某型飛機(jī)液壓柱塞泵柱塞磨損失效分析

李永龍，張 峰，管博文

(國營蕪湖機(jī)械廠 機(jī)電部，安徽 蕪湖 241007)

0 引言

某型飛機(jī)液壓柱塞泵是液壓系統(tǒng)動(dòng)力源的主要組成部分，具有大流量、高壓力、高精度，對油液污染比較敏感等特性。液壓柱塞泵殼體內(nèi)的轉(zhuǎn)子端面與分油盤、滑靴與止推墊圈為關(guān)鍵摩擦副[1]，零件在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中承受交變應(yīng)力、沖擊載荷和表面摩擦磨損[2]，發(fā)揮著傳力、密封、潤滑、散熱的作用[3]，所受工況比較復(fù)雜。影響柱塞泵壽命的主要失效形式包括磨損、疲勞和老化[4]，其中，轉(zhuǎn)子、柱塞滑靴的端面是磨損失效中最常見部位。本文主要針對柱塞泵柱塞的一次異常磨損進(jìn)行失效分析。

1 故障失效分析

1.1 故障現(xiàn)象

某架飛機(jī)在外場試車時(shí)，液壓系統(tǒng)壓力從28 MPa急速下降到22 MPa，在緊急停車后，檢查飛機(jī)液壓系統(tǒng)壓力下降原因，判定為液壓泵失效故障，分解檢查液壓泵殼體回油，發(fā)現(xiàn)濾杯內(nèi)有金屬屑。液壓泵返廠后取工作液化驗(yàn)，符合GJB420B6級要求，分解后發(fā)現(xiàn)殼體內(nèi)有大量金屬屑，目視檢查認(rèn)為是銅屑，液壓泵底部分流活門(分油盤)有明顯粘銅磨損痕跡，轉(zhuǎn)子端面有部分磨損；九個(gè)柱塞滑靴座端面損傷嚴(yán)重，滑靴表面銅層嚴(yán)重變形、部分剝落?？ūP、壓板具有明顯受壓磨損現(xiàn)象。

1.2 宏觀觀察

選取三根磨損嚴(yán)重的柱塞組件(編號A、B、C)檢查，損傷的柱塞如圖1。柱塞外徑表面整體光亮，無明顯劃傷，在頭、中、尾部分別存在三道摩擦痕跡，兩端摩擦帶顏色較深，中間摩擦帶較光亮。

圖1損傷的柱塞

滑靴端面鍍層仍可見，其中的一個(gè)滑靴(A)端面銅層出現(xiàn)三分之一面積剝落，剝落集中在一側(cè)，但中心部位完好；其余兩件銅層基本完整，僅局部缺損；所有滑靴端面銅層表面有大量同心周向裂紋，越向外裂紋越明顯，滑靴邊緣部位銅層已延伸出滑靴外徑，三件滑靴中心磨損相對較輕，呈銅黃色，周邊損傷相對較重,是比較明顯的敲擊后狀態(tài)。

1.3 微觀形貌與能譜分析

A滑靴的銅層表面密布周向細(xì)小裂紋，外側(cè)變形大、裂紋連續(xù)綿長，邊緣小的銅層脫落斷面呈徑向剪切摩擦特征[5-6]；成片脫落的銅層斷面可見平行的溝槽狀特征，其表面非常光滑，無明顯斷裂特征，表面摩擦痕跡也不明顯，滑靴端面磨損圖如圖2。

對其表面元素進(jìn)行能譜分析[7-8]，均為銅合金和鍍層元素，成片狀剝落區(qū)表面Fe、Ni含量較高，說明斷裂接近于銅層與基體過渡區(qū)。同樣B、C滑靴的銅層表面也是密布周向裂紋，外側(cè)裂紋較大，銅層向外徑方向剪切斷裂，斷面無明顯斷裂特征，僅可見纖維狀起伏斷面，整個(gè)端面未見類似A滑靴的大面積剝落和平行溝槽。銅層表面、鑲嵌物、斷面及壓坑表面均為銅合金和鍍層元素，未見異常物質(zhì)。

