燃油泵斜盤軸承失效分析

李愛民，陳愛成，曹陽

(駐安順地區軍代表室，貴州 安順 561000)

某型機地面試車時發動機出現冷懸掛現象，地面啟動不成功。在試驗機上對故障泵檢查發現，轉速增加到140 r/min時，出現異常聲，立即停車。對該主泵分解發現，油泵9個柱塞中有8個存在卡滯現象；分解查看中心油濾，發現濾網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出現魚鱗狀剝落。

1 軸承工況

燃油柱塞泵斜盤軸承支承結構如圖1所示。斜盤軸承裝在斜盤軸承殼體內，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，隨油泵轉子旋轉角α呈周期性變化(α在0°～180°為吸油區，在180°～360°為排油區)，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生變化。

2 質量復查情況

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碾軋特征；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，未發現非軸承材料成分。同時，對該批斜盤軸承從材料、加工、裝配等環節進行了全面排查，未發現異常問題；對故障泵的相關安裝尺寸進行了檢查，對相關零件進行了微分測量，均符合設計規定，未發現安裝存在問題。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所受到的最大載荷約為在吸油區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，這也是結合該類型泵的工作原理并經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安裝尺寸進行了檢查，未發現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(如斜盤軸承支承結構、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重的高溫現象。這與軸承旋轉時產生的慣性力和油泵的液壓關死現象有關，且會在極端工況下加劇。

3.2.1 油泵液壓關死對軸承的影響

液壓關死現象對油泵的正常工作危害極大[1]。在產生低壓時，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，再接觸時就會產生撞擊現象。在產生不正常高壓時，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，整個結構受到周期性脈沖載荷的作用，將產生振動，嚴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，會使軸承產生高溫。另由文獻[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，并使軸承發熱。從實踐經驗看，該類失效極為少見，因而，基于上述分析，認為此次斜盤軸承失效的原因是軸承運轉時產生了異常摩擦磨損。即在極端情況下，油泵出現了液壓關死現象，進而在排油區的末端和吸油區的初端之間柱塞短時脫離斜盤面，導致該區間軸承短時無軸向載荷，進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，導致鋼球變色，硬度降低，并在座圈溝道外側產生“樅樹狀”磨損；二是在周期脈沖載荷和接觸應力作用下，軸承座圈溝道外部“樅樹狀”缺陷不斷擴大和剝落，并沿著排油區方向不斷擴展，同時啃傷硬度降低的鋼球。而在吸油區，由于柱塞作用在斜盤面的力相對較小，對應的軸承座圈溝道受力也較小，因此沒有損環。

4 改進措施

為保證斜盤軸承的正常運轉，油泵制造廠應進一步加強對油泵液壓關死現象的研究，為斜盤軸承正常工作提供更好的工況條件。為進一步提高軸承的制造質量,軸承制造廠應采取如下措施：(1)改變以往壓罩后檢查軸承旋轉靈活性的方法，用工藝球檢查旋轉靈活性,檢驗合格后再進行壓罩，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，并進一步提高保持架的運轉平穩性。