铁路救援起重机起升装置故障分析与解决措施

于 跃，侯广慧，刘 永，张永辉

（中车齐齐哈尔车辆有限公司大连研发中心，辽宁 大连 116052）

0 引言

铁路救援起重机是一种在铁路上行驶和作业的起重机，主要用于铁路机车车辆脱轨、颠覆等事故救援和铁路上大型货物吊运以及车辆牵引作业等。目前国内用于铁路救援的起重机主要有国产的125 t、160 t伸缩臂式铁路救援起重机和进口160 t、200 t伸缩臂式铁路救援起重机，分布在国内18 个铁路局。国产铁路救援起重机均采用液压传动系统，进口铁路救援起重机采用电液控制系统[1-2]。

国产160 t伸缩臂铁路救援起重机为20世纪90年代末技术水平，额定起重量160 t，最大起重力矩1 440 t·m，是当时国内起重大吨位的铁路救援起重机，在国内铁路事故救援中发挥了重要作用。国产160 t铁路救援起重机主要由吊臂、转台、司机室、机械室、底架、转向架、配重铁、动力系统、液压系统、空气制动系统和电气控制系统组成。该起重机采用三节伸缩吊臂，独立的司机室。为保证救援起重机可靠性，该起重机采用两台相同功率的柴油机为动力，两台柴油机可同时工作，也可单独工作。国产160 t伸缩臂式铁路救援起重机液压系统采用先导控制，泵控调速方式，恒功率开始系统。液压系统分为主油路和先导控制油路，主油路由变量泵A8VO107、液控多路阀MO-32、吊臂液压油缸、变幅油缸、支腿油缸、重铁挂放油缸、起升定量马达A2FM160、回转马达A2FM107、走行马达A6VM160、液压油箱等组成；先导控制油路由控制齿轮泵、压力油滤清器、安全阀、操纵阀等组成。

1 起升装置原理

国产160 t伸缩臂铁路救援起重机起升油路由变量主泵、多路阀和起升马达组成。该起重机配置两台相同功率的柴油机，每个柴油机上安装一个主泵A8VO107 和一个辅助齿轮泵，起重机的起升装置采用双卷筒双定量马达结构型式，该结构由2 个卷筒、2 个定量马达A2FM107、2 个行星减速机和卷筒同步机构组成。卷筒同步机构由安装在卷筒上的齿轮和一个中间齿轮构成，使两个卷筒同步转动，起升装置液压和机构原理如图1所示。起重机起升装置液压油路主要由液压泵A8VO107、2个多路阀MO-32、起升定量马达A2FM160、平衡阀FD32型平衡阀、合流控制阀、操纵阀和先导控制油路组成。起重机控制原理为重载起升时两个马达同时供油，空载起升时，为获得最大起升速度，将两个主泵的液压油合流后供给一个起升马达。具体控制流程如下：当起重机重载起升时，操纵手柄11，此时合流控制阀12断电，两个主泵的压力油分别通过两个多路阀和进入两个马达，柴油机最大转速时，起升装置获得最大重载起升速度；当起重机空载起升时，为获得最大起升速度，先将合流控制阀12通电，两个主泵的液压油经过多路阀8合流到9中，操纵手柄11，起升装置在马达4驱动下，卷筒2通过同步齿轮3带动卷筒1同步转动，此时马达6被动转动。该原理在设计时采用阀外合流的方式提高起重机空载起升速度，同时在不合流的情况下满足重载起升速度。

图1 起升装置原理

2 起升装置故障现象

起重机在厂内进行试验时，当下放160 t 载荷瞬间，平衡阀盖板顶弯曲，如图2所示，造成溜钩，重物快速下降。将马达和平衡阀进行拆解，拆解后发现有些平衡阀阀芯有划痕，同时也出现过部分马达出现柱塞折断现象，在折断的柱塞根部球头发现有烧灼的痕迹，如图3所示。

