鐵路大型養(yǎng)路機械ZF變速箱無閉鎖離合變換的探討

郎啟洪

（昆明中鐵大型養(yǎng)路機械集團有限公司，云南 昆明650215）

1 “ZF變速箱無閉鎖離合變換動作”問題分析

1.1 ZF液力變矩器

ZF液力變矩器是一種以液體作為工作介質的能量轉換傳遞裝置，它將發(fā)動機傳來的機械能，通過能量輸入部件，轉換成液體的動能；再經能量輸出部件，把液體的動能轉換機械能輸出，經過機械傳動傳遞給車輪。ZF變速箱廣泛應用于鐵路大型養(yǎng)路機械的走行系統(tǒng)，并且起著至關重要的作用，在鐵路大型養(yǎng)路機械高速運行中，ZF變速箱一旦沒有閉鎖離合變換動作將嚴重影響大型養(yǎng)路機械的正常運行和行車安全。

1.2 “ZF變速箱無閉鎖離合變換動作”問題產生的現(xiàn)象和影響

1.2.1 “ZF變速箱無閉鎖離合變換動作”問題產生的現(xiàn)象

“ZF變速箱沒有閉鎖離合變換動作”現(xiàn)象主要表現(xiàn)為：高速走行換擋后程發(fā)動機沒有離合變換降速現(xiàn)象；大機高速走行速度達到50～60km/h后，走行速度很難上升到設計要求的運行速度。

1.2.2 “ZF變速箱無閉鎖離合變換動作”問題產生的影響

“ZF變速箱無閉鎖離合變換動作”（以下簡稱無WK）這個問題在大型鐵路養(yǎng)路機械（以下簡稱大機，如：DWL-48搗穩(wěn)車、DCL-32連續(xù)式搗固車、DC-32搗固車、CDC-16道岔搗固車、WD-320穩(wěn)定車等）的調試、檢驗、高速路試和用戶使用的過程中廣泛存在，此問題一旦存在，將直接造成高速走行效率低下，嚴重時將造成區(qū)間運行誤點，造成鐵路安全事故。

特別是在調試和檢驗過程中，此問題一旦發(fā)生，因問題牽涉到電氣、ZF變速箱、發(fā)動機、走行傳動機構等各部，各部相關調試、操作、檢驗、供貨等人員總是不好界定問題產生的根源；再加上以上各機構都是大機的核心部件，結構龐大、空間緊湊、拆卸困難，造成分析問題，解決問題的極大困難，延誤調試、檢驗、高速路試工期，導致較大的質量成本。

2 ZF變速箱閉鎖離合變換原理分析

ZF液力變矩器（以下簡稱ZF）是一種以液體作為工作介質的能量轉換傳遞裝置，它將發(fā)動機傳來的機械能，通過能量輸入部件，轉換成液體的動能；再經能量輸出部件，把液體的動能轉換機械能輸出，經過機械傳動傳遞給車輪。這樣ZF就能在一定范圍內根據(jù)行駛阻力的變化，自動進行無級變速，低速時大扭矩，高速時小扭矩，因此，能使發(fā)動機經常在選定的工況下工作，能防止發(fā)動機過載熄火。不僅提高了發(fā)動機功率利用率，而且減少了換擋次數(shù)。

圖1 ZF的外特性曲線圖

ZF渦輪軸上的輸出功率與泵輪軸上輸入功率之比稱傳動效率。由于單級單相ZF的傳動效率特性曲線是拋物線形狀（見ZF的外特性曲線圖1），其最大效率只在變矩器以某一傳動比工作時才能得到，而且高效率區(qū)范圍較小（對工程機械用ZF而言，傳動效率大于0.75稱為高效區(qū)），發(fā)動機油耗大，經濟性差。當傳動比小時，隨著傳動比的降低，傳動效率也降低，這是允許的，因為此時變矩系數(shù)增大，可以改善機械的牽引性能。但是當傳動比大時，傳動效率降低，則是不希望的。

