傳遞裝置，它將發(fā)動(dòng)機(jī)傳來的機(jī)械能，通過能量輸入部件，轉(zhuǎn)換成液體的動(dòng)能；再經(jīng)能量輸出部件，把液體的動(dòng)能轉(zhuǎn)換機(jī)械能輸出，經(jīng)過機(jī)械傳動(dòng)傳遞給車輪。這樣ZF就能在一定范圍內(nèi)根據(jù)行駛阻力的變化，自動(dòng)進(jìn)行無級(jí)變速，低速時(shí)大扭矩，高速時(shí)小扭矩，因此，能使發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)常在選定的工況下工作，能防止發(fā)動(dòng)機(jī)過載熄火。不僅提高了發(fā)動(dòng)機(jī)功率利用率，而且減少了換擋次數(shù)。

圖1 ZF的外特性曲線圖

ZF渦輪軸上的輸出功率與泵輪軸上輸入功率之比稱傳動(dòng)效率。由于單級(jí)單相ZF的傳動(dòng)效率特性曲線是拋物線形狀（見ZF的外特性曲線圖1），其最大效率只在變矩器以某一傳動(dòng)比工作時(shí)才能得到，而且高效率區(qū)范圍較?。▽?duì)工程機(jī)械用ZF而言，傳動(dòng)效率大于0.75稱為高效區(qū)），發(fā)動(dòng)機(jī)油耗大，經(jīng)濟(jì)性差。當(dāng)傳動(dòng)比小時(shí)，隨著傳動(dòng)比的降低，傳動(dòng)效率也降低，這是允許的，因?yàn)榇藭r(shí)變矩系數(shù)增大，可以改善機(jī)械的牽引性能。但是當(dāng)傳動(dòng)比大時(shí)，傳動(dòng)效率降低，則是不希望的。

液力變矩器的外特性是指泵輪轉(zhuǎn)速nB為常數(shù)時(shí)，泵輪力矩MB、渦輪力矩MT和傳動(dòng)效率η隨渦輪轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系。外特性曲線就是這些關(guān)系的曲線。從渦輪力矩曲線可以看出，渦輪力矩MT隨渦輪轉(zhuǎn)速nT的增加而減小，當(dāng)渦輪力矩MT為零時(shí)，渦輪轉(zhuǎn)速nT達(dá)到最大值，即渦輪空轉(zhuǎn)的最大轉(zhuǎn)速。液力變矩器的效率曲線，在渦輪轉(zhuǎn)速nT=0時(shí)，由于輸出功率等于零，所以傳動(dòng)效率η等于零。隨著渦輪轉(zhuǎn)速nT的增大，效率η逐漸上升，在達(dá)到最大效率值后，效率η又隨著渦輪轉(zhuǎn)速nT的增大而逐漸下降。在渦輪轉(zhuǎn)速nT最大時(shí)，由于渦輪力矩MT=0，此時(shí)輸出功率為零，所以效率η又等于零。可見液力變矩器的效率曲線呈拋物線形狀。η≥0.75為高效區(qū)，高效區(qū)在中間一段，但為了擴(kuò)大液力變矩器在大傳動(dòng)比工況時(shí)的高效區(qū)范圍，提高大機(jī)在高速運(yùn)行時(shí)的經(jīng)濟(jì)性，盡量采用閉鎖式液力變矩器。當(dāng)渦輪轉(zhuǎn)數(shù)達(dá)到泵輪轉(zhuǎn)數(shù)80%時(shí)，由裝在變速箱內(nèi)的轉(zhuǎn)速傳感器發(fā)出電信號(hào)，閉鎖閥動(dòng)作，使閉鎖離合器接合，則渦輪與泵輪被機(jī)械地連接在一起。導(dǎo)輪反轉(zhuǎn)使連接導(dǎo)輪的單向聯(lián)軸器松開，導(dǎo)輪自由轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)輪的旋轉(zhuǎn)方向與泵輪的旋轉(zhuǎn)方向一致。由于液流在循環(huán)流動(dòng)中沒有固定的導(dǎo)輪葉片作用，從而液力變矩器失去變矩能力，而轉(zhuǎn)變?yōu)橐毫ε己瞎r，渦輪力矩等于泵輪力矩，即Mr=Mb。其傳動(dòng)效率提高到0.95～0.97。但是，由于液力變矩器中存在著隨液流空轉(zhuǎn)的導(dǎo)輪，要增加一部分能量損失。所以再用摩擦離合器機(jī)械地把泵輪和渦輪連接在一起，使傳動(dòng)效率進(jìn)一步提高到0.99。這樣，變矩器在高傳動(dòng)比（i>0.8）時(shí)的傳動(dòng)效率提高了，擴(kuò)展了液力變矩器的高效率區(qū)工作范圍。（見ZF的外特性曲線圖1效率曲線的直線部分），提高了大機(jī)高速經(jīng)濟(jì)性。

