航空液壓泵典型失效模式及加速方法

， ， ， 　， , 　(. 北京航空航天大學(xué)， 北京　009; . 金城南京機電液壓工程研究中心， 江蘇 南京　40；. 北京機械工業(yè)自動化研究所， 北京　000)

引言

文獻[1]提出，對于液壓柱塞泵來說，導(dǎo)致到壽的主要故障模式為磨損、疲勞、老化?？紤]這三種主要失效模式開展的有關(guān)液壓泵加速壽命試驗方法的研究，取得了一定的進展。王少萍等[2]針對液壓泵的磨損失效模式，綜合分析了壓力、轉(zhuǎn)速、溫度、油液黏度、污染度等應(yīng)力施加水平對磨損壽命的影響，并進一步探討了施加綜合應(yīng)力開展耐久試驗的方法。在俄羅斯發(fā)布的OCT 1系列加速標準文件[3]中，建議在液壓泵加速壽命試驗中施加的應(yīng)力有壓力、 轉(zhuǎn)速、流量和溫度。其中溫度應(yīng)力的施加主要考慮對密封件老化的影響，并沒有描述溫度應(yīng)力與泵磨損之間的關(guān)系。美國軍用[4]和民用[5]飛機液壓泵試驗標準中則建議綜合施加壓力、轉(zhuǎn)速、流量等載荷，對溫度并沒有特別要求。

在加速壽命試驗領(lǐng)域，國內(nèi)最早針對飛機液壓系統(tǒng)主泵ZB-34M開展了加速壽命試驗[6]。隨后不斷有研究和工程技術(shù)人員嘗試不同方法開展加速壽命試驗。常真衛(wèi)[7]介紹了實施加速的基本條件：①加速試驗出現(xiàn)的故障模式及機理應(yīng)與額定應(yīng)力作用下的相一致；②存在規(guī)律的加速性；③加速與額定狀態(tài)下的壽命分布與損傷退化量應(yīng)具有同一性或相似規(guī)律性。并假設(shè)：①液壓泵壽命服從WEIBULL分布；②關(guān)鍵摩擦副的磨損導(dǎo)致產(chǎn)品到壽。鑒于壽命試驗對試驗平臺要求較高，國內(nèi)也有研制人員開展了加速壽命試驗臺的研制工作[8]。

綜上所述，國內(nèi)外在液壓泵的壽命試驗過程中，針對不同類型的失效模式，采取的應(yīng)力施加方式也不盡相同。本研究以航空用恒壓變量液壓柱塞泵為例，主要介紹典型失效模式、機理、壽命影響因素，以及故障外在表現(xiàn)形式和加速方式。

1　液壓柱塞泵的典型失效模式

圖1所示為典型恒壓變量液壓柱塞泵結(jié)構(gòu)示意。在液壓柱塞泵典型的三種失效模式中，磨損主要涉及柱塞-缸體副(柱塞副)、斜盤-滑靴副(滑靴副)、缸體-配油盤副(配油盤副)、軸承、變量調(diào)節(jié)機構(gòu)的閥芯-閥套運動副、軸尾密封機構(gòu)等。恒壓變量液壓柱塞泵除殼體和安裝座之外幾乎都是運動部件，并且在運動過程中均承受交變應(yīng)力(變量控制機構(gòu)外的殼體也承受交變應(yīng)力，因此也會導(dǎo)致疲勞失效)。老化則主要和液壓柱塞泵的橡膠密封件相關(guān)。

圖1　恒壓變量軸向柱塞泵結(jié)構(gòu)組成示意

1.1　磨損

磨損分為磨粒磨損、黏著磨損、疲勞磨損、腐蝕磨損四種主要類型。液壓柱塞泵的磨損主要涉及柱塞副、滑靴副、配油盤副，不同運動副的主要磨損形式不同，但主要是彈性流體動力潤滑(Elasto Hydrodynamic Lubrication, EHL)情況下的磨粒磨損和粘著磨損。泵的磨損過程是典型的多場、多因素耦合作用的結(jié)果，影響因素很多。Hsu[9]總結(jié)了影響磨損的32個參數(shù)，包括溫度、比熱容、速度、污染程度、接觸面材料、表面加工水平、潤滑情況、載荷情況等。Meng[10]系統(tǒng)闡述了28 種類型的磨損模型，其中共涉及100多個和磨損過程相關(guān)的參數(shù)。

