公路施工中机械液力传动油温过高原因分析

2008-02-28 10:54:05

现代公路施工机械广泛使用液压传动系统，即在发动机的动力输出端设置液力变矩器，然后再将动力输出到动力换档变速箱。在一定范围内，这种液力传动系统可适应外荷载的变化而自动变矩，并可稳定发动机在额定工况附近工作，提高公路施工机械的动力性和经济性。

　　液力变矩器在使用过程中，由于摩擦生热，系统油温有一定的增高是正常的。一般来说，液力变矩器的出口油温应该在120℃以下，如超过此温度，系统的油温就偏高了。以卡特彼勒980C装载机为例，当液力传动系统油温达120℃时，油温指示灯开始闪动；当油温达到139℃时，红色警示灯就亮了，这时操作者必须停止作业，查找原因。

　　液力传动系统油温过高，一方面使油液浓度变稀，粘度下降，系统的润滑性能变差，导致其它传动件加速磨损；另一方面使系统的容积效率降低，系统压力上不去；再者油液本身长时间处于高温下，易于变质老化，并使与之有关的密封件也因高温而加速老化，失去密封作用。所以，液力传动系统油温过高对公路工程施工机械的危害极大，应该竭力避免。

　　根据笔者几年在施工现场使用、管理公路施工机械的实践，现就液力传动油的选用、机械的操作使用和液力传动系统本身的某些原因，对公路施工机械液力传动系统产生油温过高的原因进行分析，并探讨应采取的措施和对策。

　　1　液力传动油的选用

　　液力传动油的选用不当是造成液力传动系统油温过高的主要原因之一。现代公路施工机械的功率越来越大，并且现场作业条件恶劣，工作负荷变化大而频繁，液力传动系统油温的变化幅度一般从70℃到140℃，有时甚至达150℃，因此对液力传动油的要求也越来越高。

　　液力传动油亦称自动变速器油，国外称ATF油。它的功用是作为液力变矩器动液能传递的介质，液压控制线路和伺服机构静液能传递的介质，换档轴承和齿轮负荷齿面的润滑剂，湿式离合器滑动—摩擦能传递的介质以及液冷或气冷系统的传热介质。

　　为满足不同工况的需要，要求工作油粘度随温度变化很小。低温时，粘度应不太高，以保持较高的传动效率和提高低温启动性能。一般，液力传动工作油运动粘度υ50=55～54mm2／s。粘温性，一般要求υ50／υ100的比值愈小愈好，一般小于4.5(如8＃液力传动油则小于3.60)；如用粘度指数表示，粘度指数要求大于170(国外已达210)，高粘度指数意味着粘度随温度变化较小。

　　液力传动系统在工作时的工作温度允许值可达70℃～110℃，若长时间在低效区工作，甚至可达120℃左右。所以，液力传动工作油的闪点应大于180℃，不得低于155℃。工作油的凝点随不同地区和季节而异，一般均高于-20℃。如果工作油中发现水溶性酸碱，将对金属起强烈的腐蚀作用，此时必须更换工作油。此外，对临界载荷值，抗氧化安定性，抗乳化性，抗泡性，含水量及含机械杂质等，均应按有关性能指标给予保证。

指标项目	新	N32^＃	N46^＃	N46D^＃	N68^＃
指标项目	旧	6号	8号
运动粘度，mm²／s，40℃		32	46	46	68
运动粘度，mm²／s，50℃		18～32	27～32
运动粘度，mm²／s，100℃		6	8	8	9
低温粘度，-20℃，mm²／s				≤2000
粘度指数(Ⅵ)		170	170	170	170
凝点，℃，不高于		-35	-25	-50	-25
闪点(开口)，℃，不低于		160	155	155	155
抗氧化性，h，不低于		1000	1000	1000	1000
防锈性		通过	通过	通过	通过
铜片腐蚀，100℃，3h		合格	合格	合格	合格
抗泡性，93℃，ml，不大于		5％	5％	5％	5％
抗乳化性，(40-37-3)，min		30	30	30	30
用途		工程机械	轿车	寒区轿车	拖拉机
相当国外液力油类水分、机械杂质、水溶性酸碱等指标与其他液压油相同		PTF-2	PTF-1		PTF-3

