某型工程車行走異常問題分析與改進(jìn)方法

魯奕崗，朱海英

（貴州詹陽動力重工有限公司，貴州 貴陽 550006）

1 問題描述

工程車為工業(yè)搬運(yùn)與作業(yè)車輛，在我國制造業(yè)與物流行業(yè)發(fā)揮著重要作用，同時(shí)我國早已成為了世界第一大工程車產(chǎn)銷國[1]。根據(jù)動力裝置的類型工程車可以分為內(nèi)燃型和電動型兩種，但內(nèi)燃型受限于尾氣排放、噪音大等缺點(diǎn)不適用于室內(nèi)環(huán)境作業(yè)[2]，同時(shí)鉛酸電池、鋰電池叉車又存在續(xù)航短、充電時(shí)間長等問題[3]。

某型工程車如圖1所示，完成下線調(diào)試，隨即開展相關(guān)出廠試驗(yàn)。在對樣車進(jìn)行行駛性能試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，行駛約20 km后，出現(xiàn)踩油門行走加速減慢現(xiàn)象，在繼續(xù)行走過程中，相繼出現(xiàn)行走無力、變速箱聲響異常、變速箱換擋壓力低報(bào)警、變速箱油溫高報(bào)警的故障等情況。經(jīng)過檢查后發(fā)現(xiàn)，其余樣機(jī)均出現(xiàn)了同樣情況。

圖1 某型工程車

2 問題分析

鑒于出現(xiàn)以上的故障情況，經(jīng)技術(shù)、質(zhì)量、裝配分廠各部門人員現(xiàn)場進(jìn)行分析、討論，將排查重點(diǎn)首先聚焦到行走機(jī)構(gòu)部分。

經(jīng)排查，行走驅(qū)動液壓系統(tǒng)，各部密封系統(tǒng)無滲漏，行走壓力建立正常；傳動軸、車橋、變速箱等各部連接正常，無松動情況；車橋、變速箱各部密封良好，無滲漏情況；前、后橋行車制動器，制動、復(fù)位良好；前、后橋差速器，差速功能正常；左右輪邊減速器，轉(zhuǎn)動靈活，無卡滯。但當(dāng)測量換擋壓力時(shí)發(fā)現(xiàn)，壓力為11.6 bar，低于設(shè)定值（技術(shù)協(xié)議要求換擋壓力設(shè)定值16 bar），隨后檢查變速箱，卸下前后傳動軸，手動轉(zhuǎn)動變速箱輸出軸（空擋狀態(tài)），輸出軸轉(zhuǎn)動阻力很大。由以上情況初步判斷，變速箱內(nèi)部可能存在故障。于是對該車的變速箱進(jìn)行拆檢，拆檢觀測到的情況如下：

圖2 吸油濾芯

（1）換擋油路吸油濾芯破損；吸油濾芯處發(fā)現(xiàn)有離合器片回位波形彈簧碎片，表面有粉末狀金屬雜質(zhì)，如圖2所示；

（2）箱體底部有金屬碎屑；

（3）各擋齒輪、齒輪軸完好；各部軸承完好；

（4）離合器摩擦片損壞嚴(yán)重，定片表面發(fā)藍(lán)、燒結(jié)，翹曲變形；動片翹曲變形；離合片復(fù)位波形彈簧斷裂，如圖3和圖4所示。

圖3 鋼片損壞照片

圖4 離合器損壞照片

3 問題定位

根據(jù)故障現(xiàn)象及主機(jī)拆檢情況，結(jié)合行走傳動系統(tǒng)的組成及工作原理，以主機(jī)行走異常、變速箱油溫高分別作為頂事件，列出行走異常故障樹與變速箱油溫高故障樹，如圖5和圖6所示。

隨后根據(jù)故障樹一所示的底事件進(jìn)行逐一排查。

1.設(shè)計(jì)原因（對應(yīng)底事件X1）

經(jīng)排查，該型車樣機(jī)已經(jīng)過行駛里程超8 000 km行駛可靠性試驗(yàn)，并且首批下線主機(jī)行走系統(tǒng)所有技術(shù)狀態(tài)未改變，可排除行走系統(tǒng)設(shè)計(jì)選型不合理，驗(yàn)證不充分的因素，故暫可排除底事件X1。

