地鐵調(diào)車(chē)機(jī)車(chē)靜液壓油泵燒損原因及改進(jìn)建議

王繼強(qiáng)，陶志鋼，葛興亮，展 翔

（青島地鐵集團(tuán)有限公司運(yùn)營(yíng)分公司車(chē)輛部，山東青島 266041）

0 引言

地鐵運(yùn)營(yíng)企業(yè)較多采用液力傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車(chē)或重型軌道車(chē)進(jìn)行廠內(nèi)調(diào)車(chē)、正線施工和救援編組任務(wù)。作為地鐵運(yùn)營(yíng)保障的重要?jiǎng)恿?chē)輛之一，調(diào)車(chē)機(jī)車(chē)功率一般為（300～600）kW，其結(jié)構(gòu)原理和系統(tǒng)設(shè)置，本質(zhì)上是一臺(tái)小功率液力傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車(chē)。該類(lèi)調(diào)車(chē)機(jī)車(chē)的靜液壓系統(tǒng)，相對(duì)于大功率內(nèi)燃機(jī)車(chē)而言，冷卻功能更為集成，承擔(dān)著發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液、中冷空氣、液力傳動(dòng)油以及自身液壓油的冷卻任務(wù)。2018年6月，青島地鐵3號(hào)線調(diào)車(chē)機(jī)車(chē)GDM302發(fā)生靜液壓系統(tǒng)油泵燒損故障，由于該油泵系進(jìn)口件，造價(jià)高、購(gòu)置周期長(zhǎng)，發(fā)生類(lèi)似故障后檢修停時(shí)過(guò)長(zhǎng)，嚴(yán)重影響機(jī)車(chē)的正常運(yùn)用，因此需對(duì)類(lèi)似故障進(jìn)行細(xì)致剖析，找出故障原因和預(yù)防措施，提升調(diào)車(chē)機(jī)車(chē)靜液壓系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。

1 系統(tǒng)概況

圖1 GCY-300型重型軌道車(chē)靜液壓系統(tǒng)

青島地鐵3號(hào)線采用金鷹重工生產(chǎn)的GCY-300型重型軌道車(chē)作為調(diào)車(chē)機(jī)車(chē)，該車(chē)型靜液壓系統(tǒng)與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車(chē)的靜液壓系統(tǒng)相似，由齒輪泵、柱塞馬達(dá)、溢流閥、球閥、油箱、油冷卻器及附件等組成。地鐵行業(yè)使用的調(diào)車(chē)機(jī)靜液壓系統(tǒng)基本采用齒輪泵，而不是內(nèi)燃機(jī)車(chē)所采用的柱塞泵，其余部件與內(nèi)燃機(jī)車(chē)靜液壓系統(tǒng)基本相同，液壓原理見(jiàn)圖1。

2 故障現(xiàn)象及處理

2.1 故障現(xiàn)象

軌道車(chē)正常啟機(jī)5 min后機(jī)器間有霧狀氣體，停機(jī)經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)機(jī)器間地面及V形散熱器表面有大量液壓油，進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)液壓系統(tǒng)齒輪泵排油口有液壓油泄漏，拆檢發(fā)現(xiàn)靜液壓油泵法蘭接口處密封膠圈損壞、法蘭表面呈弧面變形（圖2、圖3），為使車(chē)輛快速恢復(fù)運(yùn)行，更換新的密封圈，補(bǔ)充液壓油。再次啟機(jī)后，初期顯示系統(tǒng)運(yùn)行正常。為確保系統(tǒng)平穩(wěn)加載，運(yùn)轉(zhuǎn)3 min后將液壓系統(tǒng)壓力由5 MPa緩慢調(diào)整為正常運(yùn)行壓力13 MPa。此時(shí)，冷卻風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)正常無(wú)異聲，百葉窗正常開(kāi)啟，但繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)10 min后，油泵泵體、液壓油管路、散熱單節(jié)表面溫度異常，泵體表面出現(xiàn)白色煙霧（圖4）。停機(jī)檢查發(fā)現(xiàn)，泵體和液壓管路表面均有嚴(yán)重過(guò)熱現(xiàn)象。