圖2 滑靴端面磨損圖

將A、B滑靴軸向剖開磨拋后進(jìn)行觀察，A滑靴的銅層除了大片剝落外，靠近邊緣還可見由表面向界面延伸的大裂紋，有材料從中心向邊緣擠壓的明顯痕跡，大片剝落區(qū)斷面基本位于基體與銅層交界處；在滑靴與卡盤配合的圓周面下側(cè)，宏觀觀察光亮環(huán)帶的部位可見金屬向下卷積，滑靴軸向剖面1如圖3。B滑靴未見靠近銅層與基體界面的裂紋，在滑靴與卡盤配合的圓周面下側(cè)，宏觀觀察到光亮環(huán)帶的部位同樣可見金屬向下卷積，滑靴軸向剖面2如圖4。

圖3 滑靴軸向剖面1

圖4 滑靴軸向剖面2

對銅層損傷情況及界面進(jìn)行高倍觀察，在銅層表面可見因摩擦形成的表面斜裂紋，大部分裂紋較淺，靠近滑靴邊緣銅層可見剪切變形，形成宏觀裂紋和內(nèi)部孔洞，銅層表面及裂紋如圖5。

圖5 銅層表面及裂紋

成片剝落區(qū)銅層大部分沿靠近基體界面處斷裂分離，僅有少量銅層殘留。銅層與基體界面可見較多島狀灰色相，能譜顯示灰色相中Fe、Ni、P含量較高，應(yīng)為基體向銅層擴(kuò)展形成的。在該擴(kuò)散區(qū)內(nèi)，沿著界面斷續(xù)分布大量線狀暗線，暗線曲折、寬窄不一，分布區(qū)域與成片脫落部位基本一致。能譜分析表明，線狀區(qū)以銅合金元素為主，還存在Si、Mn、Fe、Ni及C、O元素。

侵蝕后觀察銅層及界面組織，銅層為正常鑄態(tài)組織[9-10]，界面處可見互擴(kuò)散特征，黑色線狀缺陷附近組織未見異常，圓周面下側(cè)光亮磨損帶處鍍層消失，基體表層金屬向下剪切變形，說明該處受到了劇烈的敲擊和摩擦作用，滑靴基體組織正常，侵蝕后銅層及界面如圖6。

B滑靴銅層表面也可見斜裂紋和表層變形，界面處僅可見零星小孔洞，未見黑色線狀缺陷；界面處島狀灰色相明顯少于A滑靴?；ハ露嗣媾c圓周面鍍層仍較完整，與A滑靴相同，B滑靴在轉(zhuǎn)角處也存在明顯周向裂紋，裂紋較平直；在圓周面光亮磨損帶處鍍層磨損，金屬卷積。侵蝕后進(jìn)行觀察，銅層為正常鑄造組織，界面可見互擴(kuò)散特征。

由于上述地緣環(huán)境的影響，盡管中越文化因歷史淵源而形成了諸多相通或相似之處，但如今越南對中國文化的傳播卻持有一定的警惕態(tài)度。如2010年中越合拍的歷史劇《李公蘊(yùn)：到升龍城之路》就因越南影視審查部門認(rèn)為風(fēng)格“太中國化”而被取消播出；2014年，越南文化部又向全國各地發(fā)出公函，建議從古跡和宗教場所等地移除中國造型的石獅子，替換成具有本土風(fēng)格的靈物雕像。

圖6 侵蝕后銅層及界面

1.4 金相分析

將A、B滑靴根部轉(zhuǎn)角處裂紋部分打開進(jìn)行微觀觀察，裂紋斷面平整，斷面呈淡黃色，與人為打斷的銀灰色不同[11]；每個(gè)滑靴的裂紋擴(kuò)展深度均勻，A滑靴裂紋深度大于B滑靴；在掃描電鏡下觀察，滑靴斷面表面摩擦痕跡明顯，隱約可見疲勞特征，相對來講A滑靴裂紋斷面相對B平坦，滑靴根部轉(zhuǎn)角裂紋斷面形貌如圖7。

