某型激光測距器磁力齒輪泵噪聲故障分析

徐凱

[摘 要]某型激光測距器冷卻液循環(huán)回路中設(shè)計使用了一種磁力齒輪泵，內(nèi)部裝有聚四氟乙烯齒輪的液壓泵和電機以非接觸形式連接。隨著整機使用年限增加，在進廠修理的激光測距器中發(fā)現(xiàn)該齒輪泵出現(xiàn)非正常噪聲的故障現(xiàn)象，為保證航空產(chǎn)品質(zhì)量可靠性，對此故障進行理論分析并分解故障齒輪泵進行驗證。

[關(guān)鍵詞]齒輪泵、塑料、噪聲、氣穴

中圖分類號：TN247 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2017）46-0382-03

某型激光測距系統(tǒng)工作時，由于發(fā)射機中激光工作介質(zhì)需要冷卻液循環(huán)降溫并過濾紫外線，因此設(shè)計安裝了一套結(jié)構(gòu)緊湊、簡單的齒輪泵，在激光測距器上電的同時由一個直流電機通過磁力聯(lián)軸器傳遞扭矩，驅(qū)動冷卻液在整個輻射器中進行循環(huán)（見圖1）。

1 齒輪泵特點及工作原理

該齒輪泵采用磁力聯(lián)軸器傳遞電機扭矩，提高了電機扭矩的傳遞效率，同時因為將動密封形式改為靜密封，杜絕了傳統(tǒng)齒輪泵泄露的問題。齒輪泵內(nèi)使用了一對漸開線正變位聚四氟乙烯齒輪進行嚙合，相比于傳統(tǒng)碳鋼齒輪泵，具有噪聲、振動小，耐腐蝕（激光冷卻液PH值為2.6）、質(zhì)量輕、成本低等優(yōu)點（見圖2）。齒輪泵工作時其內(nèi)部永磁體主軸由電機通過磁耦合器帶動旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動主動齒輪轉(zhuǎn)動，在吸油腔齒輪互相脫開，隨著齒輪轉(zhuǎn)動，吸入齒間的冷卻液被帶到另一側(cè)，進入壓油腔。這時齒輪進入嚙合，使密封容積逐漸減小，輪齒間的部分冷卻液被擠出，形成了齒輪的壓油過程[2]。齒輪嚙合時齒向接觸線把吸油腔和壓油腔分開，起配油作用。隨著電機不斷轉(zhuǎn)動，齒輪不斷循環(huán)這一吸油排油過程，完成整個液壓回路的循環(huán)工作（如圖3所示）。

2 故障分析

2.1 故障現(xiàn)象及后果

近年來，在對進廠維護的激光測距器冷卻液循環(huán)系統(tǒng)進行檢查時發(fā)現(xiàn)該磁力齒輪泵出現(xiàn)不規(guī)則噪聲，處于非正常工作狀態(tài)，如不進行及時修理檢查，可能造成激光測距器的冷卻循環(huán)功能喪失，最終導(dǎo)致激光工作介質(zhì)損壞，致使激光測距器功能失效。

2.2 故障原因分析

結(jié)合齒輪泵工作原理對齒輪泵不規(guī)則噪聲的故障進行理論分析，主要有以下幾個方面的原因：

1、泵內(nèi)混入碎屑，雜質(zhì)等硬質(zhì)顆粒物，導(dǎo)致齒輪嚙合時齒輪間或齒輪與泵體間發(fā)生不可控的干涉現(xiàn)象，發(fā)出噪聲；

2、泵內(nèi)出現(xiàn)氣泡，這些氣泡混雜在冷卻液中造成氣穴現(xiàn)象。氣泡隨冷卻液進入壓油腔高壓區(qū)時急劇破滅，產(chǎn)生噪聲和振動；

3、齒輪齒頂與泵體之間的徑向間隙變小，造成掃膛現(xiàn)象，產(chǎn)生噪聲。

2.2.1 泵內(nèi)混入碎屑，雜質(zhì)等硬質(zhì)顆粒物

泵內(nèi)混入硬質(zhì)顆粒物類的碎屑雜質(zhì)是對齒輪泵危害相當(dāng)大的一種失效形式，嚴重影響齒輪嚙合，造成嚙合卡頓甚至直接咬死，導(dǎo)致齒輪甚至驅(qū)動電機的失效。該型齒輪泵設(shè)計時在吸油口安裝了過濾網(wǎng)（如圖4），激光工作介質(zhì)的金屬密封物碎屑及冷卻液腔體內(nèi)部金屬表面因長期浸泡在PH2.6的酸性環(huán)境下造成的氧化層剝落物均可被濾網(wǎng)有效攔截在泵體之外。因此主要考慮泵內(nèi)自身的齒輪上材料本身剝落的顆粒物體。

