潤滑泵泵芯的磨損可靠度研究

江蘇科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 江蘇鎮(zhèn)江 212003

1 研究背景

泵芯是潤滑泵的核心部件，泵芯的過度磨損將直接引起潤滑泵流量不足，進(jìn)而引起系統(tǒng)失效，嚴(yán)重影響潤滑泵的正常運(yùn)行?？梢?，潤滑泵泵芯磨損可靠度的研究對提高系統(tǒng)可靠性具有重要意義。張毅[1]分析了磨粒硬度、載荷和滑動(dòng)速度三個(gè)方面對高速傳輸裝置磨損的影響。呂子洲等[2]通過蒙特卡羅法對汽車重要零部件進(jìn)行磨損可靠度研究，結(jié)果表明，所用方法及數(shù)學(xué)模型也可應(yīng)用于其它零部件的磨損仿真。趙曉博等[3]通過對飛機(jī)艙門收放機(jī)構(gòu)進(jìn)行可靠靈敏度分析，得出該處零件的磨損對飛機(jī)艙門觸發(fā)裝置可靠性影響最大。魏光華[4]針對企業(yè)機(jī)械設(shè)備生產(chǎn)維修情況，結(jié)合專業(yè)評估方法對企業(yè)設(shè)備可靠性進(jìn)行評估，提高了設(shè)備維修的準(zhǔn)確性。季佳佳等[5]分析了滾輪在滑軌上的磨損情況，提出了滑軌磨損的計(jì)算模型和計(jì)算方法，并用實(shí)例進(jìn)行了驗(yàn)證。劉洪志[6]通過分析機(jī)械磨損實(shí)例，并結(jié)合相關(guān)資料建立了磨損數(shù)學(xué)模型，再根據(jù)實(shí)例對所建立模型進(jìn)行驗(yàn)證。李波等[7]通過對注水泵磨損數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到壽命分布規(guī)律，并確定了可靠性指標(biāo)。國志剛等[8]探討了銷、孔配合在變載荷情況下的磨損情況，給出了不同鉸鏈數(shù)量情況下的可靠性計(jì)算模型，并驗(yàn)證了模型的可行性和有效性。焦坤芳等[9]通過自行研制的磨損試驗(yàn)裝備，結(jié)合試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)，探討了磨損線性累積定律，并驗(yàn)證了所提出的磨損可靠度分析方法。王銀燕等[10]通過對柴油機(jī)曲柄連桿耐磨性進(jìn)行研究，給出了耐磨性微分方程和計(jì)算方法，并對耐磨可靠性進(jìn)行了計(jì)算。馮元生[11]給出了磨損可靠度安全裕量方程，結(jié)合算例驗(yàn)證了磨損可靠度計(jì)算公式的可行性，并對機(jī)構(gòu)抗磨損設(shè)計(jì)提出了相應(yīng)的意見。

在機(jī)械零件磨損方面，雖然有很多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究工作，也取得了很多成果，但是在潤滑泵方面，特別是關(guān)于潤滑泵泵芯的磨損，研究幾乎無人涉足。筆者對潤滑泵泵芯的磨損問題進(jìn)行研究，提出了一種針對潤滑泵泵芯磨損可靠度的分析方法，對日后潤滑泵的設(shè)計(jì)及分析因潤滑泵磨損引起的失效具有一定的指導(dǎo)意義。

2 磨損基本規(guī)律

潤滑泵泵芯是潤滑泵的關(guān)鍵零部件，潤滑泵泵芯的磨損可靠度將直接影響整個(gè)潤滑系統(tǒng)的安全可靠性，所以，有效解決潤滑泵泵芯的磨損問題可以極大提高潤滑系統(tǒng)的安全可靠性。

潤滑泵泵芯的磨損主要經(jīng)歷快速磨損跑合期、穩(wěn)定磨損期、劇烈磨損報(bào)廢期三個(gè)階段。潤滑泵泵芯磨損量與磨損速度隨時(shí)間變化的關(guān)系分別如圖1、圖2所示。