2.生產(chǎn)、操作原因（對應(yīng)底事件X2）

生產(chǎn)過程中生產(chǎn)技術(shù)資料不完善，過程控制不嚴(yán)，行走過程中違規(guī)操作均會導(dǎo)致行走系統(tǒng)出現(xiàn)故障。經(jīng)排查，該型車已完成了技術(shù)狀態(tài)確認(rèn)，生產(chǎn)加工、裝配工藝技術(shù)文件經(jīng)過相關(guān)評審，滿足批量生產(chǎn)要求；同時(shí)采用的電子控制液力換擋形式，已經(jīng)過行駛可靠性驗(yàn)證。暫可排除生產(chǎn)加工原因?qū)е滦凶吖收弦约斑`規(guī)操作造成故障。

3.行走泵/行走馬達(dá)損壞（對應(yīng)底事件X3/X4）

行走泵/行走馬達(dá)損壞會導(dǎo)致無法將動力傳遞給變速箱，造成行走異常。經(jīng)排查，主機(jī)配置的行走泵/行走馬達(dá)為成熟產(chǎn)品，與競標(biāo)樣機(jī)使用同廠家同型號行走泵/行走馬達(dá)，技術(shù)狀態(tài)未變更。試驗(yàn)的樣車未出現(xiàn)故障前均行走正常，出現(xiàn)故障后，經(jīng)在故障主機(jī)上更換備用新變速箱，在廠內(nèi)能正常行駛，且行走泵/馬達(dá)存在故障與變速箱油溫高無直接關(guān)聯(lián)。故排除行走泵/行走馬達(dá)故障。

圖5 故障樹一

圖6 故障樹二

4.輸入/出軸斷裂損壞（對應(yīng)底事件X5）

輸入/出軸斷裂損壞會導(dǎo)致無法將動力傳遞給前后橋，造成行走異常。經(jīng)拆檢，變速箱未發(fā)現(xiàn)輸入/出軸斷裂、損壞的情況，且輸入/出軸損壞與變速箱油溫高無直接關(guān)聯(lián)。可排除因輸入/出軸斷裂導(dǎo)致變速箱失效的情況。

5.齒輪損壞（對應(yīng)底事件X6）

齒輪損壞會導(dǎo)致無法將動力傳遞給前后橋，造成行走異常。經(jīng)拆檢變速箱，未發(fā)現(xiàn)齒輪損壞，排除此底事件。

6.離合器超載（對應(yīng)底事件X7）

離合器負(fù)載如超過離合器最大許用承載能力，摩擦片將會出現(xiàn)滑轉(zhuǎn)，滑轉(zhuǎn)將會產(chǎn)生高溫，導(dǎo)致離合器燒結(jié)損壞[4]。經(jīng)排查，該摩擦片已經(jīng)過行駛里程超8 000 km的第三方可靠性試驗(yàn)，且未損壞，故可以暫排除摩擦片設(shè)計(jì)選型不合理以及離合器有異常超載的情況。

7.油路污染（對應(yīng)底事件X8）

油路污染會導(dǎo)致過濾器失效，進(jìn)而導(dǎo)致?lián)Q擋齒輪泵損壞，容積效率降低，造成換擋壓力不足，摩擦片將會出現(xiàn)滑轉(zhuǎn)，滑轉(zhuǎn)產(chǎn)生高溫，導(dǎo)致離合器摩擦片燒結(jié)損壞。經(jīng)排查，裝配時(shí)采用全新零部件進(jìn)行裝配，油管、閥體等液壓零部件在裝配前采用密封措施防止污染物進(jìn)入液壓管路，且經(jīng)檢查多臺未進(jìn)行行駛試驗(yàn)的主機(jī)，濾芯干凈無堵塞，油液中未發(fā)現(xiàn)金屬雜質(zhì)，故可以排除該底事件。

8.離合器油缸密封件損壞（對應(yīng)底事件X9）

離合器油缸密封件損壞，會造成換擋壓力不足，摩擦片將會出現(xiàn)滑轉(zhuǎn)，滑轉(zhuǎn)產(chǎn)生高溫，導(dǎo)致離合器摩擦片燒結(jié)損壞。經(jīng)排查，離合器油缸密封采用浮動油封結(jié)構(gòu)形式，當(dāng)油缸密封件損壞，泄漏量加大，換擋油路的壓力將降低。經(jīng)拆檢，油缸合塞桿和缸筒均未有損傷痕跡，也未發(fā)現(xiàn)浮封環(huán)損壞和磨損，經(jīng)更換齒輪泵后，測量換擋油路壓力為16 bar，與設(shè)定值相符，故暫可排除該底事件。

