地鐵調車機車靜液壓油泵燒損原因及改進建議

王繼強，陶志鋼，葛興亮，展 翔

（青島地鐵集團有限公司運營分公司車輛部，山東青島 266041）

0 引言

地鐵運營企業較多采用液力傳動內燃機車或重型軌道車進行廠內調車、正線施工和救援編組任務。作為地鐵運營保障的重要動力車輛之一，調車機車功率一般為（300～600）kW，其結構原理和系統設置，本質上是一臺小功率液力傳動內燃機車。該類調車機車的靜液壓系統，相對于大功率內燃機車而言，冷卻功能更為集成，承擔著發動機冷卻液、中冷空氣、液力傳動油以及自身液壓油的冷卻任務。2018年6月，青島地鐵3號線調車機車GDM302發生靜液壓系統油泵燒損故障，由于該油泵系進口件，造價高、購置周期長，發生類似故障后檢修停時過長，嚴重影響機車的正常運用，因此需對類似故障進行細致剖析，找出故障原因和預防措施，提升調車機車靜液壓系統運行可靠性。

1 系統概況

圖1 GCY-300型重型軌道車靜液壓系統

青島地鐵3號線采用金鷹重工生產的GCY-300型重型軌道車作為調車機車，該車型靜液壓系統與傳統內燃機車的靜液壓系統相似，由齒輪泵、柱塞馬達、溢流閥、球閥、油箱、油冷卻器及附件等組成。地鐵行業使用的調車機靜液壓系統基本采用齒輪泵，而不是內燃機車所采用的柱塞泵，其余部件與內燃機車靜液壓系統基本相同，液壓原理見圖1。

2 故障現象及處理

2.1 故障現象

軌道車正常啟機5 min后機器間有霧狀氣體，停機經檢查發現機器間地面及V形散熱器表面有大量液壓油，進一步檢查發現液壓系統齒輪泵排油口有液壓油泄漏，拆檢發現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），為使車輛快速恢復運行，更換新的密封圈，補充液壓油。再次啟機后，初期顯示系統運行正常。為確保系統平穩加載，運轉3 min后將液壓系統壓力由5 MPa緩慢調整為正常運行壓力13 MPa。此時，冷卻風扇運轉正常無異聲，百葉窗正常開啟，但繼續運轉10 min后，油泵泵體、液壓油管路、散熱單節表面溫度異常，泵體表面出現白色煙霧（圖4）。停機檢查發現，泵體和液壓管路表面均有嚴重過熱現象。

圖2 破損密封圈

2.2 故障處理

圖3 法蘭表面變形

根據故障現象，初步判斷是齒輪泵故障。將油泵拆下，拆卸部位用油布覆蓋，對油管進行封堵，防止異物進入液壓系統。檢查發現齒輪泵用手轉動阻力大，旋轉不靈活。分解齒輪泵發現泵體內壁掃膛且銅套內壁嚴重損壞（圖5、圖6），初步判斷為齒輪與泵體摩擦發熱造成泵體溫度偏高。同時，在與進油法蘭連接的彎管內發現長約20 cm的螺桿，通過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脫落在油箱內，經液壓油流動至油管轉彎處，因螺桿過長卡在彎管處，沒有進入油泵內腔，如圖7所示。為徹底排除故障，檢修人員對靜液壓系統進行全面清洗，檢查發現油質較好，無明顯雜質，排除油質較臟導致油泵燒損的原因。更換新的液壓油及油泵后，泵體及管路體表溫度正常，系統運行正常，故障消除。

圖4 泵體表面嚴重過熱

圖5 齒輪泵銅套內壁變形

圖6 齒輪泵泵體與齒輪摩擦傷痕

圖7 螺桿卡滯位置

2.3 對比跟蹤

更換油泵后，故障車輛未投入運行，而是與其他重型軌道車靜液壓油泵的溫升進行比較，驗證油泵更換效果，并尋找油泵排油口法蘭膠圈老化原因。

在發動機冷態下，泵體外表溫度約為15℃，將發動機由怠速提升到最高轉速，保持15 min，分別抽取5個時間段，檢測油泵排油口及泵體表面溫度。測量數值見表1。

表1 油泵排油口及泵體表面溫度檢測結果

兩車檢測數據顯示，當溫升到一定程度后，均處于一種平衡狀態，但故障車GDM302的溫升快于GDM301，說明GDM301冷卻系統效能優于GDM302。進一步檢查發現故障車散熱單節外部有污堵現象，清洗散熱單節后，再次測量溫升數據基本正常，未再出現漏油、發熱等異常現象，GDM302投入調車作業。