圖2 破損密封圈

2.2 故障處理

圖3 法蘭表面變形

根據(jù)故障現(xiàn)象，初步判斷是齒輪泵故障。將油泵拆下，拆卸部位用油布覆蓋，對(duì)油管進(jìn)行封堵，防止異物進(jìn)入液壓系統(tǒng)。檢查發(fā)現(xiàn)齒輪泵用手轉(zhuǎn)動(dòng)阻力大，旋轉(zhuǎn)不靈活。分解齒輪泵發(fā)現(xiàn)泵體內(nèi)壁掃膛且銅套內(nèi)壁嚴(yán)重?fù)p壞（圖5、圖6），初步判斷為齒輪與泵體摩擦發(fā)熱造成泵體溫度偏高。同時(shí)，在與進(jìn)油法蘭連接的彎管內(nèi)發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)約20 cm的螺桿，通過(guò)檢查確定該螺桿為靜液壓油箱磁性濾芯的固定螺桿，螺桿因固定螺母松動(dòng)脫落在油箱內(nèi)，經(jīng)液壓油流動(dòng)至油管轉(zhuǎn)彎處，因螺桿過(guò)長(zhǎng)卡在彎管處，沒(méi)有進(jìn)入油泵內(nèi)腔，如圖7所示。為徹底排除故障，檢修人員對(duì)靜液壓系統(tǒng)進(jìn)行全面清洗，檢查發(fā)現(xiàn)油質(zhì)較好，無(wú)明顯雜質(zhì)，排除油質(zhì)較臟導(dǎo)致油泵燒損的原因。更換新的液壓油及油泵后，泵體及管路體表溫度正常，系統(tǒng)運(yùn)行正常，故障消除。

圖4 泵體表面嚴(yán)重過(guò)熱

圖5 齒輪泵銅套內(nèi)壁變形

圖6 齒輪泵泵體與齒輪摩擦傷痕

圖7 螺桿卡滯位置

2.3 對(duì)比跟蹤

更換油泵后，故障車(chē)輛未投入運(yùn)行，而是與其他重型軌道車(chē)靜液壓油泵的溫升進(jìn)行比較，驗(yàn)證油泵更換效果，并尋找油泵排油口法蘭膠圈老化原因。

在發(fā)動(dòng)機(jī)冷態(tài)下，泵體外表溫度約為15℃，將發(fā)動(dòng)機(jī)由怠速提升到最高轉(zhuǎn)速，保持15 min，分別抽取5個(gè)時(shí)間段，檢測(cè)油泵排油口及泵體表面溫度。測(cè)量數(shù)值見(jiàn)表1。

表1 油泵排油口及泵體表面溫度檢測(cè)結(jié)果

兩車(chē)檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)溫升到一定程度后，均處于一種平衡狀態(tài)，但故障車(chē)GDM302的溫升快于GDM301，說(shuō)明GDM301冷卻系統(tǒng)效能優(yōu)于GDM302。進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)故障車(chē)散熱單節(jié)外部有污堵現(xiàn)象，清洗散熱單節(jié)后，再次測(cè)量溫升數(shù)據(jù)基本正常，未再出現(xiàn)漏油、發(fā)熱等異?，F(xiàn)象，GDM302投入調(diào)車(chē)作業(yè)。

3 原因分析

3.1 油泵原理

齒輪泵由2個(gè)齒輪、泵體與前后蓋組成2個(gè)封閉空間，齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，齒輪脫開(kāi)側(cè)的空間體積從小變大，形成真空，將液體吸入，齒輪嚙合側(cè)空間體積從大變小，將液體擠入管路。吸入腔與排出腔靠2個(gè)齒輪的嚙合線隔開(kāi)，齒輪泵排出口壓力取決于泵出口處阻力的大小。根據(jù)齒輪泵及液壓系統(tǒng)工作原理，分析造成齒輪泵磨損發(fā)熱的原因有4個(gè)：

（1）排油管路有堵塞，造成液壓油壓力升高，造成齒輪旋轉(zhuǎn)不暢，導(dǎo)致磨損。

（2）泵使用一段時(shí)間后，軸向間隙變小，或者泵軸與發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)軸器同心度下降，造成泵內(nèi)部磨損。

（3）液壓系統(tǒng)超載，如液壓油壓力或發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速過(guò)高。

（4）吸油管路堵塞導(dǎo)致吸油量減少，造成齒輪泵內(nèi)部磨損。

3.2 油泵燒損原因

圖8 外嚙合齒輪泵工作原理

根據(jù)齒輪泵內(nèi)壁與齒輪摩擦的傷痕、以及齒輪泵銅套損壞的程度可以看出，缺油是油泵燒損的直接原因。由于該車(chē)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，齒輪泵出油口密封膠圈破損，液壓油漏泄導(dǎo)致油量不足，齒輪泵吸空，泵體潤(rùn)滑、冷卻不足，致使泵體溫度異常升高而燒損。因此，出油口密封膠圈破損是故障的直接原因，但該車(chē)運(yùn)用年限不長(zhǎng)，同批次工程車(chē)均運(yùn)用良好，其膠圈加速老化的原因值得探尋，從而追根溯源采取相應(yīng)的預(yù)防措施。

