某型液壓柱塞泵內(nèi)部零件斷裂故障分析

李永龍 管博文 張峰

【摘 要】針對(duì)某型航空液壓柱塞泵內(nèi)部零件斷裂故障，通過對(duì)故障現(xiàn)象的深入觀察和分析，確定轉(zhuǎn)子組件斷裂的根本原因?yàn)檗D(zhuǎn)子組件端面銅層因材料缺陷而疲勞斷裂，采用體視顯微鏡、X射線能譜儀、直讀光譜儀等技術(shù)，對(duì)轉(zhuǎn)子組件斷裂區(qū)域進(jìn)行材料的結(jié)構(gòu)和成分分析，得到轉(zhuǎn)子組件疲勞斷裂原因，為提高液壓泵的制造和修理質(zhì)量提供必要的參考。

【關(guān)鍵詞】液壓柱塞泵;轉(zhuǎn)子組件;疲勞斷裂;材料分析

中圖分類號(hào)： V245.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 2095-2457（2019）08-0103-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.08.043

【Abstract】In view of a certain type of aircraft hydraulic piston pump the fracture failure of the internal parts， through further observation and analysis of the fault phenomena， to determine the root cause of the rotor component fault of rotor components face fatigue fracture due to material defects， copper layer adopts a stered microscope， X-ray spectrometer， direct reading spectrometer， such as technology， material for the rotor component fracture areas of structure and composition analysis of rotor system component fatigue fracture reason， to improve the quality of hydraulic pump of the manufacture and repair provide necessary reference.

【Key words】Hydraulic plunger pump; Rotor assembly; Fatigue fracture; Material analysis

航空液壓柱塞泵是為飛機(jī)液壓系統(tǒng)提供壓力的主要部附件，其在飛機(jī)液壓系統(tǒng)中起到至關(guān)重要的作用。液壓柱塞泵的典型失效形式包括磨損、疲勞和老化[1]，具體到液壓泵的相關(guān)部件，由疲勞導(dǎo)致的失效主要包括殼體開裂，斜盤、轉(zhuǎn)子等結(jié)構(gòu)件的斷裂等故障模式。

針對(duì)某型航空液壓柱塞泵產(chǎn)生的內(nèi)部零件斷裂和磨損故障，首先通過對(duì)內(nèi)部零件故障情況進(jìn)行檢查，并結(jié)合液壓柱塞泵的工作原理，得到轉(zhuǎn)子組件疲勞斷裂為其他內(nèi)部零件失效的原因;再利用體視顯微鏡、X射線能譜儀和直讀光譜儀技術(shù)，對(duì)轉(zhuǎn)子組件斷裂區(qū)域的宏觀疲勞特征、材料組成成分及材料特性進(jìn)行分析，得到轉(zhuǎn)子組件疲勞斷裂的原因。

1 故障現(xiàn)象

對(duì)故障的液壓柱塞泵進(jìn)行分解檢查，故障現(xiàn)象主要如下：

1.1 轉(zhuǎn)子組件

轉(zhuǎn)子組件從第8號(hào)、9號(hào)柱塞孔位置沿軸向斷裂成三部分，見圖1（a）、1（b）;轉(zhuǎn)子從柱塞孔與外壁的最薄處斷裂，斷塊出現(xiàn)明顯的彎曲變形和嚴(yán)重的擠壓痕跡;轉(zhuǎn)子工作端面密封部位銀層全部磨損，露出銅層，接觸表面布滿周向劃痕，非工作面銀層完整，色澤正常。

1.2 殼體及分油盤

油泵殼體高壓一端內(nèi)壁有一段連續(xù)的周向擠壓、切削痕跡，痕跡按順時(shí)針方向逐漸擴(kuò)大、加深，材料有明顯缺損;分油盤端面粘銅磨損痕跡較重，高壓腰型槽有目視可見的貫穿性裂紋，見圖2（a）;分解后發(fā)現(xiàn)分油盤在高壓端斷裂成兩半，見圖2（b）。

1.3 柱塞

轉(zhuǎn)子組件中9號(hào)柱塞有明顯變形，已卡滯在轉(zhuǎn)子孔內(nèi)，除9號(hào)柱塞外，其余柱塞可輕松的從柱塞孔中拔出，柱塞座工作端面銀層有輕微磨損，9號(hào)柱塞滑靴端面由于受力狀態(tài)的變化，顏色比其余8件柱塞略深。

1.4 斜盤組件與軸承

斜盤組件高壓區(qū)一側(cè)耳軸座內(nèi)側(cè)有明顯的周向擠壓痕跡，墊板工作端面有輕微磨痕，止推墊圈上有殘留金屬碎塊;分油盤端軸承組件有一顆滾棒表面出現(xiàn)約6×10mm的剝落，其余滾棒表面有輕微麻點(diǎn)掉塊，見圖3。