3 原因分析

3.1 油泵原理

齒輪泵由2個齒輪、泵體與前后蓋組成2個封閉空間，齒輪轉動時，齒輪脫開側的空間體積從小變大，形成真空，將液體吸入，齒輪嚙合側空間體積從大變小，將液體擠入管路。吸入腔與排出腔靠2個齒輪的嚙合線隔開，齒輪泵排出口壓力取決于泵出口處阻力的大小。根據齒輪泵及液壓系統工作原理，分析造成齒輪泵磨損發熱的原因有4個：

（1）排油管路有堵塞，造成液壓油壓力升高，造成齒輪旋轉不暢，導致磨損。

（2）泵使用一段時間后，軸向間隙變小，或者泵軸與發動機聯軸器同心度下降，造成泵內部磨損。

（3）液壓系統超載，如液壓油壓力或發動機轉速過高。

（4）吸油管路堵塞導致吸油量減少，造成齒輪泵內部磨損。

3.2 油泵燒損原因

圖8 外嚙合齒輪泵工作原理

根據齒輪泵內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。由于該車在運轉過程中，齒輪泵出油口密封膠圈破損，液壓油漏泄導致油量不足，齒輪泵吸空，泵體潤滑、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，但該車運用年限不長，同批次工程車均運用良好，其膠圈加速老化的原因值得探尋，從而追根溯源采取相應的預防措施。

3.3 膠圈老化原因

根據破損膠圈的外觀可以判斷，膠圈因疲勞老化而破損，正常情況下這個過程應相對緩慢。故障處理過程中，發現油泵吸油口彎管處有一長達200 mm，直徑5 mm的螺桿。當螺桿脫落被油沖至吸油口時，必然會造成進油受阻，油泵吸油量無法滿足排油量，吸油和排油之間的平衡被打破，油泵內腔油量在不充足的情況下，必然會引起油泵溫度升高，長期運行會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2臺軌道車泵體的溫度進行橫向對比，考察系統散熱能力，進行發動機最高轉速運行升溫試驗，采集相關數據，并由表1繪制圖9。

從圖9可以看出，故障軌道車GDM302的溫升趨勢明顯高于GDM301。當發動機最高轉速運行10 min時，兩車排油口溫度相差12.6℃，說明GDM302靜液壓系統的散熱狀態較差，檢查發現散熱單節外表污堵，是系統油溫較高的原因之一。由于系統散熱不良，長期高溫運行也會誘發密封膠圈加速老化。

對GDM302散熱單節進行清洗后，重復上述的測試，對比2車溫升數據（圖10），從圖10可以看出，溫升趨勢基本一致，靜液壓系統散熱功能得到恢復。

圖9 排油口溫升趨勢比較

圖10 泵體體表溫升趨勢比較

4 改進建議

靜液壓系統一旦出現故障，需進行換油及相關部件的更換，導致檢修成本增高，檢修停時延長，影響車輛正常的作業。針對此次故障中出現的問題，提出4點優化改進建議。

（1）改進靜液壓油箱磁性濾芯螺桿的緊固方式。目前的安裝方式，只用一個螺母進行緊固，未采取防松墊圈等措施，一旦螺母脫落必造成螺桿進入油道，引起油道堵塞引發油泵燒損等故障。因此，建議采取開口螺母加開口銷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。此外檢修人員應每季度檢查一次磁性濾芯是否松動，確保螺母處于緊固狀態。

（2）檢修人員每月對散熱單節進行檢查，每季度對單節外表清掃一次，確保散熱效果。

（3）加裝靜液壓油溫傳感器及報警裝置，改造位置如圖11所示。油溫是靜液壓系統運行的重要參數，通過實時監控和報警，第一時間發現油溫異常上升。建議對靜液壓油箱回油管路進行改進，加裝油溫傳感器，并增設相應的報警電路。根據經驗值，當油溫＞75℃時報警，80℃時自動卸載，將整個預防關口前移，避免惡性故障的發生。

圖11 靜液壓系統改進位置

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