图2 平衡阀盖板顶弯曲

图3 马达柱塞折断

3 故障原因分析

3.1 平衡阀故障分析

根据液压原理图1 分析，当起重机下放160 t 载荷时，两个平衡阀由马达4 的液压油打开，如果平衡阀阀芯出现划痕，造成平衡阀开启卡滞，在重物下放时，卷筒制动器打开，假设平衡阀7不开启，平衡阀5开启，此时两个卷筒的载荷通过同步齿轮作用在一个卷筒上，平衡阀7将承受2倍的正常工作载荷。通过现场实测，当起重机起升160 t载荷时，马达工作压力约为25 MPa，如果一个平衡阀卡滞不能开启，此时该马达和平衡阀将承受2 倍的载荷，经过计算，平衡阀和马达将承受50 MPa压力。由于马达额定工作压力为40 MPa，峰值压力为45 MPa，平衡阀的额定工作压力为35 MPa，因此在一个平衡阀卡滞故障时，由于压力过高，将卡滞的平衡阀盖板顶弯，造成溜钩现象[3-5]。

3.2 马达故障分析

马达柱塞折断的原因主要是马达超速运转或者柱塞球头润滑不良，造成柱塞球头发热后烧死。首先核算马达是否超速运转，根据液压原理图和液压系统工作方式，计算马达在空载和重载时最大转速[6]。按照泵的最大输入转速和排量，考虑容积效率为0.98，已知马达A2FM160 最大转速3 600 r/min，极限转速4 000 r/min；主泵A8VO107 排量是2×107=214 mL/r。当起重机合流时，规定柴油机最大输出转速为1 400 r/min，合流后主泵14和15液压油都提供给马达4，此时马达4转速为：

式中：n为泵数量；qb为泵排量，mL/r；nc为柴油机转速，r/min；qm为马达排量，mL/r；ηvb为泵容积效率；ηvm为泵机械效率。

代入数值得：n1= 3 596.7 r/min，小于马达允许的最大转速3 600 r/min，马达不超速。

当起重机不合流时，柴油机最大输出转速为2 000 r/min，主泵14和15分别给马达4和6提供液压油，此时马达4和6的转速为：

代入数值得：n1= 2 569 r/min，小于马达允许的最大转数3 600 r/min，马达不超速。

通过计算，马达转速符合要求。但是由于起升装置中两个卷筒通过同步齿轮驱动，达到转数相同，当起重机合流时，根据图1，两个泵都给马达4 供油，马达6 在同步齿轮带动下被动旋转，此时转速和马达4 相同，转速达到3 596.7 r/min，此时马达进行被动吸油，供油压力小于2 bar（1 bar ≈0.1 MPa）。按照A2FM160马达样本得知，当马达进口压力为小于2 bar时，马达允许的转速为1 500 r/min，只有当马达提供至少10 bar 的压力油时，马达才能以最大转速转动，因此在合流工况下，马达6在长时间以超过1 500 r/min 转速工作下，会出现因润滑油缺失造成马达发热烧坏。

4 解决措施

通过近年在铁路起重机新产品液压系统的设计经验和深入研究，针对双马达和双卷筒出现的故障，提出如下解决措施[7-9]。

（1）采用带压力溢流的平衡阀

考虑如果有平衡阀出现卡滞时，保证起重机不出现溜钩现象，通过将平衡阀改为带有二次压力溢流阀的平衡阀，如图4 所示，当单个平衡阀出现故障时，高压的液压油通过溢流阀将压力释放，重物在平衡阀溢流阀压力作用下缓慢下降，防止在压力冲击下将平衡阀盖板顶弯泄漏，造成因重物快速溜钩发生事故。

图4 改进后起升装置原理

（2）增大主泵排量

为消除马达被动吸油状态，将主泵A8VO107 改为A8VO140，取消合流阀（图4），通过一个多路阀控制一个马达，使两个起升马达在最高转速时都能够得到足够的液压油润滑，即保证空载起升速度，也保证满载起升速度，解决原车合流时烧马达问题。

5 结束语

通过对国产160 t伸缩臂铁路救援起重机起升装置工作原理和液压系统进行分析和研究，得出如下结论。

（1）160 t 铁路救援起重机起升机构在使用带同步齿轮的双卷筒时，两个马达需要安装带溢流阀的平衡阀。

（2）对于带同步齿轮的双卷筒起升机构，两个马达应分别供油；如果通过一个马达带动另一个马达旋转，则需要向被动马达提供压力大于10 bar 的液压油，保证马达润滑。

（3）建议铁路救援起重机将起升装置改为单卷筒双缠绕的方式，利用一个变量马达驱动，即可以达到空载高速、重载低速需求，同时也可以保证起升机构在正常工作中不会因平衡阀卡滞和马达润滑不够出现溜钩事故。