液力變矩器的外特性是指泵輪轉速nB為常數(shù)時，泵輪力矩MB、渦輪力矩MT和傳動效率η隨渦輪轉速的變化關系。外特性曲線就是這些關系的曲線。從渦輪力矩曲線可以看出，渦輪力矩MT隨渦輪轉速nT的增加而減小，當渦輪力矩MT為零時，渦輪轉速nT達到最大值，即渦輪空轉的最大轉速。液力變矩器的效率曲線，在渦輪轉速nT=0時，由于輸出功率等于零，所以傳動效率η等于零。隨著渦輪轉速nT的增大，效率η逐漸上升，在達到最大效率值后，效率η又隨著渦輪轉速nT的增大而逐漸下降。在渦輪轉速nT最大時，由于渦輪力矩MT=0，此時輸出功率為零，所以效率η又等于零。可見液力變矩器的效率曲線呈拋物線形狀。η≥0.75為高效區(qū)，高效區(qū)在中間一段，但為了擴大液力變矩器在大傳動比工況時的高效區(qū)范圍，提高大機在高速運行時的經濟性，盡量采用閉鎖式液力變矩器。當渦輪轉數(shù)達到泵輪轉數(shù)80%時，由裝在變速箱內的轉速傳感器發(fā)出電信號，閉鎖閥動作，使閉鎖離合器接合，則渦輪與泵輪被機械地連接在一起。導輪反轉使連接導輪的單向聯(lián)軸器松開，導輪自由轉動，導輪的旋轉方向與泵輪的旋轉方向一致。由于液流在循環(huán)流動中沒有固定的導輪葉片作用，從而液力變矩器失去變矩能力，而轉變?yōu)橐毫ε己瞎r，渦輪力矩等于泵輪力矩，即Mr=Mb。其傳動效率提高到0.95～0.97。但是，由于液力變矩器中存在著隨液流空轉的導輪，要增加一部分能量損失。所以再用摩擦離合器機械地把泵輪和渦輪連接在一起，使傳動效率進一步提高到0.99。這樣，變矩器在高傳動比（i>0.8）時的傳動效率提高了，擴展了液力變矩器的高效率區(qū)工作范圍。（見ZF的外特性曲線圖1效率曲線的直線部分），提高了大機高速經濟性。

當液力變矩器的轉速比降到65%時，閉鎖閥（SOLENOID VALVE WK）復位，使閉鎖離合器（WK）松開，液力變矩器恢復變矩器工況。液力變矩器的閉鎖動作是通過電液控制系統(tǒng)(見WK離合變換液壓及電氣原理圖2、圖3)自動進行的，無須使用者操作。

圖2 WK離合變換電氣原理圖

圖3 WK離合變換液壓原理圖

作為整個動力換擋變速箱的動力傳遞情況具體見圖4，其中WK代表閉鎖離合器、INDUCTIVE TRANSMITTER TURBINE代表渦輪轉速傳感器、INPUT代表ZF變速箱輸入OUTPUT代表ZF變速箱輸出。

圖4 動力換擋變速箱傳動示意圖

表1 不同檔位離合器工作狀態(tài)表

根據(jù)動力換擋變速箱傳動示意圖4，結合ZF變速箱在實際工況中不同檔位離合器的工作狀態(tài)（如表1所示），ZF變速箱的Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ擋用作大機的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ擋進行分析，經過換算推斷可以得到表2顯示的結果，特別強調WK不閉合nZF輸出(r/min)的值在輸出端沒有負載的情況下大概要小于WK閉合nZF輸出(r/min)的值幾十轉不等。

表2 試驗輸出轉數(shù)經驗值表

3 問題解決的步驟和方法

具體步驟和方法如下：

第一步：如果大機在高速運行中沒有離合變換動作的同時，發(fā)動機冒黑煙，且發(fā)動機機油溫度和缸頭溫度升溫較快，則直接找發(fā)動機的問題。反之，如果發(fā)動機沒有以上現(xiàn)象進行第二步。

