工程機械使用減速機高溫適應性分析

周陸軍，張習強，張振華

（徐州重型機械有限公司，江蘇 徐州 221100）

起升機構、回轉機構是輪式起重機最重要的兩大工作機構，減速機作為兩大機構的主要執行部件，直接影響產品能否完成規定的功能。隨著國內工程機械企業國際化業務增長迅速，地區差異會造成產品使用環境越來越復雜，工程實踐表明，環境對產品能否完成規定的功能影響很大，本文通過分析在海外高溫地區出現的減速機特有故障，探討環境適應性與產品可靠性的關系，通過故障樹分析、實驗驗證找出導致故障發生的原因并實施改進措施，以滿足環境適應性要求。

1 問題的提出

通過售后數據分析，起重機產品在海外高溫地區出現卷揚減速機、回轉減速機制動器功能失效故障較高，拆檢發現減速機主要問題為齒輪油和制動器液壓油混油乳化、密封圈有明顯磨損、摩擦片存在磨損等。故障產品在國內有較高的市場保有量，且國內市場極少出現該故障。很顯然，在國內成熟的產品不能滿足海外高溫地區的使用工況需求。

2 減速機故障的原因分析

減速機制動器在起重機作業時起到接通或切斷起升、回轉動力的作用。從故障件排查情況看，故障直接原因為制動密封失效，導致液壓系統中的液壓油經由制動器密封處進入減速機，隨著齒輪傳動，潤滑油與液壓油充分攪拌，使得混合油液出現乳化現象，繼而引發摩擦片磨損、制動器失效等故障。

2.1 制動密封損壞的故障樹分析

以輪式起重機減速機制動密封損壞為研究對象，運用故障樹分析的基本原理，將故障原因逐步細化，找出導致這一故障的基本原因。

在分析過程中，假設條件：

（1）不考慮認為操作失誤引起的故障。

（2）故障樹中的底事件之間是相互獨立的。

（3）每個底事件和頂事件只考慮其發生或不發生兩種狀態。選取“制動密封損壞”作為頂事件，建立故障樹如圖1所示。

圖1 故障樹

頂事件T：制動密封損壞

中間事件M：M1密封問題導致損壞；M2與密封配合零件問題導致密封損壞；M3裝配操作不當導致密封損壞；M4密封選用不合理導致密封損壞；M5密封本身存在問題；M6密封壓縮量小漏油，壓縮量大加速密封磨損；M7密封件磨損；M8密封不能滿足環境溫度要求；M9密封配合零件設計不合理；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擋圈裝配損壞；X2密封裝配破損；X3密封結構形式不滿足使用要求；X4密封耐壓不滿足使用要求；X5密封尺寸選擇不當；X6密封材質差；X7密封尺寸超差；X8密封配合零件表面粗糙度設計要求不足；X9密封低溫凍裂；X10密封高溫老化、變形；X11活塞配合公差設計不合理；X12溝槽尺寸設計不合理；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密封配合零件飛邊毛刺；X17密封配合零件漏加工邊緣圓角；X18密封配合零件粗糙度超差。

求故障樹最小割集，最終得到全部最小割集為：{X1}、{X2}、{X3}、{X4}、{X5}、{X6}、{X7}、{X8}、{X9}、{X10}、{X11}、{X12}、{X13}、{X14}、{X15}、{X16}、{X17}、{X18}。

2.2 制動密封損壞的故障原因確定

通過對最小割集逐項排查確定改進方向：該產品為用戶使用一段時間后出現故障，為產品可靠性問題。排除{X1}、{X2}。現場環境溫度較高，排除{X9}。通過對舊件外觀、尺寸、公差進行排查測量，排除{X14}、{X15}、{X16}、{X17}。

