关于DF8B 型内燃机车油- 空散热器惯性裂漏问题的研究

汪文斌

（中国铁路兰州局集团有限公司兰州西机务段,甘肃 兰州 730070）

1 概述

DF8B 型内燃机车冷却风扇驱动采用液压传动技术,整个静液压系统主要由液压泵、液压马达、温度控制阀、安全阀、油- 空散热器、空气滤清器、油箱组成。这个系统的基本原理是：柴油机刚开始工作时,后变速箱带动静液压泵工作,油箱中的液压油经过油箱底部的喷管射流装置升压后,以一定的供油压力进入液压泵,液压泵将机械能转变为液压能,具有液压能的高压液压油一部分经温度控制阀节流口分流直接回油箱,另一部分经高压软管进入液压马达,将液压能转变为机械能,驱动冷却风扇进行工作。这个过程中温度控制阀节流损失及液压泵、液压马达的机械损失、泄露损失等一系列损失,同时加上油箱中喷管射流损失以及管道内的其他损失都将转变为热能,使得油温逐步升高,油液粘度逐渐下降,这将影响整个系统的正常工作。

因此,在高低温静液压系统中,液压马达的出口至油箱的管路上各串联1 个油- 空散热器,该油空散热器为液压油冷却器的一种,利用冷却风扇吸进来的空气对液压油进行冷却。DF8B型机车装有两台静液压系统油- 空散热器,是铅板翅式结构形式,由联接箱、翅片、封条、隔板等组成,静液压油由扁管内流过。油- 空散热器结构图如图1 所示。

图1

2 问题的发生

2021 年11 月16 日我段一台DF8B 型内燃机车在担当货物列车牵引任务时,司机在某站内检查机车时发现低温油- 空散热器漏油,静液压油缸油位已下降二分之一,由于无法建立油压驱动冷却风扇正常工作,柴油机低温冷却水系统无法正常冷却,为防止造成其他重大影响故而请求救援。11 月18 日早我段技术科组织相关技术人员对故障散热器进行检查鉴定,发现该油- 空散热器上部（静液压马达一侧）散热片与框架焊焊波处存在13cm 左右裂纹,怀疑为配件质量问题,更换该车低温油空散热器后继续上线运行。上线运行第一趟11 月18 日该车低温油- 空散热器再度发生裂漏造成机破,遂将本车扣回本段进行进一步实验、分析。

机车回段后检查发现该油- 空散热器壳体有超过10cm裂纹1 处,更换新品后进行试验。当油水温度超过60度时,顶死温度控制阀让冷却风扇全速转动,检查发现静液压泵进出油管均有一定程度非正常振动,除此之外,观察静液压油缸内部液压油有气泡。现根据检查情况对各个方向的可能性进行深度分析,并提出了相应的预防措施,防止DF8B型内燃机车油- 空散热器再次出现裂漏。

3 分析过程

机车回段前对该机车的修程以及油- 空散热器更换履历做了调查如下：

2019 年11 月13 日年低温油- 空散热器漏,由中修厂家更换低温油- 空散热器（新品）后正常运行。

2021 年2 月6 日,低温油- 空散热器再次裂漏,更换备品（备品为返修件）后上线第一趟于2 月7 日再次发生裂漏,更换新品后试验正常上线运行。

2021 年11 月16 日,低温油- 空散热器裂漏,更换备品（备品为返修件）后上线第一趟于11 月17 日再次发生裂漏,回段更换新品后进行检查鉴定。

通过总结分析,该车低温油- 空散热器裂漏已成惯性故障,需进行深度挖掘原因并采取有效技术措施彻底解决问题,经过仔细检查油- 空散热器安装面平整符合要求,安装作业符合要求,可以排除因安装不好引起机械损伤的可能,主要原因分析如下：