9.換擋溢流閥卡滯（對應(yīng)底事件X10）

換擋溢流閥卡滯后，會導(dǎo)致溢流閥壓力有偏差，將不同主機(jī)換擋溢流閥相互拆換，進(jìn)行換擋壓力測試，壓力值正常，可以排除因溢流閥卡滯導(dǎo)致?lián)Q擋壓力降低，故暫可排除該底事件。

10.換擋閥設(shè)定值不滿足技術(shù)要求（對應(yīng)底事件X11）

換擋閥設(shè)定值不滿足技術(shù)要求，會造成換擋壓力不足，摩擦片將會出現(xiàn)滑轉(zhuǎn)，滑轉(zhuǎn)產(chǎn)生高溫，導(dǎo)致離合器摩擦片燒結(jié)損壞。故障機(jī)變速箱已損壞，經(jīng)檢測故障主機(jī)換擋壓力均低于技術(shù)要求值，考慮變速箱損壞后可能產(chǎn)生其他影響壓力的因素，對故障主機(jī)進(jìn)行換擋壓力測量，測量結(jié)果各擋位壓力值均符合技術(shù)要求（技術(shù)協(xié)議換擋壓力設(shè)定值為16 bar），排除換擋閥設(shè)定值不滿足技術(shù)要求，故暫可排除該底事件。

11.溫度對換擋油路流量的影響（對應(yīng)底事件X12、X13）

溫度升高油液的黏度降低，系統(tǒng)泄露量增大，換擋油路所分配的流量減小，同時(shí)溫度升高會影響齒輪泵的容積效率，可能會造成換擋油路流量減小，同時(shí)導(dǎo)致散熱流量低，散熱能力不足的情況[5]。而流量的減小也會導(dǎo)致?lián)Q擋壓力不足，摩擦片將會出現(xiàn)滑轉(zhuǎn)，滑轉(zhuǎn)產(chǎn)生高溫，導(dǎo)致離合器摩擦片燒結(jié)損壞。對換擋油路、變速箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，離合器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)為保證換擋時(shí)（退擋）離合器片迅速分離，在壓緊活塞上設(shè)計(jì)有泄油孔。在進(jìn)行退擋操作時(shí)，首先由換擋電磁閥切斷換擋壓力油，接通回油油路進(jìn)行泄壓退擋，同時(shí)，部分壓力油從泄油孔瀉出，以實(shí)現(xiàn)離合器片的快速分離。由于有泄油孔的設(shè)計(jì)，換擋時(shí)（離合器接合）需要輸入一定的流量，通過活塞上泄油孔的節(jié)流作用來建立換擋壓力。

鑒于該離合器的結(jié)構(gòu)形式，結(jié)合故障主機(jī)在行駛試驗(yàn)中換擋壓力發(fā)生變化的情況以及齒輪泵損壞的情況看，推測是箱體內(nèi)鐵屑進(jìn)入造成；結(jié)合前期出現(xiàn)的變速箱離合器摩擦片損壞現(xiàn)象，分析判定是離合器先行損壞后產(chǎn)生金屬雜質(zhì)導(dǎo)致齒輪泵的損壞。故底事件X12、X13排除。

12.換擋齒輪泵損壞（對應(yīng)底事件X14）

當(dāng)換擋齒輪泵損壞時(shí)，泵的容積效率降低，泵油量太少，會導(dǎo)致?lián)Q擋油路壓力降低，同時(shí)導(dǎo)致散熱流量降低，散熱能力不足的情況。結(jié)合變速箱拆檢情況分析，在摩擦片滑轉(zhuǎn)磨損燒結(jié)過程中，產(chǎn)生了大量金屬碎屑，將濾芯堵塞，造成濾芯損壞，金屬碎屑進(jìn)入油泵，導(dǎo)致油泵磨損。在換擋齒輪泵磨損后，容積效率逐步降低，泵輸出流量逐步減小，造成換擋油路壓力隨之降低，造成壓緊力進(jìn)一步不足，摩擦片間滑轉(zhuǎn)加劇，從而導(dǎo)致了摩擦片、波形彈簧的加速損壞。故判斷泵的損壞應(yīng)是在摩擦片損壞后發(fā)生的。

13.壓力監(jiān)測未考慮壓降（對應(yīng)底事件X15）

由于故障原因仍然存在，換擋油路連接如圖7所示。技術(shù)人員提出了變速箱連接管路較長且通徑較小，可能管路上存在較大的壓力損失，影響實(shí)際作用在離合器上的換擋壓力。因下線主機(jī)與樣機(jī)采用同樣的軟管，理論上樣機(jī)能滿足，下線主機(jī)就應(yīng)能滿足。經(jīng)討論不排除有樣機(jī)換擋壓力值與此批產(chǎn)品的換擋壓力值不一致的可能[6]。后經(jīng)決定從兩方面進(jìn)行排查：（1）管路壓力損失；（2）樣機(jī)的換擋壓力值確認(rèn)。