　　美国材料和试验学会、石油学会把液力传动油分为三类。PTF-1型：对低温粘度要求较高、较严，对抗磨性、抗泡性也要求严格；PTF-2型：对抗磨、极压性要求高，适用于重负荷的全自动和半自动液力传动系统，对低温流动性的要求则放宽；PTF-3型：适用于低速、高负荷机械，对抗磨性要求高，对低温粘度也要求严格。

　　我国现已生产两种液力传动油。过去曾按100℃运动粘度分为6号和8号，现在分为N32＃(相当原6号变矩器油)、N46＃(相当于原8号变矩器油)、N46D＃普通液力油和N68＃抗磨液力油(表1所示)。N32＃液力传动油用于内燃机车、越野车、工程机械等，颜色为浅黄色透明液体，相当于国外的PTF-2型。这种油主要以22＃汽轮机油为基础，再加入其它添加剂制成。它的特点是较高的负荷，对极压、抗磨要求较高，而对低温粘度要求不高。N46＃液力传动油用于高速小轿车等，颜色为红色透明液体，又称红液力油。它相当于国外PTF-1型，对低温粘度要求较高，目的是要保证有良好的低温启动性能。这种油是以低粘度精制分馏油作基础油，然后再加入其它添加剂制成。

　　工作油在使用过程中的状态经常发生变化，应经常观察，防止使用变质油液。对于工作油气泡、水油混合物、污染等要特别注意。工作油的使用期取决于其清洁程度，它与机器作业条件、工作油质量、油温和过滤精度有关。新油，过滤精度40μm时，使用时间100h后要更换；过滤精度20μm时，使用500h后即应更换；而对于工程机械来说，每次换油时间约为1000h。对于液力变矩器的最高液温规定不超过120℃；当液温超过规定值时，即应卸载进行空运转，待液温正常后再作业；必要时要检查过热原因并予以排除。

　　更换工作油要注意以下几点：液力系统放油时，油应该是温的，同时更换或清洗所有的滤清器、滤网，检查工作油中有否金属渣粒或高温作业产生出来的炭积物；变速箱放油，首先分别取下变速箱管接头处及壳底的放油塞，排除系统的油后再装上放油塞，然后取下滤清器，在不挥发的矿物油里用软毛刷清洗；液力元件放油指的是部分油要排入变速箱里，只要挪开液力油的进油管，启动发动机，以1000r/min的转速运转20～30s即可。液力系统注油，是通过变速箱加油孔注入后启动发动机，在变速箱空档怠速运转3min后，加足所规定的油。

　　此外，在实际工作中，有人强调系统的润滑性和密封性，以为选择液力传动油的粘度越高越好，而不考虑环境、工作压力的大小，运动速度的高低，便以高粘度的润滑油来替代，这是不合适的。液力传动油的粘度太大，在系统内流动的摩阻自然大，不仅会造成大的功率损失，并且油温也会升高。

　　2　操作使用

　　由于公路施工机械的负荷变化较大，其液力传动系统的油温与操作使用有十分密切的关系。液力传动系统的油液作为变矩器的介质，在传递扭矩的过程中会产生一定的温升。为了使油温控制在一定的范围，设计了冷却系统，使其散热降温，即液力传动系统在某一时间内所产生的热量与在同一时间内所散发的热量相平衡，系统的油温就控制在一定的范围内。如果机械的负荷变化不大，操作使用对其液力传动系统的油温问题就不那么突出。但对于公路施工机械而言，操作使用对液力传动系统的油温则影响很大。下面以推土机为例，说明操作使用对液力传动系统温升的影响。

　　推土机的基本作业由铲土、运土、卸土和空载回驶四个过程组成一个工作循环。在一个操作正常的工作循环中，液力传动系统的油温与时间的关系。

　　推土机正常工作一段时间后，液力传动系统在一个工作循环中产生热量所散发出的热量相平衡时，其系统温度与时间的关系曲线。A-b为铲土工况，b-c为运土工况，c-d为卸土工况，d-a′为空载回驶工况，a′-b′为再一次的铲土工况……。推土机在铲土工况中，由于铲刀受到很大的阻力，机械前进很慢，甚至停止不动，而操作者为了使铲刀易于铲入土中，必须加大油门提高发动机的转速。这时，液力变矩器泵轮的转速与发动机同步，涡轮却因后面机械传动系统的阻力作用转动得很慢，甚至停止，此时变矩器输出的扭矩最大，而效率最低，甚至为零，发动机输入的功率便在变矩中大部分或全部转化为热量，使变矩器的油液温度急剧升高。而推土机在运土、卸土、空载回驶工况中，机械受到的阻力减小，变矩器涡轮的转速提高。特别是卸土工况时，因为变矩器后的机械传动被短时切断，涡轮有可能与泵轮同步，这样发热量就更小。就整个液力传动系统而言，运土、卸土、空载回驶工况对铲土工况是散热过程，如果推土机的工作对象不变，操作者操作方法不变，液力传动系统的油温就能保持在如图1所示的某一范围内。

