燃油泵斜盤軸承失效分析

李愛民，陳愛成，曹陽

(駐安順地區(qū)軍代表室，貴州 安順 561000)

某型機地面試車時發(fā)動機出現(xiàn)冷懸掛現(xiàn)象，地面啟動不成功。在試驗機上對故障泵檢查發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)速增加到140 r/min時，出現(xiàn)異常聲，立即停車。對該主泵分解發(fā)現(xiàn)，油泵9個柱塞中有8個存在卡滯現(xiàn)象；分解查看中心油濾，發(fā)現(xiàn)濾網(wǎng)表面有大量的金屬屑，斜盤角度為11°10′，斜盤軸承多個鋼球有表面損傷現(xiàn)象，且顏色全都變成了灰黑色，軸圈溝道有2處約5 mm左右的損傷，座圈溝道超過1/3出現(xiàn)魚鱗狀剝落。

1 軸承工況

燃油柱塞泵斜盤軸承支承結(jié)構(gòu)如圖1所示。斜盤軸承裝在斜盤軸承殼體內(nèi)，支承銷裝入斜盤軸承殼體和油泵殼體的孔中。斜盤軸承可繞支承銷偏轉(zhuǎn)14°(最大)，油泵工作時，柱塞靠柱塞彈簧和油液力頂靠在斜盤軸承工作面上。斜盤軸承的位置(傾斜角度)由隨動機構(gòu)來操縱，改變斜盤軸承的傾斜角就能改變油泵供油量。在斜盤軸承傾角一定的條件下，柱塞對斜盤的作用力，隨油泵轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角α呈周期性變化(α在0°～180°為吸油區(qū)，在180°～360°為排油區(qū))，所以作用在斜盤上的力矩和支承銷上的支反力也是周期性變化。由此，斜盤軸承以支承銷為中心作高頻低幅振動。當(dāng)油泵工況變化時，斜盤軸承傾角也隨之變化，斜盤軸承的受力也隨之發(fā)生變化。

2 質(zhì)量復(fù)查情況

為了分析主泵柱塞卡滯及斜盤軸承失效的原因，對失效軸承進(jìn)行了外觀檢查、微觀觀察、能譜分析、金相檢查和硬度檢測；對金屬屑進(jìn)行了能譜分析。

電鏡掃描得出鋼球表面有兩種形貌特征:一種為典型金屬間多次重復(fù)碾軋?zhí)卣?；另一種為裂紋形貌，裂紋起始于鋼球表面，開口可見沿晶特征。能譜分析得出金屬屑與軸承材料吻合，未發(fā)現(xiàn)非軸承材料成分。同時，對該批斜盤軸承從材料、加工、裝配等環(huán)節(jié)進(jìn)行了全面排查，未發(fā)現(xiàn)異常問題；對故障泵的相關(guān)安裝尺寸進(jìn)行了檢查，對相關(guān)零件進(jìn)行了微分測量，均符合設(shè)計規(guī)定，未發(fā)現(xiàn)安裝存在問題。斜盤軸承失效時，傾斜的角度為11°10′，小于其傾斜的最大角度14°。

3 失效原因分析

3．1 偏載

軸承軸圈溝道沿圓周方向有超過1/3的魚鱗狀剝落，而另一邊完全沒有損壞，這似乎是因為軸承在工作中受力不均，出現(xiàn)偏載引起的。但從柱塞泵的工作過程來看，在吸油時，柱塞在彈簧力的作用下將油液吸入到柱塞腔；在排油時，柱塞在斜盤的作用力下，克服彈簧力及油液壓力，將油液從柱塞腔排出，向發(fā)動機供油，雖然柱塞在排油時所受的力要大于其在吸油時所受的力(斜盤軸承工作時在排油區(qū)所受到的最大載荷約為在吸油區(qū)所受到的最大載荷的10倍),但該載荷并不大；所以，這種偏載不會引起軸承失效，這也是結(jié)合該類型泵的工作原理并經(jīng)大量試驗和使用驗證過的。再從斜盤軸承安裝來看，其安裝是對稱的，并且對故障泵斜盤軸承的相關(guān)安裝尺寸進(jìn)行了檢查，未發(fā)現(xiàn)斜盤軸承存在安裝偏斜問題。另外，如果存在很大的不平衡力將斜盤軸承損壞，其反作用力也將損壞與斜盤軸承接觸的零件(如斜盤軸承支承結(jié)構(gòu)、柱塞等)，它們不可能完好無損，而且它們的強度、表面硬度均低于斜盤軸承。