潤滑泵泵芯結(jié)構(gòu)如圖3所示。

▲圖1 磨損量與時(shí)間關(guān)系曲線

▲圖2 磨損速度與時(shí)間關(guān)系曲線

▲圖3 潤滑泵泵芯結(jié)構(gòu)

閥體與導(dǎo)桿之間的合理配合為潤滑泵的正常供脂提供保障。供脂時(shí)，由電機(jī)帶動(dòng)偏心輪，偏心輪的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為導(dǎo)桿的前后往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而使由入口進(jìn)入的潤滑脂持續(xù)不斷地向外輸送。在上述運(yùn)動(dòng)過程中，導(dǎo)桿與閥體之間會(huì)產(chǎn)生磨損，兩者之間的間隙會(huì)不斷變大，當(dāng)超過設(shè)計(jì)的最大允許間隙時(shí)就會(huì)發(fā)生內(nèi)泄現(xiàn)象，導(dǎo)致系統(tǒng)流量不足，引起系統(tǒng)失效。可見，研究潤滑泵泵芯的磨損可靠度對提高潤滑系統(tǒng)的可靠性具有重要意義。

由于導(dǎo)桿與閥體的加工精度非常高，且潤滑脂時(shí)刻充盈在兩者之間，因此潤滑條件非常好，這樣可以認(rèn)為零件的平均磨損率，即磨損速度μ為一常數(shù)。磨損量ω與時(shí)間t的關(guān)系式為：

式中：C為泵芯磨損后間隙；C0為泵芯初始配合間隙。

由式（1）可看出，磨損量與時(shí)間之間是一次函數(shù)變化關(guān)系，即線性變化。

3 給定使用壽命求解磨損可靠度

通過大量試驗(yàn)已經(jīng)驗(yàn)證，機(jī)械零件磨損量的變化符合正態(tài)分布規(guī)律，因此，潤滑泵泵芯磨損可靠度可按照機(jī)械零件正態(tài)分布干涉模型進(jìn)行求解。

磨損后的最大允許磨損量ωmax為：

式中：Cmax為磨損后最大允許間隙。

機(jī)械零件的磨損量與配合間隙概率密度函數(shù)符合應(yīng)力強(qiáng)度干涉模型。結(jié)合應(yīng)力強(qiáng)度曲線呈正態(tài)分布的可靠度基本計(jì)算公式，可得到潤滑泵泵芯磨損可靠度Z的計(jì)算式：

根據(jù)式（3）計(jì)算出泵芯磨損可靠度后，再查標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布表，即可求得潤滑泵泵芯在給定使用壽命T下的磨損可靠度R：

式中：ZR為使用壽命為T時(shí)泵芯磨損可靠度R的計(jì)算值；φ為函數(shù)符號。

4 給定磨損可靠度求解使用壽命

在已知潤滑泵泵芯的磨損可靠度后，為了能夠得到潤滑泵泵芯的實(shí)際使用壽命T′，可將式（4）改寫為：

求解以T′為未知量的一元二次方程，得：

為了使式（7）有實(shí)際物理意義，取式（7）“±”項(xiàng)中的“-”項(xiàng)，得到潤滑泵泵芯實(shí)際使用壽命T′的計(jì)算式：

通過計(jì)算可知，在潤滑泵泵芯磨損過程中，磨損速度標(biāo)準(zhǔn)差的數(shù)值將遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于磨損速度值，為了計(jì)算方便，可作近似計(jì)算則式（8）可簡化為：

5 試驗(yàn)研究

為了得到導(dǎo)桿與閥體的磨損可靠度，需要統(tǒng)計(jì)導(dǎo)桿與閥體的具體磨損數(shù)據(jù)作為進(jìn)行可靠度計(jì)算的基礎(chǔ)。經(jīng)過大量實(shí)際使用和客戶走訪，得到潤滑泵在實(shí)際使用中的情況為每天累計(jì)工作10 min，持續(xù)工作30年。

