鐵路救援起重機(jī)起升裝置故障分析與解決措施

于 躍，侯廣慧，劉 永，張永輝

（中車齊齊哈爾車輛有限公司大連研發(fā)中心，遼寧 大連 116052）

0 引言

鐵路救援起重機(jī)是一種在鐵路上行駛和作業(yè)的起重機(jī)，主要用于鐵路機(jī)車車輛脫軌、顛覆等事故救援和鐵路上大型貨物吊運(yùn)以及車輛牽引作業(yè)等。目前國內(nèi)用于鐵路救援的起重機(jī)主要有國產(chǎn)的125 t、160 t伸縮臂式鐵路救援起重機(jī)和進(jìn)口160 t、200 t伸縮臂式鐵路救援起重機(jī)，分布在國內(nèi)18 個(gè)鐵路局。國產(chǎn)鐵路救援起重機(jī)均采用液壓傳動(dòng)系統(tǒng)，進(jìn)口鐵路救援起重機(jī)采用電液控制系統(tǒng)[1-2]。

國產(chǎn)160 t伸縮臂鐵路救援起重機(jī)為20世紀(jì)90年代末技術(shù)水平，額定起重量160 t，最大起重力矩1 440 t·m，是當(dāng)時(shí)國內(nèi)起重大噸位的鐵路救援起重機(jī)，在國內(nèi)鐵路事故救援中發(fā)揮了重要作用。國產(chǎn)160 t鐵路救援起重機(jī)主要由吊臂、轉(zhuǎn)臺(tái)、司機(jī)室、機(jī)械室、底架、轉(zhuǎn)向架、配重鐵、動(dòng)力系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、空氣制動(dòng)系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)組成。該起重機(jī)采用三節(jié)伸縮吊臂，獨(dú)立的司機(jī)室。為保證救援起重機(jī)可靠性，該起重機(jī)采用兩臺(tái)相同功率的柴油機(jī)為動(dòng)力，兩臺(tái)柴油機(jī)可同時(shí)工作，也可單獨(dú)工作。國產(chǎn)160 t伸縮臂式鐵路救援起重機(jī)液壓系統(tǒng)采用先導(dǎo)控制，泵控調(diào)速方式，恒功率開始系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)分為主油路和先導(dǎo)控制油路，主油路由變量泵A8VO107、液控多路閥MO-32、吊臂液壓油缸、變幅油缸、支腿油缸、重鐵掛放油缸、起升定量馬達(dá)A2FM160、回轉(zhuǎn)馬達(dá)A2FM107、走行馬達(dá)A6VM160、液壓油箱等組成；先導(dǎo)控制油路由控制齒輪泵、壓力油濾清器、安全閥、操縱閥等組成。

1 起升裝置原理

國產(chǎn)160 t伸縮臂鐵路救援起重機(jī)起升油路由變量主泵、多路閥和起升馬達(dá)組成。該起重機(jī)配置兩臺(tái)相同功率的柴油機(jī)，每個(gè)柴油機(jī)上安裝一個(gè)主泵A8VO107 和一個(gè)輔助齒輪泵，起重機(jī)的起升裝置采用雙卷筒雙定量馬達(dá)結(jié)構(gòu)型式，該結(jié)構(gòu)由2 個(gè)卷筒、2 個(gè)定量馬達(dá)A2FM107、2 個(gè)行星減速機(jī)和卷筒同步機(jī)構(gòu)組成。卷筒同步機(jī)構(gòu)由安裝在卷筒上的齒輪和一個(gè)中間齒輪構(gòu)成，使兩個(gè)卷筒同步轉(zhuǎn)動(dòng)，起升裝置液壓和機(jī)構(gòu)原理如圖1所示。起重機(jī)起升裝置液壓油路主要由液壓泵A8VO107、2個(gè)多路閥MO-32、起升定量馬達(dá)A2FM160、平衡閥FD32型平衡閥、合流控制閥、操縱閥和先導(dǎo)控制油路組成。起重機(jī)控制原理為重載起升時(shí)兩個(gè)馬達(dá)同時(shí)供油，空載起升時(shí)，為獲得最大起升速度，將兩個(gè)主泵的液壓油合流后供給一個(gè)起升馬達(dá)。具體控制流程如下：當(dāng)起重機(jī)重載起升時(shí)，操縱手柄11，此時(shí)合流控制閥12斷電，兩個(gè)主泵的壓力油分別通過兩個(gè)多路閥和進(jìn)入兩個(gè)馬達(dá)，柴油機(jī)最大轉(zhuǎn)速時(shí)，起升裝置獲得最大重載起升速度；當(dāng)起重機(jī)空載起升時(shí)，為獲得最大起升速度，先將合流控制閥12通電，兩個(gè)主泵的液壓油經(jīng)過多路閥8合流到9中，操縱手柄11，起升裝置在馬達(dá)4驅(qū)動(dòng)下，卷筒2通過同步齒輪3帶動(dòng)卷筒1同步轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)馬達(dá)6被動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)。該原理在設(shè)計(jì)時(shí)采用閥外合流的方式提高起重機(jī)空載起升速度，同時(shí)在不合流的情況下滿足重載起升速度。

