某型柱塞泵殼體通油孔仿真分析與改進研究

(國營蕪湖機械廠， 安徽蕪湖 241007)

引言

柱塞泵是飛機液壓系統(tǒng)的主要動力部件，具有大流量、高壓力、高精度，對油液污染較敏感等特點。柱塞泵的主要失效形式之一為磨損[1]，異常磨損對柱塞泵的危害巨大，經(jīng)常造成產(chǎn)品報廢，且不可修復。柱塞泵的磨損原因主要為外來物進入造成的污染和自身缺陷造成異常磨損。例如，柱塞泵在工作中長期受到機械振動和流體壓力脈沖的作用，導致機體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疲勞裂紋，而裂紋會導致柱塞泵泄漏，造成供油不足引起內(nèi)部零件的異常磨損。

目前柱塞泵故障研究主要聚焦于轉(zhuǎn)子滑靴的磨損、泄漏，柱塞泵的振動、噪聲、加速壽命等研究[2-6]。在柱塞泵自身缺陷上的分析研究不多，馮超[7]針對某型泵殼體的氣孔缺陷進行研究，經(jīng)過對鑄造工藝的改進消除氣孔缺陷，在實際生產(chǎn)中得到驗證；童章謙等[8]根據(jù)柱塞泵模態(tài)分析結(jié)果，對其殼體的結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化改進，在殼體上部分區(qū)域加厚和增設(shè)加強肋，通過對殼體結(jié)構(gòu)優(yōu)化后發(fā)現(xiàn)，柱塞泵整體固有頻率有一定的提高。

某型飛機柱塞泵經(jīng)使用1200 h后，探傷經(jīng)常發(fā)現(xiàn)柱塞泵殼體通油孔尖角邊緣有裂紋。若不解決裂紋問題，在后續(xù)使用過程，裂紋在殼體內(nèi)高壓力環(huán)境下存在應力集中而疲勞擴大，增加泄漏量，引起功能失效、柱塞泵異常磨損的事故。為保障產(chǎn)品正常使用，減少裂紋斷裂帶來的風險成本，有必要對殼體高壓腔通油孔的受力情況進行分析和改進。本研究模擬裂紋處受力情況，對模型進行有效簡化，對柱塞泵殼體通油孔處進行流固耦合受力分析，根據(jù)分析結(jié)果，給出改進措施并驗證改進的可靠性。由于腔底結(jié)構(gòu)原因，創(chuàng)新的應用電火花技術(shù)完成殼體的切除，對柱塞泵的修理提供很好的應用方案。

1 柱塞泵殼體緩沖腔流固耦合仿真分析

1.1 柱塞泵殼體結(jié)構(gòu)及工作原理

柱塞泵的供壓與卸荷過程主要是在殼體內(nèi)部進行。在工作過程中，內(nèi)部轉(zhuǎn)子柱塞等組件實現(xiàn)吸油、排油過程，柱塞泵殼體作為柱塞泵的主體承載部件，在柱塞泵運轉(zhuǎn)過程主要受機械振動和液壓脈沖，其受載分布較為復雜。9個柱塞組件隨轉(zhuǎn)子運動，這些運動部件的相互作用將會產(chǎn)生復雜的機械振動，特別是在高轉(zhuǎn)速、大壓力情況下，主軸、缸體及柱塞滑靴組件等組成的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)需要完成機械能向液壓能的轉(zhuǎn)換，振動將加劇疲勞裂紋產(chǎn)生的可能[9]。

圖1 柱塞泵殼體

柱塞泵的額定工作壓力為25 MPa，額定流量為220 L/min，采用補償裝置來保證額定壓力的穩(wěn)定，在出口設(shè)有緩沖腔，減少柱塞泵的壓力脈沖影響，殼體內(nèi)部壓力過高時，在回油與進口處設(shè)有卸荷活門進行壓力卸荷。圖1為柱塞泵殼體結(jié)構(gòu)。柱塞泵在工作狀態(tài)時，工作液通過通油孔A進入高壓緩沖腔，減少壓力脈沖對柱塞泵殼體壓力沖擊的影響；通油孔B先后連接至電磁活門和壓力調(diào)節(jié)器分流活門處，進行零流量時的泄壓和壓力大小調(diào)節(jié)。