對于液壓柱塞泵主要運動副的磨損來說，磨損模型大都是Archard模型及其改進形式[11,12]。然而，EHL磨損模型用于分析柱塞泵摩擦副磨損特性時具有局限性，主要是由于模型中的變量參數(shù)不能直接獲得。其中最重要的影響參數(shù)是摩擦副的油膜厚度。但油膜厚度的影響因素很多，包括泵的壓力、流量、溫度、轉(zhuǎn)速等工況參數(shù)，也包括結(jié)構(gòu)摩擦副的結(jié)構(gòu)形式、尺寸參數(shù)、材料屬性等[13]。

1.2　疲勞

疲勞涉及到柱塞泵所有的運動部件和殼體(殼體部位承受交變應(yīng)力)。關(guān)于疲勞壽命的研究，已經(jīng)有了100多年的歷史，也有了大量的研究成果。在諸多的疲勞壽命分析模型中，基于應(yīng)力的S-N曲線方法是最早，也是最常用的方法。此外，基于累積疲勞損傷的模型，包括基于線性累積損失理論的Pallmgren-Miner公式、基于雙線性累積損傷理論的Grover-Manson公式、基于雙線性疲勞累積損傷理論的Corten-Dolan公式、Marco-Starkey公式和Henry公式[14]等，也得到了廣泛的應(yīng)用。根據(jù)這些成熟的研究成果，國內(nèi)外的商業(yè)機構(gòu)開發(fā)了能夠應(yīng)用于疲勞壽命分析的多種商業(yè)軟件，其中應(yīng)用比較廣泛的有nCode、MSC Fatigue、ANSYS Fatigue、LMS Virtual Lab Durability等。

具體到液壓泵相關(guān)部件，由于疲勞導(dǎo)致的失效主要包括殼體開裂，調(diào)壓彈簧折斷，斜盤、主軸、缸體等結(jié)構(gòu)件的開裂，軸承損壞和斷裂等故障模式。結(jié)構(gòu)件疲勞屬于典型的失效模式，基于S-N曲線方法和累積疲勞損傷模型分析可知，柱塞泵結(jié)構(gòu)件疲勞失效模式的敏感應(yīng)力主要包括轉(zhuǎn)速(交變應(yīng)力頻率)、壓力和排量 (交變應(yīng)力幅值)、柱塞個數(shù)(壓力脈動頻率)、流量切換頻率(流量切換機構(gòu)的疲勞特性相關(guān))等。

1.3　老化

老化失效與橡膠密封件相關(guān)。關(guān)于橡膠產(chǎn)品老化過程與壽命方面的研究，有大量的研究成果，不再贅述。俄羅斯標準[15]中關(guān)于溫度與密封件老化壽命之間的關(guān)系也進行了描述。

液壓柱塞泵中的橡膠密封件，主要是用于靜密封結(jié)構(gòu)，其老化失效會引起外部泄漏。綜合航空液壓泵的使用及外場返修情況，外部泄漏故障現(xiàn)象極為少見，本文不再著重闡述密封件老化失效模式及其加速方法。

對液壓柱塞泵關(guān)鍵失效模式、相關(guān)部件(組件)、敏感應(yīng)力以及外在表現(xiàn)總結(jié)見表1。

2　常用加速手段

2.1　溫度

由表1可以看出，溫度主要影響泵摩擦副的磨損和橡膠密封件的老化過程。

首先，溫度是加劇液壓泵磨損的主要因素。溫度升高可降低材料機械性能，增大表面接觸凸點的金屬擴散與塑性變形。其次，溫度升高降低油液黏度，破壞邊界油膜，從而加速磨損。

表1　液壓泵主要部件失效模式與影響因素

溫度與磨損速率之間的關(guān)系，國內(nèi)已經(jīng)有針對性的研究成果[13,15]。在文獻[11]中已經(jīng)部分描述了粘彈性潤滑磨損情況下磨損與溫度之間的關(guān)系。文獻[15]針對不同工況，闡述了不同溫度下基于柱塞副的相對磨損率。在文獻[3]中，也提及了溫度升高的加速作用，但是沒有明確說明溫度對磨損的定量影響。

在液壓泵工作狀態(tài)下的溫度范圍內(nèi)，溫度變化對疲勞的影響很少。在介質(zhì)溫度低于200 ℃時，通常不考慮溫度對鋼制件疲勞強度的影響[7]，所以溫度對泵疲勞過程的影響可以不予考慮。

綜上所述，通過提高介質(zhì)溫度可以加速液壓泵的磨損和老化過程，并且具備以下優(yōu)點：①比較容易實施，介質(zhì)溫度控制相對比較容易；②加速效率高。大量工程使用經(jīng)驗表明，溫度對液壓柱塞泵壽命影響明顯，也從側(cè)面說明通過升高溫度實施加速壽命試驗效率較高。

