某型液壓柱塞泵內部零件斷裂故障分析

李永龍 管博文 張峰

【摘 要】針對某型航空液壓柱塞泵內部零件斷裂故障，通過對故障現象的深入觀察和分析，確定轉子組件斷裂的根本原因為轉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，對轉子組件斷裂區域進行材料的結構和成分分析，得到轉子組件疲勞斷裂原因，為提高液壓泵的制造和修理質量提供必要的參考。

【關鍵詞】液壓柱塞泵;轉子組件;疲勞斷裂;材料分析

中圖分類號： V245.1 文獻標識碼： A文章編號： 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液壓系統提供壓力的主要部附件，其在飛機液壓系統中起到至關重要的作用。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部件，由疲勞導致的失效主要包括殼體開裂，斜盤、轉子等結構件的斷裂等故障模式。

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

1 故障現象

對故障的液壓柱塞泵進行分解檢查，故障現象主要如下：

1.1 轉子組件

轉子組件從第8號、9號柱塞孔位置沿軸向斷裂成三部分，見圖1（a）、1（b）;轉子從柱塞孔與外壁的最薄處斷裂，斷塊出現明顯的彎曲變形和嚴重的擠壓痕跡;轉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壁有一段連續的周向擠壓、切削痕跡，痕跡按順時針方向逐漸擴大、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）;分解后發現分油盤在高壓端斷裂成兩半，見圖2（b）。

1.3 柱塞

轉子組件中9號柱塞有明顯變形，已卡滯在轉子孔內，除9號柱塞外，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號柱塞滑靴端面由于受力狀態的變化，顏色比其余8件柱塞略深。

1.4 斜盤組件與軸承

斜盤組件高壓區一側耳軸座內側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約6×10mm的剝落，其余滾棒表面有輕微麻點掉塊，見圖3。

2 故障原因分析

2.1 分油盤斷口觀察

首先通過對分油盤斷口情況分析，來進行柱塞泵內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，并向兩端擴展，疲勞擴展充分，見圖4。

2.2 內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子的柱塞孔內，轉子由主軸驅動旋轉，轉子每旋轉一周，柱塞組件在完成周向旋轉的同時沿軸向完成一次往復運動，每個柱塞組件和對應轉子孔在旋轉一周時交替經過高壓區和低壓區，在分油盤高低壓腰型槽的分配作用下，實現泵的吸油和排油工作。柱塞泵內部包括三對主要摩擦副，分別是轉子和分油盤、柱塞和轉子、柱塞滑靴座和墊板摩擦副，摩擦副靠旋轉過程中液壓油產生的油膜靜壓支撐和潤滑。

通過對故障件檢查，結合柱塞泵工作原理，認為本次故障中轉子開裂失效在前，分油盤開裂、分油盤軸承滾子剝落、殼體內部損傷均是轉子組件斷裂以后導致的結果。具體分析如下：

（1）轉子組件開裂后，轉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腔在8、9號柱塞區段溝通，形成震動趨勢，施加給分優盤周期性載荷，導致分油盤工作不穩定，在高壓槽底部應力集中部位萌生疲勞裂紋，最終發生斷裂;

（2）分油盤內圈是滾棒軸承的外滾道，分優盤的斷裂破壞了滾棒的外跑道，滾棒在經過端口時產生撞擊或跳動，導致軸承滾棒剝落;

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

分析認為，轉子組件發生疲勞斷裂是導致其他零件磨損和斷裂的原因，從而導致液壓柱塞泵的失效。

2.3 轉子組件斷裂原因分析

為了分析轉子組件斷裂的原因，首先利用體視顯微鏡，對轉子組件斷口處進行觀察，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，僅少量斷口屬瞬時斷裂區，如圖5所示。

根據斷口形貌判斷，疲勞裂紋從9號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，沿轉子端面徑向向外延伸至轉子外圓，轉而順著柱塞孔軸線方向向上發展，在高低壓液壓油的反復沖擊下撕裂轉子基體，導致9號柱塞孔形成上下貫通的裂紋，同時疲勞裂紋沿轉子周向擴展越過減重孔，在8號柱塞孔上形成軸向貫通裂紋及周向疲勞裂紋，并在8號柱塞孔處形成貫穿至腰形槽的徑向疲勞裂紋，并在8號柱塞孔局部區域瞬時斷裂，使轉子裂紋部分形成斷塊從轉子組件上脫落。斷塊脫落時隨轉子旋轉，強行擠壓過斜盤耳軸，造成斜盤耳軸內側損傷，越過耳軸后的斷塊擠壓、切削殼體內腔，隨著擠壓、切削深度的增加，斷塊脫離轉子，卡在殼體一側。

轉子組件鋼基體上疲勞擴展區微觀形貌上，可見明顯的疲勞條帶特征，銅層上也有疲勞擴展區發展特

征，亦可見疲勞條帶特征。9號柱塞孔靠近工作面密封帶的銅層斷口已嚴重磨損，無法確定其原始形貌。根據殘留的銅層疲勞區形貌判斷，疲勞裂紋起源于銅層內部，見圖6。斷裂源區呈現類似于沿晶開裂特征，并出現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]對銅層斷裂起始區成分分析，Fe、Al等雜質元素成分含量較高，應屬鑄造缺陷。

為進一步對疲勞源區域的成分和組織進行檢查，利用直讀光譜儀[4]對轉子銅層及鋼基體成分分析，轉子孔銅層成分符合ZQSn10-2-3鑄造錫青銅，鋼基體成分符合30Cr3WA鋼。

轉子工作面密封帶銅層厚度約為1.86mm（該型號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。利用顯微硬度計對鋼基體硬度測試，基體硬度為300-325HV0.2（相當于HRC31.5-34.5），符合材料組織和力學性能要求。

3 總結

（1）通過對某型液壓柱塞泵內部零件斷裂故障進行觀察和分析可知，轉子組件發生斷裂導致其他零件損傷和斷裂，從而導致液壓柱塞泵的失效;

（2）轉子組件斷裂性質為疲勞斷裂，疲勞斷裂起始于9號柱塞孔靠近密封帶的銅層，轉子疲勞斷裂源區位于銅層內部缺陷部位;

（3）根據轉子組件斷口分析結果，轉子組件中銅層疲勞源區缺陷部位Fe、Al等雜質元素成分含量較高，銅層組織富Sn、Ni元素的δ脆硬相呈塊狀、網狀分布，存在組織缺陷，應屬于鑄造過程產生的;

（4）組織缺陷和銅層偏厚均會導致銅層疲勞強度下降，發生早期疲勞失效，因此，轉子組件的銅層局部組織缺陷，產生疲勞開裂是導致轉子斷裂的主要原因。

（5）對于銅層組織缺陷引起的疲勞斷裂，在修理時應對轉子組件進行真空回火，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力，恢復、提高材料的疲勞強度。

【參考文獻】

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