圖7 滑靴根部轉(zhuǎn)角裂紋斷面形貌

2 討論與分析

2.1 檢查結(jié)果

通過對柱塞及滑靴進(jìn)行分析，得出如下主要結(jié)果：

(1)滑靴表面銅層磨損變形嚴(yán)重，但僅A樣出現(xiàn)大片銅層脫落，其它樣品僅有零星剝離。

(2)滑靴表面銅層周邊擠壓磨損嚴(yán)重，多周向微裂紋，邊緣剝離呈徑向撕裂特征。

(3)滑靴與卡盤配合的圓周面大部分完好，磨損輕微，但下部存在明顯摩損環(huán)帶，基體裸露，向下卷積變形。

(4)滑靴圓周面根部轉(zhuǎn)角處均存在周向裂紋，裂紋表面輕微氧化，具有疲勞特征。

(5)滑靴表面及剝落區(qū)除C、O外，均為銅合金和鍍層元素，剝落區(qū)Fe、Ni含量較高，O含量高于未剝落表面。

(7)滑靴表面銅層與基體界面處可見互擴(kuò)散特征，A滑靴互擴(kuò)散較B明顯，且A界面處可見大量線狀缺陷，B僅可見個(gè)別孔洞。

2.2 磨損分析

檢查結(jié)果中存在多處磨損現(xiàn)象，總體有以下特點(diǎn)：

(1)滑靴表面銅層損傷總體表現(xiàn)為：擠壓變形、軸向撕裂、表層剪切、局部脫落，這種損傷短時(shí)間發(fā)生的起因應(yīng)與軸向接觸應(yīng)力過高有關(guān)。

(2)卡盤與壓板之間接觸面的異常磨損應(yīng)主要與軸向壓力過高有關(guān)，滑靴脫落和磨損產(chǎn)物可能加速該磨損過程。

(3)柱塞體表面可見多條磨損帶，但此類現(xiàn)象在柱塞泵中較為常見，這種痕跡應(yīng)不會(huì)直接導(dǎo)致此次故障的發(fā)生。轉(zhuǎn)子部件運(yùn)轉(zhuǎn)不良、磨損中出現(xiàn)細(xì)小碎屑可能加劇此類特征出現(xiàn)。

(4)滑靴圓周面根部轉(zhuǎn)角出現(xiàn)疲勞裂紋，可能與轉(zhuǎn)子相關(guān)部件嚴(yán)重磨損后應(yīng)力增大有關(guān)。

由上可見，轉(zhuǎn)子各部件的損傷原因從表面看均集中于軸向接觸應(yīng)力(壓力)大，金屬屑和運(yùn)轉(zhuǎn)不良可能加劇上述損傷過程。通過對滑靴的檢查發(fā)現(xiàn)，銅層靠近表面存在剪切變形，表面局部出現(xiàn)斜裂紋，且表層裂紋走向逐漸與表面平行，最終可能引起銅層表層撕裂脫離，這與壓力過大，摩擦力增加，導(dǎo)致銅層材料向外延伸相符，三個(gè)滑靴零星剝落區(qū)同樣表現(xiàn)出了該失效形式。

檢查發(fā)現(xiàn)，A滑靴銅層損傷形式與其它滑靴有顯著不同，該滑靴銅層出現(xiàn)了大面積成片剝離，而銅層斷裂區(qū)位于其與鋼質(zhì)基體交界處，這與表面摩擦剪切應(yīng)力較大不符，此類現(xiàn)象在液壓泵故障中極為少見。此外，剝離區(qū)表面可見極為規(guī)則的平行溝槽特征，這是銅層沿近基體加工表面分離的宏觀表現(xiàn)，說明A滑靴銅層界面處結(jié)合力相對薄弱。微觀檢查發(fā)現(xiàn)，在A滑靴界面擴(kuò)散層發(fā)現(xiàn)了大量斷續(xù)的線狀缺陷，而B滑靴則未見此類缺陷。截面上的線狀缺陷是界面處面狀缺陷的截面顯示，較多的面狀缺陷存在，必然降低銅層整體的結(jié)合強(qiáng)度，使其更易發(fā)生成片剝離失效，由此判斷，A滑靴銅層脫落應(yīng)與界面處存在大量線狀和氣泡狀(剖面顯示)缺陷有關(guān)。