圖7 換擋油路連接示意圖

最后經(jīng)過測量排查與測試結(jié)果得出：樣機(jī)與該批主機(jī)的變速箱換擋壓力技術(shù)要求一致（均為16 bar），但樣機(jī)與下線主機(jī)的實(shí)際換擋壓力不一致。通過以上對比測量，換擋閥壓力監(jiān)測點(diǎn)與變速箱端蓋間存在4 bar～6 bar的壓降，而換擋壓力監(jiān)測點(diǎn)壓力設(shè)定為16 bar，在減去4 bar～6 bar壓降后，實(shí)際作用在離合器換擋活塞上壓力（10 bar～12 bar）處于許用壓力的最低臨界值或已低于最低許用值，工作時(shí)摩擦片可能發(fā)生滑轉(zhuǎn)。綜上，分析判斷壓力監(jiān)測點(diǎn)未考慮壓降（底事件X15）應(yīng)為導(dǎo)致變速箱摩擦片損壞的重要原因之一。

根據(jù)故障樹二所示的底事件進(jìn)行逐一排查。

14.散熱功率不足（對應(yīng)底事件X16）

如裝機(jī)的散熱器與樣機(jī)技術(shù)狀態(tài)不一致，存在散熱功率不滿足要求的情況，會導(dǎo)致變速箱油溫高。經(jīng)排查，該批次主機(jī)與競標(biāo)樣機(jī)所用散熱器均技術(shù)狀態(tài)未變更；散熱功率能滿足該主機(jī)的散熱需求，故可以排除散熱功率不足導(dǎo)致溫度過高的底事件。15.換擋齒輪泵排量?。▽?yīng)底事件X17）

如換擋齒輪泵與樣機(jī)技術(shù)狀態(tài)不一致，存在排量小不滿足要求的情況，會導(dǎo)致變速箱油溫高。經(jīng)排查，該批次主機(jī)與競標(biāo)樣機(jī)技術(shù)狀態(tài)未變更；通過對主機(jī)齒輪泵的測試結(jié)果，說明齒輪泵的輸出流量、容積效率符合技術(shù)要求。故排除換擋齒輪排量小導(dǎo)致散熱流量不足的底事件。

16.變速箱油位過高（對應(yīng)底事件X18）

變速箱油位過高，在齒輪高速旋轉(zhuǎn)攪油時(shí)，會產(chǎn)生額外的熱量，導(dǎo)致變速箱發(fā)熱異常。經(jīng)檢測，故障主機(jī)變速箱油位均在規(guī)定范圍內(nèi)，也與競標(biāo)樣機(jī)油位一致，故可以排除掉因變速箱油位過高的底事件。

17.換擋齒輪泵損壞（對應(yīng)底事件X19）

當(dāng)換擋齒輪泵損壞時(shí)，泵的容積效率降低，泵油量太少，換擋閥優(yōu)先將流量分配到換擋油路，分配到散熱的流量降低，導(dǎo)致散熱系統(tǒng)散熱功率降低，從而使變速箱內(nèi)油溫越來越高，最終出現(xiàn)高溫報(bào)警現(xiàn)象。

18.摩擦片處于滑轉(zhuǎn)狀態(tài)（對應(yīng)底事件X20）

當(dāng)摩擦片出現(xiàn)滑轉(zhuǎn)時(shí)，離合器摩擦片燒結(jié)損壞，同時(shí)產(chǎn)生額外的熱量，會導(dǎo)致變速箱發(fā)熱異常。經(jīng)拆檢變速箱，摩擦片間有明顯高溫?zé)Y(jié)的痕跡，根據(jù)摩擦片的損壞狀態(tài)，判斷摩擦片間出現(xiàn)了嚴(yán)重的相對滑轉(zhuǎn)，產(chǎn)生大量熱量，造成了變速箱內(nèi)油溫異常升高。

根據(jù)故障樹一、故障樹二的排查，產(chǎn)生行走異常和變速箱油溫高故障與壓力監(jiān)測未考慮壓降（底事件X15）、齒輪泵損壞（底事件X14、X18)、摩擦片處于滑轉(zhuǎn)狀態(tài)（底事件X20）有關(guān)。