當(dāng)液力變矩器的轉(zhuǎn)速比降到65%時(shí)，閉鎖閥（SOLENOID VALVE WK）復(fù)位，使閉鎖離合器（WK）松開，液力變矩器恢復(fù)變矩器工況。液力變矩器的閉鎖動(dòng)作是通過電液控制系統(tǒng)(見WK離合變換液壓及電氣原理圖2、圖3)自動(dòng)進(jìn)行的，無須使用者操作。

圖2 WK離合變換電氣原理圖

圖3 WK離合變換液壓原理圖

作為整個(gè)動(dòng)力換擋變速箱的動(dòng)力傳遞情況具體見圖4，其中WK代表閉鎖離合器、INDUCTIVE TRANSMITTER TURBINE代表渦輪轉(zhuǎn)速傳感器、INPUT代表ZF變速箱輸入OUTPUT代表ZF變速箱輸出。

圖4 動(dòng)力換擋變速箱傳動(dòng)示意圖

表1 不同檔位離合器工作狀態(tài)表

根據(jù)動(dòng)力換擋變速箱傳動(dòng)示意圖4，結(jié)合ZF變速箱在實(shí)際工況中不同檔位離合器的工作狀態(tài)（如表1所示），ZF變速箱的Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ擋用作大機(jī)的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ擋進(jìn)行分析，經(jīng)過換算推斷可以得到表2顯示的結(jié)果，特別強(qiáng)調(diào)WK不閉合nZF輸出(r/min)的值在輸出端沒有負(fù)載的情況下大概要小于WK閉合nZF輸出(r/min)的值幾十轉(zhuǎn)不等。

表2 試驗(yàn)輸出轉(zhuǎn)數(shù)經(jīng)驗(yàn)值表

3 問題解決的步驟和方法

具體步驟和方法如下：

第一步：如果大機(jī)在高速運(yùn)行中沒有離合變換動(dòng)作的同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)冒黑煙，且發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油溫度和缸頭溫度升溫較快，則直接找發(fā)動(dòng)機(jī)的問題。反之，如果發(fā)動(dòng)機(jī)沒有以上現(xiàn)象進(jìn)行第二步。

第二步：從電氣系統(tǒng)進(jìn)行分析：首先檢查G39端有沒有電信號(hào)，如果有，檢查閉鎖閥及其后一級(jí)機(jī)械方面的問題，進(jìn)行第四步；如果沒有，檢查28 U1模塊的4腳是否有弱電壓信號(hào)輸入 （檢測(cè)口見J29.12），如果有輸入，則可判斷28 U1有問題，如果沒有輸入，進(jìn)行第三步（見WK離合變換電氣原理圖5）。

圖5 WK離合變換電氣原理圖

第三步：1f35渦輪轉(zhuǎn)速傳感器裝在ZF變速箱上（見渦輪轉(zhuǎn)速傳感器安裝圖6），它由齒輪、磁鐵心和線圈組成。齒輪裝在變速箱W3軸上。鐵芯和線圈為一體裝在變速箱上，當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于通過線圈的磁通量變化，便在線圈內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，此電動(dòng)勢(shì)的變化頻率與齒輪的齒數(shù)和轉(zhuǎn)速成正比，經(jīng)頻壓轉(zhuǎn)換器電路放大，限幅成為脈沖波形，其頻率保持不變。再經(jīng)鑒頻整流電路轉(zhuǎn)變?yōu)榕c頻率成正比的信號(hào)電壓，經(jīng)邏輯電路控制WK電磁閥的動(dòng)作。