2 故障原因分析

2.1 分油盤斷口觀察

首先通過對(duì)分油盤斷口情況分析，來進(jìn)行柱塞泵內(nèi)部零件斷裂和磨損順序判斷。分油盤斷口平坦，可見疲勞弧線特征[2]，屬于疲勞斷裂。疲勞斷裂起始于高壓襯套孔退刀槽處，并向兩端擴(kuò)展，疲勞擴(kuò)展充分，見圖4。

2.2 內(nèi)部零件斷裂原因分析

液壓柱塞泵工作原理：液壓柱塞泵中9套柱塞組件沿周向均勻分布在轉(zhuǎn)子的柱塞孔內(nèi)，轉(zhuǎn)子由主軸驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)一周，柱塞組件在完成周向旋轉(zhuǎn)的同時(shí)沿軸向完成一次往復(fù)運(yùn)動(dòng)，每個(gè)柱塞組件和對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子孔在旋轉(zhuǎn)一周時(shí)交替經(jīng)過高壓區(qū)和低壓區(qū)，在分油盤高低壓腰型槽的分配作用下，實(shí)現(xiàn)泵的吸油和排油工作。柱塞泵內(nèi)部包括三對(duì)主要摩擦副，分別是轉(zhuǎn)子和分油盤、柱塞和轉(zhuǎn)子、柱塞滑靴座和墊板摩擦副，摩擦副靠旋轉(zhuǎn)過程中液壓油產(chǎn)生的油膜靜壓支撐和潤滑。

通過對(duì)故障件檢查，結(jié)合柱塞泵工作原理，認(rèn)為本次故障中轉(zhuǎn)子開裂失效在前，分油盤開裂、分油盤軸承滾子剝落、殼體內(nèi)部損傷均是轉(zhuǎn)子組件斷裂以后導(dǎo)致的結(jié)果。具體分析如下：

（1）轉(zhuǎn)子組件開裂后，轉(zhuǎn)子與分油盤平衡被打破，油膜潤滑遭到破壞，二者磨損加劇，分油盤高壓腔與殼體內(nèi)腔在8、9號(hào)柱塞區(qū)段溝通，形成震動(dòng)趨勢(shì)，施加給分優(yōu)盤周期性載荷，導(dǎo)致分油盤工作不穩(wěn)定，在高壓槽底部應(yīng)力集中部位萌生疲勞裂紋，最終發(fā)生斷裂;

（2）分油盤內(nèi)圈是滾棒軸承的外滾道，分優(yōu)盤的斷裂破壞了滾棒的外跑道，滾棒在經(jīng)過端口時(shí)產(chǎn)生撞擊或跳動(dòng)，導(dǎo)致軸承滾棒剝落;

（3）轉(zhuǎn)子斷塊隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，造成殼體內(nèi)腔和斜盤組件側(cè)耳沿周向擠壓磨損和材料缺損。

分析認(rèn)為，轉(zhuǎn)子組件發(fā)生疲勞斷裂是導(dǎo)致其他零件磨損和斷裂的原因，從而導(dǎo)致液壓柱塞泵的失效。

2.3 轉(zhuǎn)子組件斷裂原因分析

為了分析轉(zhuǎn)子組件斷裂的原因，首先利用體視顯微鏡，對(duì)轉(zhuǎn)子組件斷口處進(jìn)行觀察，可以看到疲勞弧線及放射棱線等宏觀疲勞特征[2]，斷口表面平直光滑，屬疲勞斷口，僅少量斷口屬瞬時(shí)斷裂區(qū)，如圖5所示。

根據(jù)斷口形貌判斷，疲勞裂紋從9號(hào)柱塞孔腰形槽密封帶靠近減重孔邊緣位置開始，從該處銅層疲勞開裂，沿轉(zhuǎn)子端面徑向向外延伸至轉(zhuǎn)子外圓，轉(zhuǎn)而順著柱塞孔軸線方向向上發(fā)展，在高低壓液壓油的反復(fù)沖擊下撕裂轉(zhuǎn)子基體，導(dǎo)致9號(hào)柱塞孔形成上下貫通的裂紋，同時(shí)疲勞裂紋沿轉(zhuǎn)子周向擴(kuò)展越過減重孔，在8號(hào)柱塞孔上形成軸向貫通裂紋及周向疲勞裂紋，并在8號(hào)柱塞孔處形成貫穿至腰形槽的徑向疲勞裂紋，并在8號(hào)柱塞孔局部區(qū)域瞬時(shí)斷裂，使轉(zhuǎn)子裂紋部分形成斷塊從轉(zhuǎn)子組件上脫落。斷塊脫落時(shí)隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，強(qiáng)行擠壓過斜盤耳軸，造成斜盤耳軸內(nèi)側(cè)損傷，越過耳軸后的斷塊擠壓、切削殼體內(nèi)腔，隨著擠壓、切削深度的增加，斷塊脫離轉(zhuǎn)子，卡在殼體一側(cè)。