該型齒輪泵不同于傳統(tǒng)金屬齒輪泵，采用了一對聚四氟乙烯漸開線齒輪。相比于碳鋼材質(zhì)的齒輪，聚四氟乙烯硬度低，彈性模量小，受載荷作用后易于變形，所以兩齒面接觸時赫茲接觸區(qū)較鋼齒輪要大的多，因此不會產(chǎn)生點蝕的故障現(xiàn)象。兩個齒輪在嚙合時。嚙合齒面的曲率不斷變化，相對運動為滾動兼滑動，在不同位置其相對滑動速度和接觸應(yīng)力不斷變化，而聚四氟乙烯自身熱傳導(dǎo)性差，其力學(xué)性能隨溫度上升而明顯降低，磨損為齒輪材料剝落主要原因[5]。

磨損涉及到粘附、熱軟化、剝落。在磨損初期，兩齒面相對滑動時會發(fā)生凸出點的粘著與撕裂齒輪傳動時，并形成轉(zhuǎn)移膜并不很牢固的粘附在對磨表面上。這層膜的產(chǎn)生與剝落導(dǎo)致較快的初級磨損，隨著溫度升高，轉(zhuǎn)移膜粘附能力增強，剝落率降低，摩擦力也降低，進入穩(wěn)定磨損階段。溫度繼續(xù)上升超過材料玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化點溫度，變軟的聚合物會發(fā)生大量轉(zhuǎn)移，這些碎塊就成了磨損顆粒，表現(xiàn)為快速磨損的形式[4]。因塑料齒輪嚙合產(chǎn)生的熱量不易迅速散失，齒面的瞬時溫度高于基體溫度，齒輪接觸表面的溫度計算公式[3]可表示為：

θ=θa+k1T+k2T3/4N1/2 （1）

其中θa為齒輪工作環(huán)境溫度；T為傳動力矩；N為轉(zhuǎn)動速度；k1、k2為與齒輪材料、環(huán)境溫度有關(guān)的常數(shù)，激光測距器工作時冷卻液溫度控制在35±5℃，此溫度下材料聚四氟乙烯的k1=10.9，k2=2.1。使用激光轉(zhuǎn)速表測得齒輪泵工作時驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速（即齒輪泵轉(zhuǎn)速）N=5353r/min（如圖5），驅(qū)動電機工作電壓為27VDC，工作電流0.18A。該型齒輪泵的磁力聯(lián)軸器采用了1Cr18Ni9Ti不銹鋼隔離套，參考磁力聯(lián)軸器轉(zhuǎn)速與功率傳遞效率曲線圖（如圖6）[6]，齒輪泵的功率P可有下式得到：

P泵=U驅(qū)×I驅(qū)×η電機×η聯(lián)軸器 （2）

其中η電機為永磁式空心杯直流電機效率69%，代入式（2）得到P泵=1.67W。再由扭矩與功率的關(guān)系式：

T= （3）

P-功率（KW）

N-轉(zhuǎn)速（r/min）

T-扭矩（N·m）

得到齒輪泵內(nèi)部齒輪承受的扭矩為1.12mN·m，將所有已知參數(shù)代入式（1）中，得到齒輪接觸表面的溫度θ為35.93±5℃，遠小于聚四氟乙烯的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度115℃，證明齒輪處于穩(wěn)定磨損階段，聚四氟乙烯齒輪之間的摩擦力小，材料剝落率低。綜上分析排除泵內(nèi)碎屑等硬質(zhì)顆粒物造成齒輪泵噪聲故障。

2.2.2 泵內(nèi)氣穴現(xiàn)象

液壓系統(tǒng)中發(fā)生氣穴現(xiàn)象，液體中的氣泡隨著液流運動到壓力較高的區(qū)域時，氣泡在較高壓力作用下將迅速破裂，從而引起局部液壓沖擊，造成噪聲和振動。齒輪泵產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象的原因主要是由于吸油口處壓力低于空氣分離壓導(dǎo)致溶解在工作油液中的空氣分離出來形成氣泡或吸油口處直接吸入外界空氣[7]。endprint

2.2.2.1 空氣進入泵內(nèi)

對齒輪泵吸油口與導(dǎo)管連接處進行密封處理（見圖7），在縫隙處涂滿密封硅橡膠，防止空氣從縫隙中進入吸油口。待密封膠干燥固化后，運行激光測距器，泵工作時的噪聲依然存在，排除吸入空氣的可能。

2.2.2.2 吸油口處壓力過低

依據(jù)伯努利方程[1]，齒輪泵吸油口處的壓力為：

P=Pa-ρgh--ΔP損 （4）

式中Pa為腔體內(nèi)冷卻液液面壓力，ρ為冷卻液密度，h為齒輪泵吸油口距離冷卻液液面高度，α為動能修正系數(shù)，v為吸油口液體流速，ΔP損為管道總壓力損失。

