關于DF8B 型內燃機車油- 空散熱器慣性裂漏問題的研究

汪文斌

（中國鐵路蘭州局集團有限公司蘭州西機務段,甘肅 蘭州 730070）

1 概述

DF8B 型內燃機車冷卻風扇驅動采用液壓傳動技術,整個靜液壓系統主要由液壓泵、液壓馬達、溫度控制閥、安全閥、油- 空散熱器、空氣濾清器、油箱組成。這個系統的基本原理是：柴油機剛開始工作時,后變速箱帶動靜液壓泵工作,油箱中的液壓油經過油箱底部的噴管射流裝置升壓后,以一定的供油壓力進入液壓泵,液壓泵將機械能轉變為液壓能,具有液壓能的高壓液壓油一部分經溫度控制閥節流口分流直接回油箱,另一部分經高壓軟管進入液壓馬達,將液壓能轉變為機械能,驅動冷卻風扇進行工作。這個過程中溫度控制閥節流損失及液壓泵、液壓馬達的機械損失、泄露損失等一系列損失,同時加上油箱中噴管射流損失以及管道內的其他損失都將轉變為熱能,使得油溫逐步升高,油液粘度逐漸下降,這將影響整個系統的正常工作。

因此,在高低溫靜液壓系統中,液壓馬達的出口至油箱的管路上各串聯1 個油- 空散熱器,該油空散熱器為液壓油冷卻器的一種,利用冷卻風扇吸進來的空氣對液壓油進行冷卻。DF8B型機車裝有兩臺靜液壓系統油- 空散熱器,是鉛板翅式結構形式,由聯接箱、翅片、封條、隔板等組成,靜液壓油由扁管內流過。油- 空散熱器結構圖如圖1 所示。

圖1

2 問題的發生

2021 年11 月16 日我段一臺DF8B 型內燃機車在擔當貨物列車牽引任務時,司機在某站內檢查機車時發現低溫油- 空散熱器漏油,靜液壓油缸油位已下降二分之一,由于無法建立油壓驅動冷卻風扇正常工作,柴油機低溫冷卻水系統無法正常冷卻,為防止造成其他重大影響故而請求救援。11 月18 日早我段技術科組織相關技術人員對故障散熱器進行檢查鑒定,發現該油- 空散熱器上部（靜液壓馬達一側）散熱片與框架焊焊波處存在13cm 左右裂紋,懷疑為配件質量問題,更換該車低溫油空散熱器后繼續上線運行。上線運行第一趟11 月18 日該車低溫油- 空散熱器再度發生裂漏造成機破,遂將本車扣回本段進行進一步實驗、分析。

機車回段后檢查發現該油- 空散熱器殼體有超過10cm裂紋1 處,更換新品后進行試驗。當油水溫度超過60度時,頂死溫度控制閥讓冷卻風扇全速轉動,檢查發現靜液壓泵進出油管均有一定程度非正常振動,除此之外,觀察靜液壓油缸內部液壓油有氣泡。現根據檢查情況對各個方向的可能性進行深度分析,并提出了相應的預防措施,防止DF8B型內燃機車油- 空散熱器再次出現裂漏。

3 分析過程

機車回段前對該機車的修程以及油- 空散熱器更換履歷做了調查如下：

2019 年11 月13 日年低溫油- 空散熱器漏,由中修廠家更換低溫油- 空散熱器（新品）后正常運行。

2021 年2 月6 日,低溫油- 空散熱器再次裂漏,更換備品（備品為返修件）后上線第一趟于2 月7 日再次發生裂漏,更換新品后試驗正常上線運行。

2021 年11 月16 日,低溫油- 空散熱器裂漏,更換備品（備品為返修件）后上線第一趟于11 月17 日再次發生裂漏,回段更換新品后進行檢查鑒定。

通過總結分析,該車低溫油- 空散熱器裂漏已成慣性故障,需進行深度挖掘原因并采取有效技術措施徹底解決問題,經過仔細檢查油- 空散熱器安裝面平整符合要求,安裝作業符合要求,可以排除因安裝不好引起機械損傷的可能,主要原因分析如下：

