高壓軸向柱塞泵缸體銅層發(fā)黑探究

湯和榮，李正祥，孫珍菊

（江蘇匯智高端工程機(jī)械創(chuàng)新中心有限公司，江蘇 徐州 221000）

高壓軸向柱塞泵進(jìn)行臺(tái)架性能測(cè)試后，拆解檢查發(fā)現(xiàn)，缸體配流球面銅層出現(xiàn)非正常發(fā)黑，如圖1所示。

圖1 拆解圖

該產(chǎn)品的額定壓力為350bar，額定轉(zhuǎn)速為1800rpm，試驗(yàn)時(shí)均按額定工況進(jìn)行測(cè)試，產(chǎn)品工況極為嚴(yán)苛。

1 表面發(fā)黑原因分析

經(jīng)對(duì)發(fā)黑的銅層表面進(jìn)行仔細(xì)觀察分析，推斷發(fā)黑層是銅層表面上的液壓油由于受高溫后碳化沉積所至。

可能引起缸體銅層表面發(fā)黑的主要原因有以下三種：缸體與配流盤材料不匹配；缸體與配流盤的表面粗糙度和形狀尺寸精度過低；缸體與配流盤間的壓緊力系數(shù)不合理?，F(xiàn)對(duì)以上列出可能引起發(fā)黑的原因逐一進(jìn)行分析驗(yàn)證。

1.1 缸體與配流盤材料不匹配

缸體與配流盤的配對(duì)選型如果不匹配，使用過程中會(huì)出現(xiàn)下列情況：配流盤表面的碳原子在電化學(xué)力的作用下，會(huì)脫離配流盤材料分子間的引力約束，向缸體銅層表面進(jìn)行轉(zhuǎn)移和聚集；缸體銅層材料自身的碳原子在電化學(xué)力的作用下也會(huì)脫離分子間的引力向表面析出。

上述兩因素最終導(dǎo)致碳原子在銅層表面聚集，形成發(fā)黑層。

該型產(chǎn)品上的配流盤和缸體配流副的材料分別為38CrMoALA和20CrMo-bronze銅合金，該對(duì)材料組合在其它同等壓力等級(jí)的柱塞泵產(chǎn)品上已進(jìn)行了批量投產(chǎn)驗(yàn)證，產(chǎn)品售后并無(wú)上所述的缸體銅層發(fā)黑現(xiàn)象反饋。同時(shí)，該對(duì)摩擦副材料組合也是國(guó)內(nèi)外其它柱塞泵生產(chǎn)廠商常用的材料。所以，缸體與配流盤材料不匹配引起發(fā)黑的原因不能成立。

1.2 缸體與配流盤的配流副表面粗糙度及形狀尺寸精度過低

經(jīng)查，該對(duì)摩擦副試驗(yàn)前、后缸體和配流盤表面的粗糙度值及形狀公差值檢測(cè)值如表1所示：

表1 缸體、配流盤檢測(cè)值

上表內(nèi)各零件表面粗糙度及形狀尺寸檢測(cè)值符合產(chǎn)品圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求。

同時(shí)，其它型號(hào)柱塞泵產(chǎn)品的缸體和配流盤表面的終序粗糙度及形狀尺寸檢測(cè)值也與上表中的試驗(yàn)前的檢測(cè)值處于同一水平，且進(jìn)入市場(chǎng)的柱塞泵產(chǎn)品售后無(wú)上述圖1所示的缸體銅層發(fā)黑現(xiàn)象反饋。

另外，通過對(duì)力士樂A11VO145和林德HPV125等柱塞泵缸體和配流盤表面粗糙度及形狀尺寸值進(jìn)行測(cè)量作橫向比較發(fā)現(xiàn)，我們的缸體和配流盤試驗(yàn)后的粗糙度值和形狀尺寸值與其處于同一水平。

所以，此處因缸體與配流盤的配流副表面粗糙度及形狀尺寸精度過低造成銅層表面發(fā)黑的原因也不能成立。

1.3 缸體與配流盤間的壓緊力系數(shù)不合理

該產(chǎn)品中此配流副采用球面配流，按剩余壓緊力法進(jìn)行設(shè)計(jì)，即缸體在液壓力的作用力下壓向配流盤的力略大于缸體與配流盤間油膜在液壓力的作用下產(chǎn)生的支承反力，兩力的比值即為缸體與配流盤間的壓緊力系數(shù)，工程應(yīng)用上推薦的合理壓緊力系數(shù)一般取：ε=1.05-1.13。此系數(shù)值的計(jì)算過程如下：