3.1 环境温度影响静液压油的运动粘度

DF8B 型内燃机车静液压油为三代柴机油,表1 为三代柴机油运动粘度的测试参考数据,运动粘度随温度变化的趋势如图2。通过对该车低温油- 空散热器更换履历的总结,发现该部件容易裂漏的时间基本上在天气比较寒冷的时候,我段DF8B型内燃机车在甘肃白银地区运用,11 月份以后该地区天气逐渐寒冷,环境温度最低到零下15 摄氏度左右,此时机油的运动粘度相对较高,在静液压系统管路当中的流动性变差,导致流动不畅,如果此时继续提升柴油机转速,则静液压泵转速提升,从而增加整个静液压系统的油量,此时短时间内静液压油的温度比较低,流动性也比较低,液压油卸载回路也因温度不高流通不畅,导致系统内部压强急剧上升,随着压强上升,当油压超过油空散热器耐压能力时,则会使油空散热器发生爆裂。2021 年11 月19 日,我段另一台DF8B型内燃机车油空散热器再度发生裂损造成机破,可以佐证气候对静液压系统压力有着比较大的影响。

表1 三代柴油机机油运动粘度测试结果

图2 柴机油运动粘度随温度变化的趋势

3.2 静液压系统自身故障

我段在白银地区运用的DF8B型机车共12 台,其他的机车油空散热器出现故障的情况并不多见,除气候变化因素外,可见已发生故障的两台机车静液压系统自身应该还存在问题。

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3.2.1 静液压泵与马达内部出现问题。故障发生后,车间安排相关作业人员首先对磁性滤清器进行了检查来检查静液压泵、马达是否有机械损伤,通过检查发现磁性滤清器表面清洁状态良好后,基本可以判断静液压泵、马达无机械损伤。同时,我们怀疑该车静液压泵和马达内部各部间隙并不符合要求,机车中修时静液压泵和马达也未严格按照中修工艺进行检修、试验。DF8B型内燃机车采用A2F225 型静液压泵（马达）,除去轴伸结构、外部连接的方法及壳体外形的尺寸不一样外,内部结构和尺寸是完全一样。由于该车静液压泵为柱塞式液压泵,在输送流体的过程中会形成压力脉动,即压力波。压力波会在不可压缩的粘性流体中传递较长的一段距离,使整个系统产生振动。当静液压泵和马达内部出现问题,比如当柱塞连杆组件及安装后的轴向窜动量过大时,就会使泵油压力不均匀,就会使压力油在传送过程当中扰动过大,所传递的压力脉冲就会增强对系统内部的冲击。

3.2.2 静液压油箱出现问题（静液油箱如图3 所示）。当液压系统工作时,具有一定压力的回油进入油箱上腔,经过磁性滤清器过滤后,从上喷嘴高速喷至下喷嘴,经下喷嘴扩压后进入静液压泵的吸油口。这样,静液压泵的吸油为压力油,从而改善了泵的自吸性,有利于提高泵的功率,很好地避免了吸空现象的发生。静液压油箱的故障主要有两个方面：

图3 静液压油缸

a.上下喷嘴同轴度不符合要求。当上下喷嘴同轴度不符合要求时,喷嘴的高速静液压油就不可能全部直接喷入下喷嘴孔,这时就会导致下喷嘴被静液压油击打并发生高频率的振动,而且静液压油会呈现沫状。

b.上下喷嘴对口间隙不符合要求。当上下喷嘴间隙过大时,就会使得上喷嘴喷下的油的能量发生流动损失,破坏其自吸性能。当上下喷嘴间隙过小时,将不利于上喷嘴向下喷嘴喷射液压油时将部分油带入下喷嘴,就无法弥补液压油的损失。所以,当上下喷嘴间隙不符合要求时,就有可能会出现吸空穴蚀的情况。

综上,当油箱内部上下喷嘴同轴度超限、对口间隙不符合要求时,或者喷嘴固定座脱焊断裂,就会使静液压泵工作时产生强烈的振动,泵吸空现象就会发生,以至于影响整个系统,出现不正常的振动,成为油- 空散热器裂损的一个辅助性因素。除此之外,静液压油缸内部小排气管不畅时,静液压系统中的空气无法及时排除,油缸内部产生压力,会使静液压油在油- 空散热器处无法正常流动,这时油空散热器内部压力急剧升高后就会出现破坏性裂纹。