3.1 環境溫度影響靜液壓油的運動粘度

DF8B 型內燃機車靜液壓油為三代柴機油,表1 為三代柴機油運動粘度的測試參考數據,運動粘度隨溫度變化的趨勢如圖2。通過對該車低溫油- 空散熱器更換履歷的總結,發現該部件容易裂漏的時間基本上在天氣比較寒冷的時候,我段DF8B型內燃機車在甘肅白銀地區運用,11 月份以后該地區天氣逐漸寒冷,環境溫度最低到零下15 攝氏度左右,此時機油的運動粘度相對較高,在靜液壓系統管路當中的流動性變差,導致流動不暢,如果此時繼續提升柴油機轉速,則靜液壓泵轉速提升,從而增加整個靜液壓系統的油量,此時短時間內靜液壓油的溫度比較低,流動性也比較低,液壓油卸載回路也因溫度不高流通不暢,導致系統內部壓強急劇上升,隨著壓強上升,當油壓超過油空散熱器耐壓能力時,則會使油空散熱器發生爆裂。2021 年11 月19 日,我段另一臺DF8B型內燃機車油空散熱器再度發生裂損造成機破,可以佐證氣候對靜液壓系統壓力有著比較大的影響。

表1 三代柴油機機油運動粘度測試結果

圖2 柴機油運動粘度隨溫度變化的趨勢

3.2 靜液壓系統自身故障

我段在白銀地區運用的DF8B型機車共12 臺,其他的機車油空散熱器出現故障的情況并不多見,除氣候變化因素外,可見已發生故障的兩臺機車靜液壓系統自身應該還存在問題。

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3.2.1 靜液壓泵與馬達內部出現問題。故障發生后,車間安排相關作業人員首先對磁性濾清器進行了檢查來檢查靜液壓泵、馬達是否有機械損傷,通過檢查發現磁性濾清器表面清潔狀態良好后,基本可以判斷靜液壓泵、馬達無機械損傷。同時,我們懷疑該車靜液壓泵和馬達內部各部間隙并不符合要求,機車中修時靜液壓泵和馬達也未嚴格按照中修工藝進行檢修、試驗。DF8B型內燃機車采用A2F225 型靜液壓泵（馬達）,除去軸伸結構、外部連接的方法及殼體外形的尺寸不一樣外,內部結構和尺寸是完全一樣。由于該車靜液壓泵為柱塞式液壓泵,在輸送流體的過程中會形成壓力脈動,即壓力波。壓力波會在不可壓縮的粘性流體中傳遞較長的一段距離,使整個系統產生振動。當靜液壓泵和馬達內部出現問題,比如當柱塞連桿組件及安裝后的軸向竄動量過大時,就會使泵油壓力不均勻,就會使壓力油在傳送過程當中擾動過大,所傳遞的壓力脈沖就會增強對系統內部的沖擊。

3.2.2 靜液壓油箱出現問題（靜液油箱如圖3 所示）。當液壓系統工作時,具有一定壓力的回油進入油箱上腔,經過磁性濾清器過濾后,從上噴嘴高速噴至下噴嘴,經下噴嘴擴壓后進入靜液壓泵的吸油口。這樣,靜液壓泵的吸油為壓力油,從而改善了泵的自吸性,有利于提高泵的功率,很好地避免了吸空現象的發生。靜液壓油箱的故障主要有兩個方面：

圖3 靜液壓油缸

a.上下噴嘴同軸度不符合要求。當上下噴嘴同軸度不符合要求時,噴嘴的高速靜液壓油就不可能全部直接噴入下噴嘴孔,這時就會導致下噴嘴被靜液壓油擊打并發生高頻率的振動,而且靜液壓油會呈現沫狀。

b.上下噴嘴對口間隙不符合要求。當上下噴嘴間隙過大時,就會使得上噴嘴噴下的油的能量發生流動損失,破壞其自吸性能。當上下噴嘴間隙過小時,將不利于上噴嘴向下噴嘴噴射液壓油時將部分油帶入下噴嘴,就無法彌補液壓油的損失。所以,當上下噴嘴間隙不符合要求時,就有可能會出現吸空穴蝕的情況。

綜上,當油箱內部上下噴嘴同軸度超限、對口間隙不符合要求時,或者噴嘴固定座脫焊斷裂,就會使靜液壓泵工作時產生強烈的振動,泵吸空現象就會發生,以至于影響整個系統,出現不正常的振動,成為油- 空散熱器裂損的一個輔助性因素。除此之外,靜液壓油缸內部小排氣管不暢時,靜液壓系統中的空氣無法及時排除,油缸內部產生壓力,會使靜液壓油在油- 空散熱器處無法正常流動,這時油空散熱器內部壓力急劇升高后就會出現破壞性裂紋。

