柱塞泵失效分析及修復工藝

周 雄，譚東才，張 偉

（三一汽車制造有限公司，湖南長沙 410100）

0 引言

柱塞泵經長期使用后，柱塞與缸體等零部件均會出現磨損現象，使泵的容積效率降低，影響整機性能。該類泵體大多為進口件，價格昂貴，采購周期長，若更換新件，不僅使生產成本上升，同時影響產能的提升，由于液壓件高精密性的特點，相關的修復研究較少，根據再制造的實際狀況，介紹柱塞泵的再制造修復工藝。

1 柱塞泵結構及工作原理

柱塞泵主要由旋轉運動的缸體、柱塞旋轉組件，控制排量的斜盤、伺服活塞組件，承擔吸油和排油功能的閥蓋等組成（圖1）。工作原理：柱塞與缸體隨軸一起旋轉的同時，柱塞進行左右往復運動，伺服活塞移動使斜盤傾斜，斜盤傾斜量的變化引起柱塞行程隨之變化，柱塞泵輸出的油液量也就發生變化，實現柱塞泵的排量改變。

2 主軸與軸承的失效分析與修復

主軸是柱塞泵的重要零件之一，常見的主軸損壞失效原因：①偏心（圖2a）。主軸與花鍵套安裝偏心，導致兩者中心對中不齊，該種情況下主軸摩擦痕跡呈非圓周對稱分布；②過載（圖2b）。柱塞泵扭轉負載過高，導致主軸斷裂；③摩擦腐蝕（圖2c）。花鍵齒缺少潤滑或潤滑不充分，長時間磨損導致主軸損壞，嚴重的會導致疲勞斷裂。

主軸損壞的柱塞泵一般采取的措施是更換主軸，找出主軸損壞的原因并予以更正，安裝時確保主軸與花鍵套對中安裝。

圖1 柱塞泵結構

圖2 主軸損壞失效形式

軸承經過長時間磨損后會出現油隙，油隙的存在影響柱塞泵內部各摩擦副的配合間隙，破壞摩擦副中間的油膜厚度，油膜厚度過大或過小都會影響柱塞泵的使用壽命，超過軸承使用壽命的需更換新軸承。拆卸下的軸承，通過目測方法檢查，若滾柱表面有劃痕或者變色，則須更換。

3 摩擦副失效分析

柱塞泵共有柱塞與缸體、滑靴與斜盤、配流盤與缸體配流面3 對摩擦副，作為柱塞泵的主要構成部分，摩擦副的好壞直接決定柱塞泵的性能與質量，造成柱塞泵摩擦副失效的原因主要有4 個。

3.1 潤滑不足（圖3）

零部件在相對運動的過程中，由于摩擦副表面油液缺少導致動態油膜支撐失效或油膜喪失，液壓元件金屬表面之間直接接觸，接觸表面發生干摩擦，引起摩擦副粘附磨損（如拖尾磨痕/掛銅或擦傷）。粘附磨損的損壞程度主要取決于元件工作于油膜喪失工況下時間的長短及外部導致油膜破壞因素的嚴重程度。

圖3 潤滑不足導致摩擦副失效

3.2 工作溫度過高

液壓油黏度隨工作溫度升高而降低，即溫度越高，油液越稀。油溫過高則無法保證旋轉部件之間形成穩定的液壓油膜，將可能引起運動面粘附磨損（圖4a）。液壓油選用不當，油液的某些特性不能滿足工況需求（如潤滑及承受負載特性），也將導致相對運動表面損傷（圖4b）。

圖4 油液問題導致摩擦副失效

3.3 磨損污染物

磨損污染物將破壞液壓油膜，污染物也可直接損傷元件表面，是液壓油中含有的可充當研磨介質（磨料）的固體顆粒物所致。當固體顆粒物流經元件時，像一個個小的研磨切割器，在支撐材料表面留下切割凹槽（圖5a）。液壓油中存在空氣或泡沫，將導致液壓油膜中含氣，動態油膜支撐無法建立，也會造成液壓零件的損傷（圖5b）。

圖5 磨損污染物導致摩擦副失效

3.4 轉速過高

當柱塞泵長時間在高于其額定轉速工況下工作時，內部零件負載過高會導致其脫離正常工作位置，初期損傷表現為支撐盤最外邊臺階磨損或滑靴表面外邊緣磨損，隨著元件工作于超速下反復發生，旋轉表面之間的油膜將被破壞，易引起零件脫落。見圖6。