轉(zhuǎn)子組件鋼基體上疲勞擴(kuò)展區(qū)微觀形貌上，可見明顯的疲勞條帶特征，銅層上也有疲勞擴(kuò)展區(qū)發(fā)展特

征，亦可見疲勞條帶特征。9號(hào)柱塞孔靠近工作面密封帶的銅層斷口已嚴(yán)重磨損，無法確定其原始形貌。根據(jù)殘留的銅層疲勞區(qū)形貌判斷，疲勞裂紋起源于銅層內(nèi)部，見圖6。斷裂源區(qū)呈現(xiàn)類似于沿晶開裂特征，并出現(xiàn)較多無明顯斷裂特征的孔洞，見圖7。

利用X射線能譜儀（EDS）[3]對(duì)銅層斷裂起始區(qū)成分分析，F(xiàn)e、Al等雜質(zhì)元素成分含量較高，應(yīng)屬鑄造缺陷。

為進(jìn)一步對(duì)疲勞源區(qū)域的成分和組織進(jìn)行檢查，利用直讀光譜儀[4]對(duì)轉(zhuǎn)子銅層及鋼基體成分分析，轉(zhuǎn)子孔銅層成分符合ZQSn10-2-3鑄造錫青銅，鋼基體成分符合30Cr3WA鋼。

轉(zhuǎn)子工作面密封帶銅層厚度約為1.86mm（該型號(hào)液壓柱塞泵要求銅層厚度1.5±0.2mm），銅層組織富Sn、Ni元素的δ脆硬相呈塊狀、網(wǎng)狀分布，是形成疲勞裂紋的主要原因，見圖8。鋼基體組織為索氏體加少量塊狀鐵素體。利用顯微硬度計(jì)對(duì)鋼基體硬度測(cè)試，基體硬度為300-325HV0.2（相當(dāng)于HRC31.5-34.5），符合材料組織和力學(xué)性能要求。

3 總結(jié)

（1）通過對(duì)某型液壓柱塞泵內(nèi)部零件斷裂故障進(jìn)行觀察和分析可知，轉(zhuǎn)子組件發(fā)生斷裂導(dǎo)致其他零件損傷和斷裂，從而導(dǎo)致液壓柱塞泵的失效;

（2）轉(zhuǎn)子組件斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂，疲勞斷裂起始于9號(hào)柱塞孔靠近密封帶的銅層，轉(zhuǎn)子疲勞斷裂源區(qū)位于銅層內(nèi)部缺陷部位;

（3）根據(jù)轉(zhuǎn)子組件斷口分析結(jié)果，轉(zhuǎn)子組件中銅層疲勞源區(qū)缺陷部位Fe、Al等雜質(zhì)元素成分含量較高，銅層組織富Sn、Ni元素的δ脆硬相呈塊狀、網(wǎng)狀分布，存在組織缺陷，應(yīng)屬于鑄造過程產(chǎn)生的;

（4）組織缺陷和銅層偏厚均會(huì)導(dǎo)致銅層疲勞強(qiáng)度下降，發(fā)生早期疲勞失效，因此，轉(zhuǎn)子組件的銅層局部組織缺陷，產(chǎn)生疲勞開裂是導(dǎo)致轉(zhuǎn)子斷裂的主要原因。

（5）對(duì)于銅層組織缺陷引起的疲勞斷裂，在修理時(shí)應(yīng)對(duì)轉(zhuǎn)子組件進(jìn)行真空回火，回火溫度按鑄造錫青銅確定，以消除長期使用在銅層組織中的累積疲勞應(yīng)力，恢復(fù)、提高材料的疲勞強(qiáng)度。

【參考文獻(xiàn)】

[1]馬紀(jì)明，阮凌燕，付永領(lǐng)等.航空液壓泵加速壽命試驗(yàn)現(xiàn)狀及方法研究（連載2）航空液壓泵典型失效模式及加速方法[J].液壓與氣動(dòng)，2015，（7）.

[2]鐘群鵬，趙子華.斷口學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2006：270-278.

[3]譚瑩，張震坤，陳明等.掃描電鏡及X射線能譜儀在首飾鍍層檢測(cè)中的應(yīng)用[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè)，2007，43（4）.

[4]王斌.直讀光譜儀在有色金屬分析中的應(yīng)用[J].中國科技投資，2016，（14）.