3.2.3 委外修配件質量問題

根據對該機車上車配件履歷的追溯發現,所有委修過的配件在上車投入使用后的第一趟運用過程中都會再次裂漏,可見委修廠家在委修過程中沒有嚴格按照打壓試驗的要求進行試驗。

按照內燃機車中修要求,油- 空散熱器進出油口法蘭安裝上專用接口后,放入專用水箱內整體進行1.0MPa 氣密封試驗,保持5 分鐘無泄漏.如有泄漏在外表面處作好標記進行氬弧焊修理,對于委修件配件要求廠家嚴格按照工藝要求進行檢修,確保氣密性試驗符合要求。

3.2.4 靜液壓油中含有過量空氣或小排氣管堵塞。每次向靜液壓系統重新加油,系統中就一定會有大量空氣進入,所以靜液壓系統的排氣問題是相當重要的。貫穿上、下箱體設置的小管（圖3 中的16）, 其作用是當系統工作時油缸上油腔中的氣體通過上、下腔油的壓力差由下腔排出,小管的排氣口設在油箱下腔底部, 所以排氣比較緩慢。氣體溶解在油中后, 其本身的析出速度就很慢, 通向外界的排氣口只有一處, 同時無法設在系統最高處,致使液壓系統內部的空氣全部排凈非常困難。此時,液壓泵吸入的機油實際是油和空氣的混合體,這將導致液壓泵每一個工作循環中泵出的機油流量存在著比較大的差距,這就加劇了高壓油輸出的脈動。隨著液壓泵油壓的建立,油中的氣體在高壓作用下,在油液中就會產生高頻率、高沖擊的“油液”擊打現象,造成對油- 空散熱器及靜液壓管路的沖擊和振動,在長期的運用過程當中逐漸形成疲勞裂損。

4 措施和建議

4.1 對靜液壓系統采取一定的保溫措施

當進入冬季環境溫度比較低時,應當在油- 空散熱器兩散熱面及時加裝靜液壓系統空氣隔板,減少空氣流量,避免在環境溫度不高時在冷卻風扇的作用下帶走一定的熱量,防止靜液壓油過分冷卻后使得油溫過低,運動粘度上升。

4.2 做好機車防寒工作

按照段相關要求,及時做好機車防寒工作,掛好機車防寒被,做好機車的保溫工作。

4.3 機車在冬季運用時,柴油機啟機后應在低手柄位多運行一段時間,一是等靜液壓油溫升高后再提手柄進入正常運用,二是對靜液壓系統進行充分排氣。

4.4 DF8B 型內燃機車采用A2F225 型靜液壓泵（馬達）,機車大中修時對靜液壓泵、馬達進行嚴格檢修并按技術要求進行空載磨合試驗和負載試驗,確保性能良好。

空載磨合試驗：在靜液壓泵轉速分別為500、800、1200r／min 三種轉速下進行。

轉速為500r／min 時,磨合30min,測量泵體溫度應符合要求。軸承無異音,無泄漏。

轉速為800r／min 時,磨合20min。

轉速為1220r／min 時,磨合10min,液壓馬達各部溫度正常,無異音,無泄漏。

負載試驗：按表2 進行負載磨合。

表2

4.5 嚴格把控配件質量,機車中修時要對配件進行氣密性試驗,確保1.0MPa 氣密封試驗時配件保持5 分鐘無泄漏,除此之外對于上車的新件也要廠家出具合格證方能上車。

4.6 機車中修時一是要從螺堵、管接頭孔或檢查孔處,目測檢查上、下噴嘴三個固定座是否脫焊,如有脫焊需進行及時處理；二嚴格檢查靜液壓油缸上下噴嘴之間的同軸度以及距離,如不符合要求,應及時進行整修,使其符合要求。主要技術要求如表3。

表3

4.7 要確保各排氣孔暢通,除此之外機車中修完的時間如果在冬季,首次給靜液壓油缸加油時不能一次性加滿,要分幾次進行添加。同時,要甩車數次并啟機,使靜液壓系統充滿靜液壓油,進行充分排氣。

5 結論

在機車實際的運用過程中,單個影響機車質量的因素不足以造成機車故障,但在氣候、運用條件比較惡劣的情況下,多個因素的疊加就會使機車故障出現,因此要正確判斷靜液壓系統油- 空散熱器慣性裂漏的問題,必須結合機車實際運用情況進行綜合判斷,提出可行性措施。