但是溫度加速也有顯著問題：①介質(zhì)溫度與泵(磨損)壽命之間的定量關(guān)系無法確定；②對各個部件的加速效果不一致。溫度對滑靴副和配油盤副的磨損過程影響明顯，但是對于柱塞泵容積效率下降的主要運動副(柱塞副)的摩擦過程加速效果一般。

2.2　轉(zhuǎn)速

轉(zhuǎn)速也是直接影響磨損和疲勞壽命的因素之一。從文獻[3,11]闡述的模型可以看出：在液壓泵的設(shè)計或使用速度范圍以內(nèi)，轉(zhuǎn)速(摩擦副運動行程)與磨損和疲勞壽命之間通常呈線性比例關(guān)系。通過提高轉(zhuǎn)速開展泵加速壽命試驗優(yōu)點：①比較容易實施，提高試驗件的轉(zhuǎn)速比較簡單可行；②轉(zhuǎn)速與壽命之間定量關(guān)系簡單。由于壽命與摩擦副行程成比例關(guān)系，容易得到加速試驗壽命與常規(guī)工況下的壽命對比關(guān)系。

提高轉(zhuǎn)速開展加速試驗的缺點也比較明顯：①加速空間有限，由于液壓柱塞泵的額定轉(zhuǎn)速通常已經(jīng)在一個較高水平，轉(zhuǎn)速升高的幅度有限，導(dǎo)致加速效率不高；②提高轉(zhuǎn)速通常還會引起與常規(guī)使用工況下不一致的故障模式，還會導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定；③ 轉(zhuǎn)速增大對液壓泵運動副油膜特性(尤其是滑靴副和配油盤副)會發(fā)生比較大的變化，改變摩擦副的磨損機理。

2.3　壓力

提高液壓泵的出口壓力可以增加摩擦副的載荷水平，從而加速磨損和疲勞過程。提高壓力開展加速試驗具有以下優(yōu)點：①加速效率較高，液壓泵輸出壓力是影響摩擦副載荷和運動部件疲勞損傷程度的敏感應(yīng)力，壓力與磨損和疲勞壽命之間呈指數(shù)關(guān)系；②容易實施，開展液壓泵壽命試驗過程中調(diào)整壓力比較容易，不需要增加試驗設(shè)施。

升高壓力進行加速同樣存在缺陷：①壓力與壽命之間的定量關(guān)系難以獲得，雖然關(guān)于磨損和疲勞的研究比較成熟，但對于不同結(jié)構(gòu)形式的液壓柱塞泵，以及不同的摩擦副結(jié)構(gòu)和材料，額定壓力與磨損壽命、疲勞壽命之間的定量關(guān)系很難獲得；②容易導(dǎo)致試驗失敗，壓力過高容易導(dǎo)致故障機理發(fā)生變化，出現(xiàn)額定工況下不會出現(xiàn)的故障模式，這是加速壽命試驗所不允許的。

2.4　排量(斜盤傾角)

柱塞泵的容積效率是泵到壽的主要判據(jù)，而容積效率的降低，對于柱塞泵來說，主要是由于柱塞副的長期磨損之后柱塞副間隙增大引起的泄漏增加引起。

提高排量是一種比較有效的加速手段。斜盤傾角變大會顯著增加柱塞副徑向載荷，同時也增加了運動部件的載荷，加速柱塞副磨損和運動部件的疲勞過程。通過提高排量實施加速的優(yōu)點：①由于斜盤傾角的變化被限制在一個設(shè)計容許的范圍內(nèi)，所以提高排量這種加速手段不會引起失效機理和模式的變化；②斜盤傾角變化對柱塞副的徑向載荷影響較大，加速效率(尤其是針對柱塞副磨損失效)較高。

增加排量實施加速試驗也有一定局限：①加速部位具有局限性，只能顯著加速柱塞副的磨損過程，對于滑靴副和配油盤副，由于通過增加斜盤傾角不能有效增加其摩擦面載荷，所以不能很好的加速其磨損過程；②排量和柱塞泵磨損及疲勞壽命之間的定量關(guān)系不明確，對于不同結(jié)構(gòu)形式、不同材料和工藝的液壓泵很難得到通用的排量和柱塞泵壽命定量關(guān)系。