1.2 柱塞泵殼體緩沖腔仿真分析

本研究基于流固耦合方法完成高壓腔通油孔處受力分析。在結(jié)構(gòu)簡化過程，忽略對分析影響不大的螺紋、小孔及較小圓角，保留原來內(nèi)腔結(jié)構(gòu)尺寸、形狀，根據(jù)高壓緩沖腔最小壁厚原則，將模型進一步簡化，如圖2所示。在腔體內(nèi)部流場型與三通壓力管道模型相似，在受力分析時只需考慮內(nèi)部的流體部分，腔體開口處用鋁制堵蓋密封，根據(jù)堵蓋的實際止動位置模擬實際腔內(nèi)液壓油流動的邊界位置。

圖2 緩沖腔的簡化與內(nèi)部流體

選擇流體介質(zhì)為15號航空液壓油，其屬性為動力黏度15 mm2/s，密度834 kg/m3；殼體材料為ZL101A，其密度為2680 kg/m3，泊松比為0.33，初始屈服應力為215 MPa，剪切應力270 MPa。實際工作狀態(tài)中，介質(zhì)具有壓力脈沖，對殼體具有一定的危害影響，但考慮到計算量，這里不考慮壓力的脈動影響，在介質(zhì)壓力為25 MPa時，其內(nèi)部速度場分布如圖3所示，可以看出，在工作狀態(tài)，流速在通油孔A和B(出口邊界)位置速度急速增加，流體對殼體通油孔A和B處的液壓沖擊遠大于其他部位。

圖3 緩沖腔內(nèi)部流場分布

圖4為流體界面壓力云圖，流體介質(zhì)將壓力傳遞給殼體，在通油孔A和B邊緣尖角為應力巨變，容易產(chǎn)生疲勞和變形。圖5～圖7分別給出了有限元分析得到的殼體應力和變形云圖，可以看出，殼體在額定壓力運行時，緩沖腔最大等效應力在通油孔A處為209.89 MPa，最大等效應變也在通油孔A處，其變形主要為順流方向拉伸，位置與裂紋經(jīng)常出現(xiàn)部位相一致。其主要原因為液壓脈動沖擊導致通油孔A處受力集中，長時間沖擊振動產(chǎn)生疲勞裂紋。因此為了防止裂紋斷裂進入柱塞泵內(nèi)部，造成磨損，并減少裂紋對結(jié)構(gòu)強度的危害，有必要將尖角部位進行切除，減少應力集中。

圖4 緩沖腔內(nèi)部流體壓力分布

圖5 緩沖腔結(jié)構(gòu)應力

圖6 緩沖腔結(jié)構(gòu)變形

圖7 通油孔A和B處應力云圖

2 緩沖腔通油孔部位的改進設(shè)計

2.1 緩沖腔通油孔部位切除設(shè)計

帶載工作時，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)主要是把機械能轉(zhuǎn)換成液壓能，產(chǎn)生振動且振動會沿著多條路徑傳遞，傳遞的路徑與各零部件的質(zhì)量、剛度以及之間的約束參數(shù)直接相關(guān)[10]。通過切割通油孔的形式可以改變這種約束參數(shù)。如圖8所示是通油孔A和B的尺寸關(guān)系，要求通油孔切除后開口要盡量減少流阻、減少應力集中并且不影響結(jié)構(gòu)總體強度?？紤]電火花切割加工難度，規(guī)定橫向切除范圍與孔直徑一致，縱向切除截面按圖9a要求，切除后模型如圖9b所示。

圖8 通油孔A和B尺寸關(guān)系

圖9 通油孔切除設(shè)計

根據(jù)實際切割后探傷結(jié)果顯示，大多數(shù)柱塞泵A孔裂紋的切除深度在5 mm時可以完全排除，B孔裂紋切除深度在2 mm時可以完全排除，切除后要保證孔兩側(cè)圓滑過渡。本研究論證以下兩種情況：無裂紋情況下，按a線切除的合理性；有裂紋情況下，按b線切除，A孔切除深度5 mm，B孔切除深度2 mm的可行性。