由于壓力監(jiān)測點(diǎn)的選擇未考慮壓降（底事件X15），而通過測試，換擋閥壓力監(jiān)測點(diǎn)與變速箱端蓋間存在4 bar～6 bar的壓降，導(dǎo)致實(shí)際作用在離合器換擋活塞上壓力（10 bar～12 bar）處于許用壓力的最低臨界值或已低于最低許用值，工作時(shí)摩擦片發(fā)生滑轉(zhuǎn)（底事件X20），導(dǎo)致摩擦片燒結(jié)損壞，而摩擦片的損壞會產(chǎn)生大量金屬碎屑，造成系統(tǒng)污染、換擋齒輪泵損壞（底事件X14、X18），換擋齒輪泵的損壞使換擋油路流量降低，進(jìn)而又導(dǎo)致?lián)Q擋壓力不足，加速摩擦片損壞。在此過程中，因滑轉(zhuǎn)產(chǎn)生大量熱量，且齒輪泵的流量降低，造成了變速箱內(nèi)油溫異常升高。最終發(fā)生變速箱油溫高報(bào)警、行走異常的故障。

綜上所述，本次故障定位為壓力監(jiān)測未考慮壓降（底事件X15）所致。

4 機(jī)理分析

為進(jìn)一步確認(rèn)壓降是導(dǎo)致離合器產(chǎn)生滑轉(zhuǎn)，導(dǎo)致油溫高的原因，為此進(jìn)行了理論計(jì)算[7]。

根據(jù)式（1）分別計(jì)算不同滑磨時(shí)間下Ⅰ擋、Ⅱ擋、Ⅲ擋的滑磨功：

其中，Mc=2 742 Nm；ω1=54.15 rad/s；ω2=54.15t（滑磨時(shí)間為1 s），ω2=27.08t（滑磨時(shí)間為2 s），ω2=18.05t（滑磨時(shí)間為3 s），ω2=13.54t（滑磨時(shí)間為4 s），ω2=10.83t（滑磨時(shí)間為5 s）。

不同擋位下的滑磨功如圖8所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，Ⅰ擋、Ⅱ擋、Ⅲ擋在出現(xiàn)滑轉(zhuǎn)時(shí)，隨著滑轉(zhuǎn)率的增加，在相同時(shí)間內(nèi)溫升越大，特別是Ⅱ、Ⅲ擋輸出轉(zhuǎn)速越高溫升越明顯。由于在正常換擋情況，摩擦片滑摩時(shí)間很短，一般都在一秒以內(nèi)；當(dāng)摩擦片完全結(jié)合后，主、從動片間無滑轉(zhuǎn)，不產(chǎn)生滑摩功。正常換擋情況下摩擦片所產(chǎn)生的溫升有限，系統(tǒng)主要發(fā)熱由齒輪高速運(yùn)轉(zhuǎn)過程中攪油、齒輪副間相對運(yùn)動摩擦等產(chǎn)生。

圖8 不同滑磨時(shí)間下的滑磨功

當(dāng)換擋壓力降低后摩擦片間的滑轉(zhuǎn)率增加，變速箱的溫度隨著滑轉(zhuǎn)時(shí)間增加，滑摩功增大，溫升增大，在持續(xù)滑轉(zhuǎn)的情況下，最終導(dǎo)致變速箱油溫高。

5 改進(jìn)措施與驗(yàn)證

（1）采取措施：將主機(jī)修復(fù)，換擋壓力由16 bar調(diào)整為22 bar±2 bar，同時(shí)對主機(jī)換擋油路系統(tǒng)進(jìn)行清洗，并換裝新的換擋齒輪。

（2）驗(yàn)證情況：將主機(jī)安裝好行駛200 km進(jìn)行測試，按照調(diào)試工藝，將換擋壓力值由16 bar調(diào)整至22 bar。進(jìn)行了換擋閥壓力監(jiān)測點(diǎn)及變速箱端蓋處的壓力測量，兩點(diǎn)間壓差4 bar～5 bar，端蓋處壓力18 bar，滿足≥16 bar技術(shù)要求，行駛過程也均未發(fā)現(xiàn)其他異常。因此，可以判定故障問題得到了徹底的解決。

6 總結(jié)

在特種工程車的實(shí)際應(yīng)用中，由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、載荷惡劣，會有多種原因引起變速箱油溫升高，進(jìn)一步引發(fā)行駛故障。本文通過故障樹方法，快速定位到行駛故障原因，并基于實(shí)踐分析與理論計(jì)算，確定改進(jìn)方法，有效解決故障問題。可進(jìn)一步完善該類裝備的故障解決方法，同時(shí)為下一代機(jī)型開發(fā)提供經(jīng)驗(yàn)。