　　由此可见，对推土机而言，铲土工况所用时间的多少占整个工作循环时间比例的大小，对液力传动系统油温高低有决定性的影响。如能缩短铲土时间，即缩短变矩器在低效下工作的时间，液力传动系统的油温就不会大幅度地提高。这里有个操作使用的问题，当推土机在硬土上进行铲土作业，或铲刀碰上树根或大石头等障碍时，铲土工况的时间就长，并且涡轮的转速降低得很历害，液力传动系统油温上升很快，就一个工作循环来说，产生的热量大于散发的热量，持续工作下去，整个系统的油温就会过高。

　　因此，操作使用对液力传动系统油温的影响很大，这里存在着一个按机械性能参数合理安排作业对象的问题，也是一个工作在比较恶劣工况下如何操作机械的问题。如推土机在坚硬的作业面进行铲土作业时，强制机械完成不能胜任的工作，就会出现液力传动系统油温过高的现象，甚至造成液压元件的损坏。此时应预先加以松土，或在工作时尽量减少铲土时间，或增加机械的休息时间等。有人认为，液力传动机械不存在过载问题，这是一个误解。过载会引起油温过高，油温过高不仅油质变坏，而且引起积炭，使密封泄油管路不通畅，引起泵轮壳密封处压力增高，导致泵轮壳密封的失效或完全报废。操作者应掌握上述原理，在操作实践中，改进操作方法，尽量减少铲土时机械受到的阻力，就能在很大程度上防止液力传动系统油温过高。

　　3　液力传动系统本身的原因

　　在液力传动系统中由于本身组成构件而产生油温过高的原因主要有：液力传动油油位不当，机件异常磨损，变速箱变速制动片滑摩等。

　　3.1　液力传动油油位不当

　　液力传动系统的工作油液规定有一定的数量，而在系统中直接参加流动的油液只是其中很小的一部分，大部分储备在油池里，这些油除补充流动中的消耗，还可调节油量。因此，在一定的前提下，工作油液的储备多一点是有好处的。但是如果油面太高，淹没了各种驱动机件，特别是各种齿轮，导致摩阻增大，反而会使油温上升。在公路施工机械上，工作油液的液面是用油尺检查的，油位不能太低，也不宜过高。

　　3.2　机件异常摩擦使油温上升

　　液力传动系统的工作油液所要润滑和冷却的机件很多，这些传动件除了正常配合(或啮合)摩擦产生热量外，个别传动副在修理后，也可能由于加工装配原因发生卡阻而出现烧蚀现象，或一些机件长期使用后，因为某种原因发生定位变动。如我单位曾发生过D75S装载机的变矩器由于涡轮轴承松动，造成泵轮与涡轮直接摩擦的故障。这种接触摩擦会产生局部高温，从而影响系统内液力传动油的温度。

　　3.3　变速箱换档制动片滑摩产生过热

　　变速箱换档制动片滑摩产生的热量是液力传动系统油温过热的另一个主要原因。变速箱换档制动片在开始接合与开始分离的瞬间有极短时间的滑摩，这是机械无法克服的。这时液力传动油就起到润滑与冷却的作用，换句话说，滑摩产生的热量要传递到液力传动油中。如滑摩时间过长，液力传动油的工作温度就会迅速升高。造成变速箱换档制动片滑摩时间较长的原因主要有三个：

　　(1) 摩擦制动片磨损严重，摩擦力减少，扭矩大时无法达到完全接合。

　　(2) 换档工作液压缸的压力达不到规定值，致使制动片夹紧无力。工作油缸压力降低的原因是系统内密封失效，产生内泄或液压泵磨损严重，供油压力不足或压力调节阀被卡住或弹簧失效。

　　(3) 传动油过滤器阻塞，油路不畅，流量不足，压力建立迟缓。