結(jié)合產(chǎn)品固有設(shè)計，從修理角度對上式分析可知引起該型齒輪泵吸油口處壓力過小，產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象的原因具體如下：（1）吸油口處導(dǎo)管濾網(wǎng)堵塞嚴重導(dǎo)致濾網(wǎng)處壓力損失過大，致使ΔP損增大；（2）冷卻液長期使用變質(zhì)，導(dǎo)致液體黏度增大，致使ΔP損增大；（3）電機轉(zhuǎn)速過高導(dǎo)致吸油口液體流速v增大；（4）腔體內(nèi)冷卻液過少，導(dǎo)致液面高度降低，h增大。

綜合以上幾點原因，將激光測距器冷卻循環(huán)腔體內(nèi)的冷卻液排入量杯中，共有530ml，符合該型激光測距器技術(shù)要求中對冷卻液灌入量的要求，排除原因（4）；更換新的冷卻液與導(dǎo)管濾網(wǎng)，將新冷卻液重新灌入激光測距器中，齒輪泵噪聲故障未消失，排除原因（1）、（2）。該型齒輪泵的驅(qū)動電機額定轉(zhuǎn)速為5600±560r/min，圖5中測量的電機轉(zhuǎn)速在電機額定轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)，因此排除原因（3）。

由于氣穴現(xiàn)象產(chǎn)生的氣泡在高壓區(qū)瞬間被擊破，然后縮小、溶解消失，局部會產(chǎn)生高達150-200MPa的高頻沖擊壓力，并伴隨著局部高溫。這種高頻液壓沖擊可以破壞工作構(gòu)件的金屬表面，產(chǎn)生金屬剝落、麻點等所謂“氣蝕”現(xiàn)象，“氣蝕”現(xiàn)象多表現(xiàn)為金屬表面的海綿狀小洞穴。為進一步確定噪聲來源并徹底排除氣穴對噪聲故障的影響，決定對故障的齒輪泵進行分解。利用銑床將密封的齒輪泵端蓋及隔離套取下，取下互相嚙合的齒輪，檢查泵體內(nèi)部（圖8），可以看到泵體內(nèi)部并無“氣蝕”現(xiàn)象造成的海綿狀小洞穴，因此徹底排除氣穴對于泵內(nèi)噪聲的影響。

2.2.3 齒輪掃膛

進一步對齒輪泵泵體進行檢查，發(fā)現(xiàn)泵體吸油腔從動輪一側(cè)壁上有不規(guī)則劃傷（見圖9），初步判斷為齒輪齒頂長期蹭殼體形成，為進一步確定劃傷形成原因，對齒輪泵工作時齒輪的受力情況進行分析。

齒輪泵工作時，從吸油腔往壓油腔，沿著齒輪旋轉(zhuǎn)方向，隨著油壓逐漸升高，齒頂處的壓力是逐漸升高的（如圖10），因此作用在齒輪上的徑向推力總是把齒輪壓向吸油腔一側(cè)。

由于齒輪傳動力矩的存在，主動齒輪與從動齒輪都都受到徑向不平力，從動齒輪受到的徑向力如圖11所示為與，且∣∣﹥∣∣，從動齒輪受到的徑向力為+，他們分解在x軸上的力方向相同，x軸上合力增加。

主動齒輪受到的徑向力如圖12所示為與，且∣∣﹥∣∣，從動齒輪受到的徑向力為+，他們分解在x軸上的力方向相反，x軸上合力減小。

綜上分析，從動齒輪上的軸承比主動齒輪上的軸承更易磨損，且一旦磨損發(fā)生，從動齒輪更易與吸油腔一側(cè)的泵體內(nèi)壁干涉，發(fā)生掃膛現(xiàn)象。受力分析結(jié)果與圖9中所發(fā)現(xiàn)的劃痕位置基本一致，因此判斷掃膛摩擦發(fā)出無規(guī)則噪聲，是該齒輪泵噪聲故障的主要原因。

3 故障原因確認

該型激光測距器中的冷卻泵中使用了4個C2060092FXT滾動軸承，具體安裝位置如圖12所示，按照故障分析中的結(jié)果，更換從動輪上的2個滾動軸承后重新裝配齒輪泵，采用激光焊接將齒輪泵端蓋及隔離套與泵體之間重新密封。將修復(fù)的齒輪泵重新安裝回激光測距器中，額定工作狀態(tài)下噪聲消失，確認故障為從動輪軸承磨損。

4 總結(jié)

本文中的該型齒輪泵因其扭矩傳遞方式為磁力耦合器，且傳遞扭矩較小，采用了塑料齒輪，相比于傳統(tǒng)齒輪泵，其故障率較低，質(zhì)量可靠。但因本文中的齒輪泵使用年限過長，超出設(shè)計使用壽命，由于齒輪泵固有的徑向不平衡力的特性導(dǎo)致齒輪軸承最先到達壽命極限。在分析該型齒輪泵故障時，不能照搬傳統(tǒng)金屬齒輪泵的故障模式，本文中的故障定位方法提供了一個分析思路，為今后該型齒輪泵的故障定位做一個參考，并建議對后期進廠維修的該型激光測距器冷卻泵單獨進行檢查，更換軸承等壽命件。

參考文獻

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