根據(jù)得到的潤滑泵在實(shí)際使用中的情況，收集3個(gè)月數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬試驗(yàn)，并制訂模擬試驗(yàn)的相關(guān)參數(shù)。

（1）運(yùn)行、停止時(shí)間設(shè)定為每持續(xù)工作12.5 min，停止1 min。

（2）試驗(yàn)時(shí)間為90天。

（3）試驗(yàn)用潤滑脂為普通1號鋰基潤滑脂。

（4）試驗(yàn)設(shè)備為五套GY08YA潤滑系統(tǒng)，每套潤滑系統(tǒng)包括一臺潤滑泵、一個(gè)遞進(jìn)式分配器、一個(gè)水桶，以及若干管道、接頭。

（5）數(shù)據(jù)每18天測量一次，測量導(dǎo)桿的直徑和閥體腔的內(nèi)徑。

將五套潤滑系統(tǒng)依次編號，按照實(shí)際應(yīng)用情況進(jìn)行模擬試驗(yàn)，潤滑泵泵芯實(shí)際工作如圖4所示，潤滑泵泵芯實(shí)物組裝如圖5所示。

通過模擬試驗(yàn)及測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，得到五套潤滑系統(tǒng)導(dǎo)桿與閥體的磨損情況，見表1。

由于篇幅原因，只選取第五套潤滑系統(tǒng)磨損量與使用時(shí)間關(guān)系擬合曲線，如圖6所示。剩余四套亦呈線性變化，在此不一一列舉。

潤滑泵泵芯平均磨損量ω為：

根據(jù)高等數(shù)學(xué)標(biāo)準(zhǔn)差公式，可得潤滑泵泵芯磨損量的標(biāo)準(zhǔn)差Sω為：

▲圖4 潤滑泵泵芯實(shí)際工作

▲圖5 潤滑泵泵芯實(shí)物組裝

表1 磨損情況統(tǒng)計(jì) mm

▲圖6 磨損量與使用時(shí)間關(guān)系擬合曲線

綜上所述，潤滑泵泵芯磨損量均值為0.019 mm，磨損量標(biāo)準(zhǔn)差為0.003 mm。根據(jù)潤滑泵設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，可知最大允許磨損量均值為0.025 mm，最大允許磨損量標(biāo)準(zhǔn)差為0。代入式（3），可得潤滑泵泵芯的磨損可靠度計(jì)算值ZR為：

由于潤滑泵泵芯實(shí)際磨損量小于泵芯設(shè)計(jì)最大允許磨損量均值，因此符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)《機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)》[12]標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布表，可得潤滑泵泵芯磨損可靠度R=φ（2.00）=0.977 25。

6 結(jié)論

通過對參與模擬試驗(yàn)的五套潤滑系統(tǒng)中潤滑泵泵芯磨損量相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計(jì)算得出潤滑泵泵芯的磨損可靠度。潤滑泵泵芯磨損可靠度研究對潤滑泵的設(shè)計(jì)和應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值和指導(dǎo)意義，并且對解決因磨損而產(chǎn)生的潤滑泵內(nèi)泄問題具有重要意義。

通過模擬試驗(yàn)得到潤滑泵泵芯磨損量與使用時(shí)間為線性關(guān)系，這與實(shí)際使用情況相符，也從側(cè)面證實(shí)模擬試驗(yàn)可以達(dá)到要求。

通過相應(yīng)計(jì)算，得到潤滑泵泵芯磨損可靠度為0.977 25，說明該潤滑泵泵芯的加工工藝、熱處理工藝等均能滿足潤滑泵泵芯的使用要求。

筆者得到的可靠度計(jì)算結(jié)果與實(shí)際使用情況相符，驗(yàn)證了采用筆者方法求解磨損可靠度的可行性。