3.2 異常摩擦磨損

從上述斜盤軸承失效情況看，鋼球除了表面損傷外，其顏色全都變成了灰黑色，與正常失效鋼球的顏色(亮白色)不一樣，這說明軸承工作時存在嚴(yán)重的高溫現(xiàn)象。這與軸承旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的慣性力和油泵的液壓關(guān)死現(xiàn)象有關(guān)，且會在極端工況下加劇。

3.2.1 油泵液壓關(guān)死對軸承的影響

液壓關(guān)死現(xiàn)象對油泵的正常工作危害極大[1]。在產(chǎn)生低壓時，溶于油液中的氣體可能會分離出來或使液體氣化，產(chǎn)生氣隙，可能使柱塞短暫與斜盤軸承斜盤面脫離，再接觸時就會產(chǎn)生撞擊現(xiàn)象。在產(chǎn)生不正常高壓時，將消耗油泵的功率并加大承載零件的沖擊載荷。由于高低壓交替變化，整個結(jié)構(gòu)受到周期性脈沖載荷的作用，將產(chǎn)生振動，嚴(yán)重影響斜盤軸承的正常工作。

3.2.2 離心力對軸承的影響

對于斜盤軸承這種向心推力球軸承，離心力會改變鋼球的接觸角，使接觸溝道的位移發(fā)生變化并增大滑動摩擦力，這種滑動摩擦對推力球軸承特別有害，會使軸承產(chǎn)生高溫。另由文獻(xiàn)[1]可知，推力球軸承在不受軸向力的極端情況下，鋼球受離心力的作用，在溝道邊緣切線方向運動，同時又受陀螺力矩影響而產(chǎn)生自旋，兩者疊加，使軸承座圈溝道外部形成“樅樹狀”磨損缺陷，并使軸承發(fā)熱。從實踐經(jīng)驗看，該類失效極為少見，因而，基于上述分析，認(rèn)為此次斜盤軸承失效的原因是軸承運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生了異常摩擦磨損。即在極端情況下，油泵出現(xiàn)了液壓關(guān)死現(xiàn)象，進(jìn)而在排油區(qū)的末端和吸油區(qū)的初端之間柱塞短時脫離斜盤面，導(dǎo)致該區(qū)間軸承短時無軸向載荷，進(jìn)而離心力和陀螺力矩對軸承的影響加劇。一是使軸承溫度升高，導(dǎo)致鋼球變色，硬度降低，并在座圈溝道外側(cè)產(chǎn)生“樅樹狀”磨損；二是在周期脈沖載荷和接觸應(yīng)力作用下，軸承座圈溝道外部“樅樹狀”缺陷不斷擴大和剝落，并沿著排油區(qū)方向不斷擴展，同時啃傷硬度降低的鋼球。而在吸油區(qū)，由于柱塞作用在斜盤面的力相對較小，對應(yīng)的軸承座圈溝道受力也較小，因此沒有損環(huán)。

4 改進(jìn)措施

為保證斜盤軸承的正常運轉(zhuǎn)，油泵制造廠應(yīng)進(jìn)一步加強對油泵液壓關(guān)死現(xiàn)象的研究，為斜盤軸承正常工作提供更好的工況條件。為進(jìn)一步提高軸承的制造質(zhì)量,軸承制造廠應(yīng)采取如下措施：(1)改變以往壓罩后檢查軸承旋轉(zhuǎn)靈活性的方法，用工藝球檢查旋轉(zhuǎn)靈活性,檢驗合格后再進(jìn)行壓罩，避免鋼球劃傷；(2)軸承壓罩后，增加座圈與軸圈兩者溝道面之間距離的檢查，進(jìn)而控制軸承的軸向竄動；(3)將軸承保持架兜孔底兜錐角由26°改為31°，盡可能改為圓弧兜底，并進(jìn)一步提高保持架的運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性。