工程机械使用减速机高温适应性探讨

2022-09-21 16:42:23 来源:写作指导

摘要:本文结合轮式起重机使用的减速机环境适应性实例分析,介绍了产品在高温环境下出现减速机制动密封损坏导致减速机功能失效故障的原因,通过产品改进结合试验验证,有效解决了减速机故障,提升了产品可靠性。

关键词:减速机;环境适应性;可靠性;轮式起重机

起升机构、回转机构是轮式起重机最重要的两大工作机构,减速机作为两大机构的主要执行部件,直接影响产品能否完成规定的功能。随着国内工程机械企业国际化业务增长迅速,地区差异会造成产品使用环境越来越复杂,工程实践表明,环境对产品能否完成规定的功能影响很大,本文通过分析在海外高温地区出现的减速机特有故障,探讨环境适应性与产品可靠性的关系,通过故障树分析、实验验证找出导致故障发生的原因并实施改进措施,以满足环境适应性要求。

1问题的提出

通过售后数据分析,起重机产品在海外高温地区出现卷扬减速机、回转减速机制动器功能失效故障较高,拆检发现减速机主要问题为齿轮油和制动器液压油混油乳化、密封圈有明显磨损、摩擦片存在磨损等。故障产品在国内有较高的市场保有量,且国内市场极少出现该故障。很显然,在国内成熟的产品不能满足海外高温地区的使用工况需求。

2减速机故障的原因分析

减速机制动器在起重机作业时起到接通或切断起升、回转动力的作用。从故障件排查情况看,故障直接原因为制动密封失效,导致液压系统中的液压油经由制动器密封处进入减速机,随着齿轮传动,润滑油与液压油充分搅拌,使得混合油液出现乳化现象,继而引发摩擦片磨损、制动器失效等故障。

2.1制动密封损坏的故障树分析

以轮式起重机减速机制动密封损坏为研究对象,运用故障树分析的基本原理,将故障原因逐步细化,找出导致这一故障的基本原因。在分析过程中,假设条件:(1)不考虑认为操作失误引起的故障。(2)故障树中的底事件之间是相互独立的。(3)每个底事件和顶事件只考虑其发生或不发生两种状态。选取“制动密封损坏”作为顶事件,建立故障树如图1所示。顶事件T:制动密封损坏中间事件M:M1密封问题导致损坏;M2与密封配合零件问题导致密封损坏;M3装配操作不当导致密封损坏;M4密封选用不合理导致密封损坏;M5密封本身存在问题;M6密封压缩量小漏油,压缩量大加速密封磨损;M7密封件磨损;M8密封不能满足环境温度要求;M9密封配合零件设计不合理;M10密封配合零件尺寸超差;M11密封配合零件加工缺陷。底事件X:X1挡圈装配损坏;X2密封装配破损;X3密封结构形式不满足使用要求;X4密封耐压不满足使用要求;X5密封尺寸选择不当;X6密封材质差;X7密封尺寸超差;X8密封配合零件表面粗糙度设计要求不足;X9密封低温冻裂;X10密封高温老化、变形;X11活塞配合公差设计不合理;X12沟槽尺寸设计不合理;X13密封配合形位公差要求不足;X14密封配合零件尺寸超差;X15密封配合零件形位公差超差;X16密封配合零件飞边毛刺;X17密封配合零件漏加工边缘圆角;X18密封配合零件粗糙度超差。求故障树最小割集,最终得到全部最小割集为:{X1}、{X2}、{X3}、{X4}、{X5}、{X6}、{X7}、{X8}、{X9}、{X10}、{X11}、{X12}、{X13}、{X14}、{X15}、{X16}、{X17}、{X18}。