根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，由于渦輪轉(zhuǎn)速傳感器不是專業(yè)人員裝配，造成多臺(tái)大修大機(jī)ZF離合變換無動(dòng)作，所以在安裝1f35渦輪轉(zhuǎn)速傳感器時(shí)，一定要嚴(yán)格控制0.5+0.5mm處的安裝間隙，最好調(diào)整為0.60～0.80mm。當(dāng)安裝間隙正確時(shí)，則可判斷渦輪轉(zhuǎn)速傳感器有問題；當(dāng)安裝間隙不正確時(shí)，嚴(yán)格調(diào)整安裝間隙到合理范圍。

圖6 渦輪轉(zhuǎn)速傳感器安裝圖

第四步：首先檢查67點(diǎn)（見ZF壓力流量檢測(cè)口示意圖7）壓力是否正常，如果ZF在運(yùn)行時(shí)壓力低于10bar，檢測(cè)QP（13-14）減去QK（15-16）的值(即ZF泄漏量)是否大于10L/min,如果大于10L/min，則可判斷ZF變矩器內(nèi)部調(diào)壓閥、離合器、密封件等可能有問題，需要ZF變速箱專業(yè)人員進(jìn)行檢修；如果ZF泄漏量小于10L/min進(jìn)行第五步。

圖7 ZF壓力流量檢測(cè)口示意圖

第五步：設(shè)定發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)（即ZF輸入轉(zhuǎn)數(shù)）為1000r/min，檢測(cè)G39不得電或得電時(shí)nZF輸出(r/min)的值，做以下試驗(yàn)列表如表3所示：

表3 試驗(yàn)列表

當(dāng)G39不得電和得電時(shí)nZF輸出(r/min)的值基本吻合“試驗(yàn)輸出轉(zhuǎn)數(shù)經(jīng)驗(yàn)值表”時(shí)，說明閉鎖閥（SOLENOID VALVE WK）及相關(guān)系統(tǒng)總成沒有問題，轉(zhuǎn)回第四步。

當(dāng)G39不得電和得電nZF輸出(r/min)的值與“試驗(yàn)輸出轉(zhuǎn)數(shù)經(jīng)驗(yàn)值表”中“G39得電nZF輸出(r/min)”的值相近時(shí)，ZF閉鎖閥動(dòng)作，使閉鎖離合器接合，渦輪與泵輪被機(jī)械地連接在一起，轉(zhuǎn)回第四步找專業(yè)ZF人員檢修WK閉鎖離合器。

當(dāng)G39不得電和得電nZF輸出(r/min)的值與“試驗(yàn)輸出轉(zhuǎn)數(shù)經(jīng)驗(yàn)值表”中“G39不得電nZF輸出(r/min)”的值相近時(shí)，檢測(cè)閉鎖閥（SOLENOID VALVE WK）（見圖8），當(dāng)閉鎖閥（SOLENOID VALVE WK）有問題時(shí)，聯(lián)系配件進(jìn)行更換；當(dāng)閉鎖閥（SOLENOID VALVE WK）沒有問題時(shí)，轉(zhuǎn)回第四步找專業(yè)ZF人員檢修WK閉鎖離合器。

第六步：如果在以上幾步中的各部件、各系統(tǒng)、各總成都不存在問題，轉(zhuǎn)回第一步進(jìn)一步檢查和處理發(fā)動(dòng)機(jī)的問題。

圖8 閉鎖閥（SOLENOID VALVE WK）示意圖

［1］抄平起撥道搗固車[M].中國(guó)鐵道出版社,2004.

［2］4WG-65型ZF動(dòng)力換擋變速箱操作與維修說明[Z].昆明中鐵大型養(yǎng)路機(jī)械集團(tuán)有限公司內(nèi)部文件.