圖1 起升裝置原理

2 起升裝置故障現(xiàn)象

起重機(jī)在廠內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)下放160 t 載荷瞬間，平衡閥蓋板頂彎曲，如圖2所示，造成溜鉤，重物快速下降。將馬達(dá)和平衡閥進(jìn)行拆解，拆解后發(fā)現(xiàn)有些平衡閥閥芯有劃痕，同時(shí)也出現(xiàn)過部分馬達(dá)出現(xiàn)柱塞折斷現(xiàn)象，在折斷的柱塞根部球頭發(fā)現(xiàn)有燒灼的痕跡，如圖3所示。

圖2 平衡閥蓋板頂彎曲

圖3 馬達(dá)柱塞折斷

3 故障原因分析

3.1 平衡閥故障分析

根據(jù)液壓原理圖1 分析，當(dāng)起重機(jī)下放160 t 載荷時(shí)，兩個(gè)平衡閥由馬達(dá)4 的液壓油打開，如果平衡閥閥芯出現(xiàn)劃痕，造成平衡閥開啟卡滯，在重物下放時(shí)，卷筒制動(dòng)器打開，假設(shè)平衡閥7不開啟，平衡閥5開啟，此時(shí)兩個(gè)卷筒的載荷通過同步齒輪作用在一個(gè)卷筒上，平衡閥7將承受2倍的正常工作載荷。通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，當(dāng)起重機(jī)起升160 t載荷時(shí)，馬達(dá)工作壓力約為25 MPa，如果一個(gè)平衡閥卡滯不能開啟，此時(shí)該馬達(dá)和平衡閥將承受2 倍的載荷，經(jīng)過計(jì)算，平衡閥和馬達(dá)將承受50 MPa壓力。由于馬達(dá)額定工作壓力為40 MPa，峰值壓力為45 MPa，平衡閥的額定工作壓力為35 MPa，因此在一個(gè)平衡閥卡滯故障時(shí)，由于壓力過高，將卡滯的平衡閥蓋板頂彎，造成溜鉤現(xiàn)象[3-5]。

3.2 馬達(dá)故障分析

馬達(dá)柱塞折斷的原因主要是馬達(dá)超速運(yùn)轉(zhuǎn)或者柱塞球頭潤滑不良，造成柱塞球頭發(fā)熱后燒死。首先核算馬達(dá)是否超速運(yùn)轉(zhuǎn)，根據(jù)液壓原理圖和液壓系統(tǒng)工作方式，計(jì)算馬達(dá)在空載和重載時(shí)最大轉(zhuǎn)速[6]。按照泵的最大輸入轉(zhuǎn)速和排量，考慮容積效率為0.98，已知馬達(dá)A2FM160 最大轉(zhuǎn)速3 600 r/min，極限轉(zhuǎn)速4 000 r/min；主泵A8VO107 排量是2×107=214 mL/r。當(dāng)起重機(jī)合流時(shí)，規(guī)定柴油機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)速為1 400 r/min，合流后主泵14和15液壓油都提供給馬達(dá)4，此時(shí)馬達(dá)4轉(zhuǎn)速為：

式中：n為泵數(shù)量；qb為泵排量，mL/r；nc為柴油機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；qm為馬達(dá)排量，mL/r；ηvb為泵容積效率；ηvm為泵機(jī)械效率。