（1）缸體軸向壓緊力合力Fy

式中：z-柱塞個(gè)數(shù)；d-柱塞直徑；pd-泵出口壓力；k-中心彈簧彈簧剛度；Δl-中心彈簧預(yù)壓縮量；E-彈性模量；μ-泊松比；t-碟簧厚度；D-碟簧外徑；d1-碟簧內(nèi)徑；f-單片碟簧的變形量；h0-碟簧壓平時(shí)變形量的計(jì)算值；k4-無(wú)支承面的碟簧k4=1。

（2）缸體與配流盤間液壓支承反力

將上式整理后可得出的計(jì)算公式如下：

式中：φ-由配流盤的腰形配流窗口和缸體端面的小腰形窗口共同形的高壓區(qū)包角，以rad為單位；R1、R2、R3、R4-配流盤內(nèi)、外密封帶半徑；Pd-泵出口壓力。

（3）設(shè)計(jì)壓緊力系數(shù)ε計(jì)算式如下：

通過對(duì)配流副的壓緊力系數(shù)進(jìn)行驗(yàn)算，產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)為了減小泄漏量，此壓緊力系數(shù)是按推薦值的上限進(jìn)行選取。如果考慮零件加工誤差，此系數(shù)超過推薦值上限的可能性極大。

基于此，對(duì)配流盤的內(nèi)、外密封帶尺寸進(jìn)行了檢查和復(fù)測(cè)，經(jīng)檢測(cè)，配流盤內(nèi)、外密封帶尺寸測(cè)量值符合圖紙要求，但內(nèi)、外密封帶上的銳邊未按圖紙要求進(jìn)行處理，只是進(jìn)行了簡(jiǎn)單的倒圓角，圓角數(shù)值約為R0.5，如考慮圓角尺寸，實(shí)際內(nèi)、外密封帶寬度比設(shè)計(jì)值減少了約0.35mm，遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)值要求的密封帶寬度。

從上面的計(jì)算可知，缸體與配流盤間的液壓支承反力與配流盤的內(nèi)、外密封帶半徑尺寸成平方關(guān)系，即內(nèi)、外密封帶半徑尺寸的變化會(huì)對(duì)支承反力產(chǎn)生極大的影響。

圖2給出了配流副的原設(shè)計(jì)壓緊力系數(shù)和倒圓角后的壓緊力系數(shù)及重新調(diào)整后的壓緊力系數(shù)曲線圖。

圖2 壓緊力系數(shù)曲線圖

通過上面的壓緊力系數(shù)曲線圖分析可知，造成缸體銅層發(fā)黑的原因可能是，配流盤實(shí)際密封帶尺寸小于設(shè)計(jì)尺寸致使副流副壓緊力系數(shù)過大，缸體與配流盤間的液壓支承反力不能將缸體和配流盤推開并維持合理的間隙值，使缸體和配流盤工作時(shí)此摩擦副界于液體摩擦和邊界摩擦之間。

2 驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述因倒圓角后缸體與配流盤間的壓緊力系數(shù)過大引起的缸體銅層發(fā)黑，重新設(shè)計(jì)了新的配流盤，將原設(shè)計(jì)的壓緊力系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，并對(duì)加工過程中密封帶銳邊倒角尺寸進(jìn)行嚴(yán)格控制，新配流盤測(cè)試，產(chǎn)品的各項(xiàng)性能參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求，拆解檢查，缸體銅層表面發(fā)黑現(xiàn)象消失，如圖3所示。

圖3 調(diào)整壓緊力系數(shù)后測(cè)試拆解圖

3 結(jié)語(yǔ)

缸體和配流盤屬于柱塞泵的三大摩擦副之一，其材料選型匹配，表面加工精度，壓緊力系數(shù)等將直接影響柱塞泵的使用性能和壽命。因此，該摩擦副設(shè)計(jì)時(shí)必須謹(jǐn)慎，特別是壓緊力系數(shù)的選取必須充分考慮其零件的加工誤差和邊角處理工藝的影響。