第二步：從電氣系統(tǒng)進行分析：首先檢查G39端有沒有電信號，如果有，檢查閉鎖閥及其后一級機械方面的問題，進行第四步；如果沒有，檢查28 U1模塊的4腳是否有弱電壓信號輸入 （檢測口見J29.12），如果有輸入，則可判斷28 U1有問題，如果沒有輸入，進行第三步（見WK離合變換電氣原理圖5）。

圖5 WK離合變換電氣原理圖

第三步：1f35渦輪轉速傳感器裝在ZF變速箱上（見渦輪轉速傳感器安裝圖6），它由齒輪、磁鐵心和線圈組成。齒輪裝在變速箱W3軸上。鐵芯和線圈為一體裝在變速箱上，當齒輪轉動時，由于通過線圈的磁通量變化，便在線圈內產生感應電動勢，此電動勢的變化頻率與齒輪的齒數(shù)和轉速成正比，經頻壓轉換器電路放大，限幅成為脈沖波形，其頻率保持不變。再經鑒頻整流電路轉變?yōu)榕c頻率成正比的信號電壓，經邏輯電路控制WK電磁閥的動作。

根據(jù)以往的經驗，由于渦輪轉速傳感器不是專業(yè)人員裝配，造成多臺大修大機ZF離合變換無動作，所以在安裝1f35渦輪轉速傳感器時，一定要嚴格控制0.5+0.5mm處的安裝間隙，最好調整為0.60～0.80mm。當安裝間隙正確時，則可判斷渦輪轉速傳感器有問題；當安裝間隙不正確時，嚴格調整安裝間隙到合理范圍。

圖6 渦輪轉速傳感器安裝圖

第四步：首先檢查67點（見ZF壓力流量檢測口示意圖7）壓力是否正常，如果ZF在運行時壓力低于10bar，檢測QP（13-14）減去QK（15-16）的值(即ZF泄漏量)是否大于10L/min,如果大于10L/min，則可判斷ZF變矩器內部調壓閥、離合器、密封件等可能有問題，需要ZF變速箱專業(yè)人員進行檢修；如果ZF泄漏量小于10L/min進行第五步。

圖7 ZF壓力流量檢測口示意圖

第五步：設定發(fā)動機轉數(shù)（即ZF輸入轉數(shù)）為1000r/min，檢測G39不得電或得電時nZF輸出(r/min)的值，做以下試驗列表如表3所示：

表3 試驗列表

當G39不得電和得電時nZF輸出(r/min)的值基本吻合“試驗輸出轉數(shù)經驗值表”時，說明閉鎖閥（SOLENOID VALVE WK）及相關系統(tǒng)總成沒有問題，轉回第四步。

當G39不得電和得電nZF輸出(r/min)的值與“試驗輸出轉數(shù)經驗值表”中“G39得電nZF輸出(r/min)”的值相近時，ZF閉鎖閥動作，使閉鎖離合器接合，渦輪與泵輪被機械地連接在一起，轉回第四步找專業(yè)ZF人員檢修WK閉鎖離合器。

當G39不得電和得電nZF輸出(r/min)的值與“試驗輸出轉數(shù)經驗值表”中“G39不得電nZF輸出(r/min)”的值相近時，檢測閉鎖閥（SOLENOID VALVE WK）（見圖8），當閉鎖閥（SOLENOID VALVE WK）有問題時，聯(lián)系配件進行更換；當閉鎖閥（SOLENOID VALVE WK）沒有問題時，轉回第四步找專業(yè)ZF人員檢修WK閉鎖離合器。

第六步：如果在以上幾步中的各部件、各系統(tǒng)、各總成都不存在問題，轉回第一步進一步檢查和處理發(fā)動機的問題。

圖8 閉鎖閥（SOLENOID VALVE WK）示意圖

［1］抄平起撥道搗固車[M].中國鐵道出版社,2004.

［2］4WG-65型ZF動力換擋變速箱操作與維修說明[Z].昆明中鐵大型養(yǎng)路機械集團有限公司內部文件.