圖6 轉速過高導致摩擦副失效形式

4 磨擦副檢查與修復

4.1 柱塞與缸體的檢查

對柱塞與缸體摩擦副的檢查，可以先目測柱塞外圓表面和缸體內孔是否有明顯的可視缺陷，可借助放大鏡或內窺鏡進行檢查，也可用手指在零部件表面撫摸感知，如有明顯的可視缺陷或銹蝕、裂紋，或者有明顯的手感凹坑、刮傷或邊有剝落等，說明柱塞或缸體已經損壞，需要更換新件；目測或手感無法確定，再通過試驗作進一步檢測。

另外，還可采用快捷方法檢測。用手堵住缸體上任一柱塞孔尾端，從另一端將對應的柱塞向外拉出，如柱塞缸體未被損壞，柱塞拉出過程應感到有吸力，柱塞拉出一段距離后快速放手，此時柱塞會在真空吸力的作用下回到原位置，如果能快速回位說明柱塞可繼續使用；否則，應換新件或待修，需要注意的是更換新件時需要成套更換。

4.2 柱塞與缸體的修復

柱塞與缸體的修復，根據其結構形式的不同，采取不同的修復工藝。在此主要介紹嵌入式安裝的修復工藝。銅套嵌入式安裝在缸體內部的，可直接更換銅套，先將柱塞桿處徑修整到統一尺寸，再采用高精度的砂紙對齊外圓表面進行拋光打磨。銅套的安裝可以根據實際情況采取相應的工藝，在此列舉3 種常用的安裝方法：①熱脹冷縮法。將缸體加熱后將銅套擠壓入內，或將銅套在超低溫工況下放置一段時間后，壓入缸體，以上裝配方式的原則為過盈裝配；②采有專用強力膠粘著裝配，該方法要求銅外套外徑表面有溝槽；③將缸孔頭部攻螺紋孔，銅套外徑加工螺紋，涂專用膠后旋入裝配。

柱塞常見的修復工藝有電刷鍍技術、熱噴涂或者電弧噴涂技術、激光熔敷技術等，都是在柱塞面噴涂或熔敷高硬度、高耐磨的合金粉末。

4.3 配流盤與缸體配流面的修復

配流盤與缸體配流面配合常見的有平面和球面配流兩種結構形式。配流盤的修復主要采用研磨工藝，溝槽或劃痕較淺時，可以直接研磨修復；溝槽較深時，研磨前先用修復技術填平后再進行研磨，避免盲目研磨，導致防銅層變薄或漏油。研磨前，應對樣機的初始尺寸進行測繪，研磨掉的尺寸用補償墊補償，確保總體尺寸不變。當需要修復的劃痕較深，需要研磨的量較大時，研磨后應重新進行熱處理，以確保表面硬度，各零件推薦硬度見表1。

缸體與配流盤修復完成后，在配流盤面涂潤滑脂或凡士林油，堵死泄油道，將配流盤和缸體按要求裝配，水平放置后往缸體孔道注油，注油時采取間隔注油方式，即一個孔注油，一個孔不注油，靜置一段時間后觀察柱塞孔中是否有串油現象，可以用此方法判別缸體與配流盤研磨合格。

表1 零件推薦硬度HS

4.4 滑靴與斜盤的修復

如果滑靴與斜盤的間隙超出規定值，柱塞中的高壓油會從柱塞球頭與滑靴間隙中泄出，導致柱塞泵內泄漏過大，容積效率損失；滑靴與斜盤中的油膜變少，會發生金屬直接接觸磨擦，因其高速轉動，油膜過少滑靴可能燒蝕脫落，嚴重時會造成靜壓支承失效，柱塞桿球頭與滑靴球窩超出配合公差要求的一定值時，必須成組更換，更換極限配合間隙見表2。

表2 各規格柱塞桿與缸孔的更換標準

柱塞泵斜盤使用一段時間后，斜盤工作面在長期高速摩擦下會出現凹痕，這種情況的修復往往采用研磨工藝，如果磨損量較少，研磨后可直接使用，如果研磨量＞0.2 mm，采用氮化處理工藝以保證原有的氮化層厚度。

斜盤平面損傷加劇會出現溝槽，這種情況下可以采用激光熔敷合金粉末的方法進行修復。激光熔敷有2 個特點：①保證材料的結合強度，不會輕易脫落；②保證熔敷材料的硬度且不會對熔敷周邊材料的硬度產生影響。

5 結語

柱塞泵的使用壽命，與液壓系統的穩定性、清潔度、液壓油品等因素相關，平時的維護保養必不可少，對柱塞泵維護與修理工藝的研究，可以延長柱塞泵壽命，產生巨大的經濟效益，對設備的維護保養有著重要意義。