2.5　介質(zhì)污染度

大量的研究和工程經(jīng)驗表明，液壓泵主要運動副的磨粒磨損主要是油液污染造成的。介質(zhì)污染水平提高會顯著加速柱塞泵的磨損過程。國內(nèi)外關(guān)于介質(zhì)污染水平與磨損及性能退化過程之間的關(guān)系，已經(jīng)有了較多的研究成果。文獻[16]主要研究液壓泵壽命與介質(zhì)污染水平之間的定量關(guān)系，給出了一個液壓泵的統(tǒng)計模型。文獻[17,18]則主要從元件和系統(tǒng)性能角度，分析了介質(zhì)污染的影響。無論是元件或者系統(tǒng)，液壓介質(zhì)污染水平都會影響其性能，并間接影響其壽命。國外也有專門的工程軟件(HyPneu)用于分析介質(zhì)污染對液壓系統(tǒng)壽命的影響。

通過增加介質(zhì)污染程度加速液壓泵壽命試驗過程，優(yōu)點和缺點都比較明顯。優(yōu)點是加速效率高，可以達到1∶10甚至更高的加速比。局限性在于：①只能加速液壓泵的磨粒磨損過程，不能加速其它形式的磨損及疲勞過程；②系統(tǒng)污染控制水平要求高，難度較大；③污染度增加會導(dǎo)致試驗系統(tǒng)中其它元部件出現(xiàn)不可預(yù)知故障，容易引起非關(guān)聯(lián)失效，導(dǎo)致難以判斷液壓泵元件或系統(tǒng)的真實壽命。

從表2可以看出：①實施加速壽命試驗的主要技術(shù)瓶頸在于各加速因素與壽命之間的定量關(guān)系不明確；②在液壓柱塞泵可用的加速手段中，主要是針對疲勞、磨損兩種失效模式； ③如果考慮實施的可行性，不建議通過增加污染度開展加速試驗，如果對加速效率要求高，并且主要是磨損導(dǎo)致的失效，則可以通過增加污染度開展加速；④每種加速手段都具有一定局限性，如果要綜合考慮磨損、疲勞故障模式，并且要求液壓泵整體與部件加速壽命具有較高的匹配度，則需要綜合采取多種加速方式開展試驗。

3　加速壽命試驗的基本準則

對于液壓柱塞泵來說，其加速手段有兩種：增加載荷和劣化使用環(huán)境。其中增加轉(zhuǎn)速、壓力、排量屬于增加載荷的加速方式；提高介質(zhì)溫度和增加介質(zhì)污染度屬于劣化使用環(huán)境方式。在實際的工程應(yīng)用過程中，采用的具體加速手段，單應(yīng)力及綜合應(yīng)力加速方法選擇，需要考慮常規(guī)使用條件下液壓泵的使用工況、常見的故障模式、設(shè)計裕度等。

表2　液壓柱塞泵不同加速手段的對比分析

綜合第1節(jié)中對液壓泵主要失效模式的闡述以及第2節(jié)中對液壓泵主要加速手段的闡述，結(jié)合我國液壓泵研制的實際情況，以及液壓泵研制廠家開展液壓泵加速壽命試驗過程中的工程經(jīng)驗，總結(jié)基本準則如下：

(1) 主要考慮磨損、疲勞和熱老化失效模式，具體考慮哪種故障模式，要結(jié)合泵結(jié)構(gòu)、材料、以及現(xiàn)場使用情況綜合權(quán)衡；

(2) 可以采用的加速手段包括：提高出口壓力、提高流量(排量)、增加轉(zhuǎn)速、增加污染度、提高介質(zhì)溫度，實際采用的加速手段還要綜合試驗臺能力、泵性能指標(最大排量、最大出口壓力、最大轉(zhuǎn)速)、設(shè)計裕度等因素；

(3) 對于恒壓變量泵，需要將加速試驗與額定工況試驗的流量切換頻次相同(保證流量調(diào)節(jié)機構(gòu)的疲勞失效模式與額定工況下一致)；

(4) 泵總體加速試驗時間和部件加速時間要具有較高的匹配度；

(5) 加速壽命試驗的載荷譜應(yīng)以額定工況為基準進行編制。

4　加速壽命試驗效果分析方法

為驗證加速壽命試驗效果，通常需要對比加速壽命試驗后與常規(guī)壽命試驗后液壓泵的技術(shù)狀態(tài)參數(shù)、物理狀態(tài)參數(shù)。

(1) 技術(shù)狀態(tài)參數(shù)