2.2 切除后結(jié)構(gòu)仿真分析

采用與切除前相同方法進行流固耦合分析其強度與變形情況，可以看出應力集中部分的應力和應變明顯降低。沿a線切除后最大應力部位在進油口處為146.88 MPa，最大應力值相比切割前減少63 MPa，最大應力在B通油孔口交變處，主要為邊緣應力集中所致，可以通過過渡邊緣減少。沿b線切除后最大應力部位在進油口處為151.76 MPa，且最大應力值相比切割前減少58.13 MPa，A通油孔最大應力為130.03 MPa，B通油孔最大應力在86.62 MPa左右，通過對比可以發(fā)現(xiàn)切除后應力集中情況得到有效消除。對比a,b兩種切割方式后的結(jié)果可以看出，沿a電火花切割比沿b電火花切割更能消除尖角應力集中情況，可見，對于無裂紋情況下，沿a線切除具有可行性。對于結(jié)構(gòu)變形，a,b兩種切割方式下所產(chǎn)生的最大變形量位置均由原來的尖角處轉(zhuǎn)移到腔體頂部，符合變形特征。

圖10 沿a線切除緩沖腔結(jié)構(gòu)應力與變形云圖

圖11 沿a線切除通油孔A和B處應力云圖

圖13 沿b線切除通油孔A和B處應力云圖

3 切除后柱塞泵試驗驗證

根據(jù)GJB 3849-1999《飛機液壓作動筒、閥、壓力容器脈沖試驗要求和方法》通用液壓系統(tǒng)作動筒、閥、壓力容器試驗要求，按水錘壓力脈動波形進行脈沖試驗[11]。選取1#件殼體有裂紋未切除，2#件殼體有裂紋切除進行脈沖試驗。試驗時封堵通回油的油路，僅對高壓腔供壓，試驗結(jié)果如圖14、圖15所示。

圖14 1#殼體試驗后裂紋

圖15 2#殼體試驗后裂紋

1#件殼體試驗后裂紋繼續(xù)擴展，2#僅有一處劃傷裂紋不屬于脈動試驗造成，其原裂紋處未發(fā)現(xiàn)裂紋。脈沖試驗確定經(jīng)切割改進后的通油孔比沒有改進的通油孔力學性能穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)裂紋，說明切割通油孔的方法安全可靠，可以作為工程上應用。

在柱塞泵修理過程，切割如圖16所示。經(jīng)過一個翻修期驗證，在下一次階段修理過程沒有裂紋出現(xiàn)，說明該方法可以改善受力情況，減少修理風險。

圖16 殼體切除后形狀

4 結(jié)論

根據(jù)柱塞泵殼體高壓緩沖腔的通油孔邊緣裂紋故障，結(jié)合殼體工作狀態(tài)與實際結(jié)構(gòu)，對殼體結(jié)構(gòu)進一步簡化成流體計算模型和有限元分析模型，通過流固耦合分析可以看出，殼體高壓緩沖腔的通油孔處應力集中比較明顯，最大應力約為210 MPa，尖角處為最大變形處，與實際裂紋位置情況相一致。對殼體初次探傷無裂紋情況，進行a方式切除后最大應力約為110 MPa；對于初次探傷有裂紋情況，進行b方式切除后，明顯改善了殼體受力，出油孔處變形量均勻，最大應變處轉(zhuǎn)移至緩沖腔頂部，最大應力約為130 MPa，且最大應變量均轉(zhuǎn)移到頂部。通過壓力脈沖試驗證明切割效果明顯，與仿真分析一致，可以作為產(chǎn)品修理依據(jù)進行改進應用。

綜上可以得出結(jié)論：柱塞泵殼體通過電火花切割切除通油孔尖角，使得通油孔處應力集中得到明顯消除，減少了該處裂紋出現(xiàn)的可能，降低了柱塞泵故障隱患，達到了改進目的，論證了該方法的可行性。對于原殼體未發(fā)現(xiàn)裂紋情況，可以沿a線切除減少應力集中；對于原殼體有裂紋情況可以沿b線切除排除裂紋。