2.2制动密封损坏的故障原因确定

通过对最小割集逐项排查确定改进方向:该产品为用户使用一段时间后出现故障,为产品可靠性问题。排除{X1}、{X2}。现场环境温度较高,排除{X9}。通过对旧件外观、尺寸、公差进行排查测量,排除{X14}、{X15}、{X16}、{X17}。工程机械齿轮箱制动器的密封采用“双平挡圈+星形密封圈”的结构形式。该结构为成熟的密封结构,在国内产品中广泛应用且故障率较低,排除{X3}。密封选用知名进口品牌,长期使用,质量稳定,密封设计工作压力为4MPa,密封样本最大耐压为30MPa,制动密封处的尺寸及表面粗糙度均严格按照样本推荐值进行设计,排除{X4}、{X5}、{X6}、{X7}、{X8}、{X11}、{X12}、{X13}。对现场情况进行排查,现场地表温度在70℃左右,为极端高温环境,在国内罕见。密封圈在制动器座内往复运动,与制动器座相互接触并发生摩擦,加之齿轮传动也产生热量,这就使得密封圈的实际工作温度可超90℃,根据样本中的材料建议,NBR材料在齿轮油与液压油中的最高使用温度分别为80℃、90℃,如表1所示,这说明高温加速密封圈的老化、过度磨损是导致制动密封失效的原因之一。需解决最小割集{X10}问题。活塞及固定座密封工作表面粗糙度设计要求为Ra0.4,实际加工过程中磨削后的活塞外圆存在不可见的微小的刻划痕迹,且有轻微的颗粒感,活塞在多次往复运动,可能造成星形密封的快速磨损导致泄漏。通过选用工作面粗糙度差的活塞,做制动器开启试验和保压试验,开启次数约为60000次,试验结束后发现密封圈有一定程度的磨损,同时密封圈附着的液压油发黑,有细小颗粒。这也证明密封圈磨损是由于活塞或固定座工作表面粗糙度差导致的。需解决最小割集{X18}问题。综上所述,要解决制动器漏油问题,需要解决{X10}密封高温老化、变形、{X18}密封配合零件粗糙度超差问题。

3减速机改进

3.1工艺提升

活塞外圆、固定座内腔与星型密封圈接触位置原为磨削加工,粗糙度大Ra0.4左右,为了获得更好地表面粗糙度,分别增加其他3种加工工艺,并采用粗糙度仪进行最终的粗糙度对比,如表2所示,最终确定选用C工艺。

3.2设计改进

通过查阅各类介质中不同材质密封允许的最高恒定温度,结合海外现场高温环境要求,将星型密封圈材料由丁晴橡胶(NBR)更改为氟橡胶(FKM)(通过表1可知:FKM材料在齿轮油与液压油中的最高使用温度均为150℃)。

3.3效果验证

试验内容:选用2台活塞和固定座,密封工作表面采用C工艺方案加工,检测粗糙度达到Ra0.12以下,更换FKM材料的星型密封圈。装配后进行台架试验(车间温度约45℃),持续不间断的对减速机进行加载,使减速机温度达到90℃,制动器开启次数为60000次左右。试验结束后对减速机进行拆解,检查相关零件状态。试验结果:试验完成后拆解发现,密封圈无明显磨损,密封圈附着的液压油未发黑,无细小颗粒,未发现制动液泄漏。市场跟踪:通过更换改进后减速机产品,该市场再无同类故障发生。

4结语

本文针对起重机使用的减速机在海外高温地区遇到的密封损坏问题,进行了原因分析,提出了改进方法及举措,取得了很好的效果。随着工程机械的不断发展,对环境适应性要求将越来越高,仍然是一个长期而复杂的过程,需要不断的完善与发展。(1)在产品设计与开发阶段需要开展环境适应性设计与试验,以保证能够满足规定的环境适应性要求,这样研发的产品才能设计定型。(2)在生产制造阶段,产品需要经过环境验收或例行试验才能够允许出厂。(3)合格的产品在运输、贮存和使用过程中,需要在规定的环境下保持完好的功能和性能,如果不能达到规定的功能和性能要求,应作为故障进行分析处理。

作者:周陆军 张习强 张振华 单位:徐州重型机械有限公司