代入數(shù)值得：n1= 3 596.7 r/min，小于馬達(dá)允許的最大轉(zhuǎn)速3 600 r/min，馬達(dá)不超速。

當(dāng)起重機(jī)不合流時(shí)，柴油機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，主泵14和15分別給馬達(dá)4和6提供液壓油，此時(shí)馬達(dá)4和6的轉(zhuǎn)速為：

代入數(shù)值得：n1= 2 569 r/min，小于馬達(dá)允許的最大轉(zhuǎn)數(shù)3 600 r/min，馬達(dá)不超速。

通過計(jì)算，馬達(dá)轉(zhuǎn)速符合要求。但是由于起升裝置中兩個(gè)卷筒通過同步齒輪驅(qū)動(dòng)，達(dá)到轉(zhuǎn)數(shù)相同，當(dāng)起重機(jī)合流時(shí)，根據(jù)圖1，兩個(gè)泵都給馬達(dá)4 供油，馬達(dá)6 在同步齒輪帶動(dòng)下被動(dòng)旋轉(zhuǎn)，此時(shí)轉(zhuǎn)速和馬達(dá)4 相同，轉(zhuǎn)速達(dá)到3 596.7 r/min，此時(shí)馬達(dá)進(jìn)行被動(dòng)吸油，供油壓力小于2 bar（1 bar ≈0.1 MPa）。按照A2FM160馬達(dá)樣本得知，當(dāng)馬達(dá)進(jìn)口壓力為小于2 bar時(shí)，馬達(dá)允許的轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，只有當(dāng)馬達(dá)提供至少10 bar 的壓力油時(shí)，馬達(dá)才能以最大轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，因此在合流工況下，馬達(dá)6在長時(shí)間以超過1 500 r/min 轉(zhuǎn)速工作下，會(huì)出現(xiàn)因潤滑油缺失造成馬達(dá)發(fā)熱燒壞。

4 解決措施

通過近年在鐵路起重機(jī)新產(chǎn)品液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和深入研究，針對(duì)雙馬達(dá)和雙卷筒出現(xiàn)的故障，提出如下解決措施[7-9]。

（1）采用帶壓力溢流的平衡閥

考慮如果有平衡閥出現(xiàn)卡滯時(shí)，保證起重機(jī)不出現(xiàn)溜鉤現(xiàn)象，通過將平衡閥改為帶有二次壓力溢流閥的平衡閥，如圖4 所示，當(dāng)單個(gè)平衡閥出現(xiàn)故障時(shí)，高壓的液壓油通過溢流閥將壓力釋放，重物在平衡閥溢流閥壓力作用下緩慢下降，防止在壓力沖擊下將平衡閥蓋板頂彎泄漏，造成因重物快速溜鉤發(fā)生事故。

圖4 改進(jìn)后起升裝置原理

（2）增大主泵排量

為消除馬達(dá)被動(dòng)吸油狀態(tài)，將主泵A8VO107 改為A8VO140，取消合流閥（圖4），通過一個(gè)多路閥控制一個(gè)馬達(dá)，使兩個(gè)起升馬達(dá)在最高轉(zhuǎn)速時(shí)都能夠得到足夠的液壓油潤滑，即保證空載起升速度，也保證滿載起升速度，解決原車合流時(shí)燒馬達(dá)問題。

5 結(jié)束語

通過對(duì)國產(chǎn)160 t伸縮臂鐵路救援起重機(jī)起升裝置工作原理和液壓系統(tǒng)進(jìn)行分析和研究，得出如下結(jié)論。

（1）160 t 鐵路救援起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)在使用帶同步齒輪的雙卷筒時(shí)，兩個(gè)馬達(dá)需要安裝帶溢流閥的平衡閥。

（2）對(duì)于帶同步齒輪的雙卷筒起升機(jī)構(gòu)，兩個(gè)馬達(dá)應(yīng)分別供油；如果通過一個(gè)馬達(dá)帶動(dòng)另一個(gè)馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，則需要向被動(dòng)馬達(dá)提供壓力大于10 bar 的液壓油，保證馬達(dá)潤滑。

（3）建議鐵路救援起重機(jī)將起升裝置改為單卷筒雙纏繞的方式，利用一個(gè)變量馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，即可以達(dá)到空載高速、重載低速需求，同時(shí)也可以保證起升機(jī)構(gòu)在正常工作中不會(huì)因平衡閥卡滯和馬達(dá)潤滑不夠出現(xiàn)溜鉤事故。