技術(shù)狀態(tài)的變化主要是由于耗損性磨損導(dǎo)致的。通過監(jiān)測這些量，可以評價常規(guī)試驗和加速試驗對于磨損過程的匹配程度，驗證加速試驗的效果。需要對比監(jiān)測的技術(shù)狀態(tài)參數(shù)有：①零供油壓力；②最大流量壓力；③額定流量；④零流量殼體回油量；⑤全流量殼體回油量；⑥容積效率；⑦總效率。

(2) 物理狀態(tài)參數(shù)

物理狀態(tài)參數(shù)的變化主要是由于磨損和疲勞引起。需要對比監(jiān)測的物理狀態(tài)參數(shù)有：① 摩擦面表面狀態(tài)(配油盤端面尺寸、滑靴底面尺寸、缸體柱塞孔外徑)；② 彈簧壓縮量(流量調(diào)節(jié)彈簧、中心彈簧)；③ 密封件殘余變形量(端面密封、軸密封件)；④疲勞損傷累積量(主軸、斜盤耳軸、斜盤)；⑤ 運動副間隙(柱塞—柱塞孔，滑靴—斜盤，缸體—配油盤)。

5　結(jié)論

(1) 在開展液壓泵加速壽命試驗時，主要考慮的故障模式為磨損、疲勞和老化。

(2) 可以通過提高介質(zhì)溫度、出口壓力、排量、轉(zhuǎn)速、介質(zhì)污染度開展加速試驗，但每種加速手段都具有一定局限性。如果要綜合考慮磨損、疲勞故障模式，并且要求液壓泵整體壽命與部件壽命加速效果具有較高的匹配度，則需要綜合采取多種加速手段開展試驗。

(3) 加速壽命試驗的效果，需要通過對比與常規(guī)試驗工況下(或現(xiàn)場使用工況下)的物理狀態(tài)參數(shù)、技術(shù)狀態(tài)參數(shù)來驗證。

參考文獻：

[1]馬紀明,等.航空液壓泵加速壽命試驗現(xiàn)狀[J].液壓與氣動,2015,(6):6-12.

[2]王少萍,李沛瓊.液壓泵綜合應(yīng)力壽命試驗方法研究[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報,2000,26(1):38-40.

[3]OCT 1 00389-80,飛機(直升機)液壓柱塞泵確定加速壽命試驗狀態(tài)的方法[S].

[4]MIL-P-19692E,Pumps, Hydraulic, Variable Flow, General Specification for[S].

[5]AS595D, Aerospace-Civil Type Variable Delivery, Pressure Compensated, Hydraulic Pump[S].

[6]張?zhí)O蘋.航空產(chǎn)品加速壽命試驗研究及應(yīng)用[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報,1995,21(4):124-129.

[7]常真衛(wèi),彭秀英.液壓柱塞泵加速壽命試驗方法淺談[J].企業(yè)技術(shù)開發(fā),2013,32(18):120-121.

[8]桑勇,王占林.航空液壓泵加速壽命試驗臺的研制[J].液壓氣動與密封,2009,(1):45-48.

[9]Hsu S M, Shen M C, Ruff A W. Wear Prediction for Metals[J]. Tribology International,1997,30(5):377-383.

[10]Meng H C, Ludema K C. Wear Models and Predictive Equations: Their Form and Content [J]. Wear, 1995,181-183:443-457.

[11]Zou Qian,Huang ping,Wen Shizhu. Abrasive Wear Model for Lubricated Sliding Contacts[J].Wear,1996,(196):72-76.

[12]Chang L. A Deterministic Model for Line-contact Partial Elasto-hydrodynamic Lubrication[J].Tribo1ogy International, 1995, 28(2): 75-84.

[13]李齊林.柱塞泵力學(xué)特性分析與磨損壽命預(yù)計[D].北京：北京航空航天大學(xué),2013.

[14]Yang L，F(xiàn)atemia A．Cumulative Fatigue Damage Mechanisms and Quantifying Parameters：A Literature Review[J]．Journal of Testing and Evaluation，1998，26(2)：89-100．

[15]馬紀明,等.軸向柱塞泵/滑靴副潤滑磨損的影響因素分析[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報,2015,41(3):405-410.

[16]李昆,等.液壓泵污染壽命預(yù)測技術(shù)研究[J].航空科學(xué)技術(shù),2011,(1):49-52.

[17]孫文勝,畢玉泉,祁功道.油液污染對某型飛機液壓泵性能影響的分析[J].機床與液壓,2012,7(40):204-206.

[18]姚金勇,等.液壓系統(tǒng)污染性能仿真與優(yōu)化設(shè)計[J].液壓與氣動,2014,(3):48-53.