能譜分析結(jié)果顯示，A滑靴的線狀缺陷內(nèi)檢測到了C、O、P、Si等異常元素，這與擴(kuò)散焊前的滑靴銅層基體組織材料質(zhì)量不佳有關(guān)，原始污染物來源于A滑靴銅層表面材料的脫落。

3 柱塞軸向受力異常的原因分析

柱塞組合在柱塞泵中主要運(yùn)動(dòng)形式有三種，一是隨著轉(zhuǎn)子圍繞轉(zhuǎn)軸作圓周運(yùn)動(dòng)，二是在作圓周運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，由于斜盤和滑靴的作用，柱塞在轉(zhuǎn)子中作軸向運(yùn)動(dòng)，吸入低壓油，壓入高壓腔；三是在做軸向運(yùn)動(dòng)和圓周運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，柱塞在滑靴與斜盤的作用下，繞柱塞軸線作圓周運(yùn)動(dòng)(或運(yùn)動(dòng)趨勢)?；プ顒?dòng)安裝在斜盤組合中，正常情況下，滑靴座在斜盤組合中的軸向活動(dòng)間隙為0.08～0.14 mm，滑靴端面間隙如圖8，既可以滿足滑靴端面與止推墊圈之間動(dòng)態(tài)油膜[12-13]的形成，也不會(huì)因間隙過大引起滑靴端面對止推墊圈的沖擊。

圖8滑靴端面間隙

滑靴表面及附近的工作液在離心力作用下，通過夾緊墊圈與隔離器之間的間隙向外流動(dòng)，處于吸油位置的隔離器與夾緊墊圈會(huì)產(chǎn)生互相摩擦，當(dāng)滑靴端面與止推墊圈之間工作液被污染時(shí)，滑靴端面與止推墊圈之間動(dòng)態(tài)油膜遭到破壞，使接觸部位產(chǎn)生磨損，磨損的生成物部分會(huì)進(jìn)入其它摩擦面，造成更大的磨損，隨著滑靴端面和夾緊墊圈與隔離器的磨損，夾緊墊圈與隔離器之間的間隙增大，滑靴的軸向活動(dòng)間隙隨之增大，滑靴對止推墊圈與隔離器產(chǎn)生沖擊，滑靴端面的銅層在沖擊作用下沿中心向外延伸，破壞銅層組織，撕裂銅層，有缺陷的銅層在沖擊力作用下失效，銅層材料自身缺陷使得銅層在延伸的同時(shí)從雙金屬焊[14-15]界面脫落，部分掉塊，加劇夾緊墊圈與隔離器之間的磨損。

4 液壓柱塞泵修理的改進(jìn)與預(yù)防措施

(1)對柱塞及轉(zhuǎn)子銅層端面進(jìn)行CT掃描，不允許銅層材料內(nèi)部有缺陷存在。

(2)對柱塞及轉(zhuǎn)子端面的雙金屬焊進(jìn)行檢查，利用工業(yè)CT掃描，形成三維圖像，當(dāng)焊接界面松孔直徑大于0.35 mm時(shí)不允許使用。

(3)對液壓油泵試驗(yàn)工作狀態(tài)進(jìn)行在線監(jiān)控，通過油液污染及時(shí)掌控液壓油泵的磨損情況。

(4)加強(qiáng)對轉(zhuǎn)子等雙金屬焊的無損檢測，對于雙金屬焊材料原始缺陷比較大，對于銅層內(nèi)部明顯有夾渣的采取措施控制。

(5)斜盤傾角，彈簧預(yù)緊力影響滑靴摩擦副的受力，滑靴卡盤與球頭之間摩擦功耗隨著柱塞泵的彈簧力、泵的旋轉(zhuǎn)角速度以及斜盤傾角等參數(shù)的增加而增大。裝配時(shí)將斜盤傾角和預(yù)緊力控制在下限，在保證性能的同時(shí)，延長柱塞泵的使用壽命。

(6)控制滑靴與止推墊圈之間的間隙，在裝配時(shí)將滑靴與止推墊圈之間間隙控制在允許的下線，可以提高柱塞泵的抗污染能力。