3.3 膠圈老化原因

根據(jù)破損膠圈的外觀可以判斷，膠圈因疲勞老化而破損，正常情況下這個(gè)過(guò)程應(yīng)相對(duì)緩慢。故障處理過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)油泵吸油口彎管處有一長(zhǎng)達(dá)200 mm，直徑5 mm的螺桿。當(dāng)螺桿脫落被油沖至吸油口時(shí)，必然會(huì)造成進(jìn)油受阻，油泵吸油量無(wú)法滿(mǎn)足排油量，吸油和排油之間的平衡被打破，油泵內(nèi)腔油量在不充足的情況下，必然會(huì)引起油泵溫度升高，長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)加速出油口膠圈的老化，因此磁性濾芯固定螺桿脫落是油泵出油口膠圈加速老化的原因之一。

3.4 油溫上升較快原因

為進(jìn)一步排查油泵出油口膠圈老化的其他原因，檢修人員在油泵更換后并未立即投入使用，而是對(duì)2臺(tái)軌道車(chē)泵體的溫度進(jìn)行橫向?qū)Ρ?，考察系統(tǒng)散熱能力，進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速運(yùn)行升溫試驗(yàn)，采集相關(guān)數(shù)據(jù)，并由表1繪制圖9。

從圖9可以看出，故障軌道車(chē)GDM302的溫升趨勢(shì)明顯高于GDM301。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速運(yùn)行10 min時(shí)，兩車(chē)排油口溫度相差12.6℃，說(shuō)明GDM302靜液壓系統(tǒng)的散熱狀態(tài)較差，檢查發(fā)現(xiàn)散熱單節(jié)外表污堵，是系統(tǒng)油溫較高的原因之一。由于系統(tǒng)散熱不良，長(zhǎng)期高溫運(yùn)行也會(huì)誘發(fā)密封膠圈加速老化。

對(duì)GDM302散熱單節(jié)進(jìn)行清洗后，重復(fù)上述的測(cè)試，對(duì)比2車(chē)溫升數(shù)據(jù)（圖10），從圖10可以看出，溫升趨勢(shì)基本一致，靜液壓系統(tǒng)散熱功能得到恢復(fù)。

圖9 排油口溫升趨勢(shì)比較

圖10 泵體體表溫升趨勢(shì)比較

4 改進(jìn)建議

靜液壓系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障，需進(jìn)行換油及相關(guān)部件的更換，導(dǎo)致檢修成本增高，檢修停時(shí)延長(zhǎng)，影響車(chē)輛正常的作業(yè)。針對(duì)此次故障中出現(xiàn)的問(wèn)題，提出4點(diǎn)優(yōu)化改進(jìn)建議。

（1）改進(jìn)靜液壓油箱磁性濾芯螺桿的緊固方式。目前的安裝方式，只用一個(gè)螺母進(jìn)行緊固，未采取防松墊圈等措施，一旦螺母脫落必造成螺桿進(jìn)入油道，引起油道堵塞引發(fā)油泵燒損等故障。因此，建議采取開(kāi)口螺母加開(kāi)口銷(xiāo)或使用鎖緊粘合劑等措施，由于該螺母較小建議使用鎖緊粘合劑，確保螺母的緊固效果。此外檢修人員應(yīng)每季度檢查一次磁性濾芯是否松動(dòng)，確保螺母處于緊固狀態(tài)。

（2）檢修人員每月對(duì)散熱單節(jié)進(jìn)行檢查，每季度對(duì)單節(jié)外表清掃一次，確保散熱效果。

（3）加裝靜液壓油溫傳感器及報(bào)警裝置，改造位置如圖11所示。油溫是靜液壓系統(tǒng)運(yùn)行的重要參數(shù)，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控和報(bào)警，第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)油溫異常上升。建議對(duì)靜液壓油箱回油管路進(jìn)行改進(jìn)，加裝油溫傳感器，并增設(shè)相應(yīng)的報(bào)警電路。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，當(dāng)油溫＞75℃時(shí)報(bào)警，80℃時(shí)自動(dòng)卸載，將整個(gè)預(yù)防關(guān)口前移，避免惡性故障的發(fā)生。

圖11 靜液壓系統(tǒng)改進(jìn)位置

（4）建議系統(tǒng)內(nèi)橡膠高壓管改為無(wú)縫鋼管，接頭采用球形鋼性連接，解決軟管變形造成內(nèi)徑變小而影響吸油量，引發(fā)油泵燒損、液壓油進(jìn)氣等故障，改造位置如圖11所示。