工程機械齒輪箱制動器的密封采用“雙平擋圈+星形密封圈”的結構形式。該結構為成熟的密封結構，在國內產品中廣泛應用且故障率較低，排除{X3}。

密封選用知名進口品牌，長期使用，質量穩定，密封設計工作壓力為4MPa，密封樣本最大耐壓為30MPa，制動密封處的尺寸及表面粗糙度均嚴格按照樣本推薦值進行設計，排 除{X4}、{X5}、{X6}、{X7}、{X8}、{X11}、{X12}、{X13}。

表1 密封樣本建議

對現場情況進行排查，現場地表溫度在70℃左右，為極端高溫環境，在國內罕見。密封圈在制動器座內往復運動，與制動器座相互接觸并發生摩擦，加之齒輪傳動也產生熱量，這就使得密封圈的實際工作溫度可超90℃，根據樣本中的材料建議，NBR材料在齒輪油與液壓油中的最高使用溫度分別為80℃、90℃，如表1所示，這說明高溫加速密封圈的老化、過度磨損是導致制動密封失效的原因之一。需解決最小割集{X10}問題。

活塞及固定座密封工作表面粗糙度設計要求為Ra0.4，實際加工過程中磨削后的活塞外圓存在不可見的微小的刻劃痕跡，且有輕微的顆粒感，活塞在多次往復運動，可能造成星形密封的快速磨損導致泄漏。

通過選用工作面粗糙度差的活塞，做制動器開啟試驗和保壓試驗，開啟次數約為60000次，試驗結束后發現密封圈有一定程度的磨損，同時密封圈附著的液壓油發黑，有細小顆粒。這也證明密封圈磨損是由于活塞或固定座工作表面粗糙度差導致的。需解決最小割集{X18}問題。

綜上所述，要解決制動器漏油問題，需要解決{X10}密封高溫老化、變形、{X18}密封配合零件粗糙度超差問題。

3 減速機改進

3.1 工藝提升

活塞外圓、固定座內腔與星型密封圈接觸位置原為磨削加工，粗糙度大Ra0.4左右，為了獲得更好地表面粗糙度，分別增加其他3種加工工藝，并采用粗糙度儀進行最終的粗糙度對比，如表2所示，最終確定選用C工藝。

表2 不同加工工藝粗糙度對比

3.2 設計改進

通過查閱各類介質中不同材質密封允許的最高恒定溫度，結合海外現場高溫環境要求，將星型密封圈材料由丁晴橡膠（NBR）更改為氟橡膠（FKM）（通過表1可知：FKM材料在齒輪油與液壓油中的最高使用溫度均為150℃）。

3.3 效果驗證

試驗內容：選用2臺活塞和固定座，密封工作表面采用C工藝方案加工，檢測粗糙度達到Ra0.12以下，更換FKM材料的星型密封圈。裝配后進行臺架試驗（車間溫度約45℃），持續不間斷的對減速機進行加載，使減速機溫度達到90℃，制動器開啟次數為60000次左右。試驗結束后對減速機進行拆解，檢查相關零件狀態。

試驗結果：試驗完成后拆解發現，密封圈無明顯磨損，密封圈附著的液壓油未發黑，無細小顆粒，未發現制動液泄漏。

市場跟蹤：通過更換改進后減速機產品，該市場再無同類故障發生。

4 結語

本文針對起重機使用的減速機在海外高溫地區遇到的密封損壞問題，進行了原因分析，提出了改進方法及舉措，取得了很好的效果。隨著工程機械的不斷發展，對環境適應性要求將越來越高，仍然是一個長期而復雜的過程，需要不斷的完善與發展。

（1）在產品設計與開發階段需要開展環境適應性設計與試驗，以保證能夠滿足規定的環境適應性要求，這樣研發的產品才能設計定型。

（2）在生產制造階段，產品需要經過環境驗收或例行試驗才能夠允許出廠。

（3）合格的產品在運輸、貯存和使用過程中，需要在規定的環境下保持完好的功能和性能，如果不能達到規定的功能和性能要求，應作為故障進行分析處理。