3.2.3 委外修配件质量问题

根据对该机车上车配件履历的追溯发现,所有委修过的配件在上车投入使用后的第一趟运用过程中都会再次裂漏,可见委修厂家在委修过程中没有严格按照打压试验的要求进行试验。

按照内燃机车中修要求,油- 空散热器进出油口法兰安装上专用接口后,放入专用水箱内整体进行1.0MPa 气密封试验,保持5 分钟无泄漏.如有泄漏在外表面处作好标记进行氩弧焊修理,对于委修件配件要求厂家严格按照工艺要求进行检修,确保气密性试验符合要求。

3.2.4 静液压油中含有过量空气或小排气管堵塞。每次向静液压系统重新加油,系统中就一定会有大量空气进入,所以静液压系统的排气问题是相当重要的。贯穿上、下箱体设置的小管（图3 中的16）, 其作用是当系统工作时油缸上油腔中的气体通过上、下腔油的压力差由下腔排出,小管的排气口设在油箱下腔底部, 所以排气比较缓慢。气体溶解在油中后, 其本身的析出速度就很慢, 通向外界的排气口只有一处, 同时无法设在系统最高处,致使液压系统内部的空气全部排净非常困难。此时,液压泵吸入的机油实际是油和空气的混合体,这将导致液压泵每一个工作循环中泵出的机油流量存在着比较大的差距,这就加剧了高压油输出的脉动。随着液压泵油压的建立,油中的气体在高压作用下,在油液中就会产生高频率、高冲击的“油液”击打现象,造成对油- 空散热器及静液压管路的冲击和振动,在长期的运用过程当中逐渐形成疲劳裂损。

4 措施和建议

4.1 对静液压系统采取一定的保温措施

当进入冬季环境温度比较低时,应当在油- 空散热器两散热面及时加装静液压系统空气隔板,减少空气流量,避免在环境温度不高时在冷却风扇的作用下带走一定的热量,防止静液压油过分冷却后使得油温过低,运动粘度上升。

4.2 做好机车防寒工作

按照段相关要求,及时做好机车防寒工作,挂好机车防寒被,做好机车的保温工作。

4.3 机车在冬季运用时,柴油机启机后应在低手柄位多运行一段时间,一是等静液压油温升高后再提手柄进入正常运用,二是对静液压系统进行充分排气。

4.4 DF8B 型内燃机车采用A2F225 型静液压泵（马达）,机车大中修时对静液压泵、马达进行严格检修并按技术要求进行空载磨合试验和负载试验,确保性能良好。

空载磨合试验：在静液压泵转速分别为500、800、1200r／min 三种转速下进行。

转速为500r／min 时,磨合30min,测量泵体温度应符合要求。轴承无异音,无泄漏。

转速为800r／min 时,磨合20min。

转速为1220r／min 时,磨合10min,液压马达各部温度正常,无异音,无泄漏。

负载试验：按表2 进行负载磨合。

表2

4.5 严格把控配件质量,机车中修时要对配件进行气密性试验,确保1.0MPa 气密封试验时配件保持5 分钟无泄漏,除此之外对于上车的新件也要厂家出具合格证方能上车。

4.6 机车中修时一是要从螺堵、管接头孔或检查孔处,目测检查上、下喷嘴三个固定座是否脱焊,如有脱焊需进行及时处理；二严格检查静液压油缸上下喷嘴之间的同轴度以及距离,如不符合要求,应及时进行整修,使其符合要求。主要技术要求如表3。

表3

4.7 要确保各排气孔畅通,除此之外机车中修完的时间如果在冬季,首次给静液压油缸加油时不能一次性加满,要分几次进行添加。同时,要甩车数次并启机,使静液压系统充满静液压油,进行充分排气。

5 结论

在机车实际的运用过程中,单个影响机车质量的因素不足以造成机车故障,但在气候、运用条件比较恶劣的情况下,多个因素的叠加就会使机车故障出现,因此要正确判断静液压系统油- 空散热器惯性裂漏的问题,必须结合机车实际运用情况进行综合判断,提出可行性措施。