柱塞泵活門卡圈微動(dòng)疲勞斷裂分析與改進(jìn)

(國(guó)營(yíng)蕪湖機(jī)械廠， 安徽 蕪湖 241007)

引言

目前國(guó)內(nèi)航空液壓柱塞泵多采用高壓、大流量、高精度，壓力可調(diào)式[1]。液壓柱塞泵內(nèi)部磨損對(duì)飛機(jī)液壓系統(tǒng)的危害很大，嚴(yán)重時(shí)造成液壓系統(tǒng)污染，影響飛機(jī)液壓系統(tǒng)功能可靠性。某航空液壓柱塞泵在使用過(guò)程發(fā)現(xiàn)回油濾內(nèi)部有大量金屬雜質(zhì)，判定為液壓柱塞泵內(nèi)部有磨損。如圖1所示，通過(guò)分解檢查發(fā)現(xiàn)，液壓柱塞泵殼體內(nèi)安全活門處卡圈斷裂引起部分零件磨損。對(duì)斷裂卡圈進(jìn)行斷口微觀形貌分析發(fā)現(xiàn)具有明顯的疲勞韌帶，針對(duì)活門處的結(jié)構(gòu)形式對(duì)卡圈處的受力情況進(jìn)行分析，驗(yàn)證了卡圈微動(dòng)疲勞斷裂的原因。

目前液壓柱塞泵的研究主要集中在三大摩擦副、軸承等關(guān)鍵零件[2-5]，以及液壓柱塞泵的健康診斷和壽命研究上[6-8]，但針對(duì)液壓柱塞泵內(nèi)部振動(dòng)形式，微動(dòng)疲勞等研究較少。本研究根據(jù)安全活門處的卡圈斷裂故障分析其疲勞斷裂機(jī)理，并制定相應(yīng)的改進(jìn)措施，為后期的液壓柱塞泵修理改進(jìn)提供應(yīng)用參考。

圖1 卡圈斷裂情況

1 液壓柱塞泵安全活門裝配關(guān)系及工作原理

如圖2所示為某液壓柱塞泵安全活門處零件裝配關(guān)系圖，對(duì)應(yīng)零件分別為卡圈、墊圈、活門座、活門頂桿、彈簧、定位銷。安全活門主要起卸壓穩(wěn)定作用，當(dāng)柱塞泵殼體回油流阻過(guò)大，導(dǎo)致柱塞泵內(nèi)部回油壓力上升，回油壓力超過(guò)安全活門打開壓力0.9～1.0 MPa時(shí)，活門打開卸壓，此時(shí)活門頂桿壓縮彈簧。為方便卡圈的安裝拆卸，設(shè)計(jì)上卡圈間隙給定0.05～0.15 mm余量。

圖2 安全活門處零件安裝情況

卡圈在活門處的運(yùn)動(dòng)情況，存在一種情況：活門處于關(guān)閉狀態(tài)，接觸形式為卡圈與墊圈，墊圈與活門座接觸，但相互之間無(wú)作用力，此時(shí)卡圈處于卡圈槽上端，卡圈處于靜力平衡狀態(tài)；當(dāng)壓力接近開啟壓力時(shí)，活門座密封圈有微動(dòng)下降達(dá)到平衡狀態(tài)；當(dāng)壓力降低時(shí)，活門座在密封圈彈力和彈簧力作用下回彈，活門座頂著卡圈撞擊卡圈槽。活門在打開與關(guān)閉過(guò)程對(duì)卡圈和墊圈有相對(duì)微動(dòng)沖擊作用。

當(dāng)殼體回油壓力持續(xù)上升后，活門頂桿被擠壓打開；活門開啟狀態(tài)時(shí)，液壓油卸荷壓力快速下降，活門頂桿快速回彈撞擊活門座，活門座帶動(dòng)墊圈與卡圈撞擊卡圈槽上端。綜上所述，無(wú)論活門處于開啟還是關(guān)閉狀態(tài)，只要活門座被向下擠壓，在壓力減小時(shí)活門座都有向上微動(dòng)，帶動(dòng)卡圈撞擊殼體。

2 卡圈斷面微觀形貌分析

殼體內(nèi)部其他零件表面正常無(wú)磨損痕跡，表明該活門處無(wú)卡滯等異常情況使卡圈斷裂。如圖3所示，對(duì)比斷裂卡圈與正常使用的卡圈，發(fā)現(xiàn)斷裂卡圈與卡槽接觸面外側(cè)形成一圈亮銀色痕跡，痕跡寬度在0.37 mm 左右，為工作過(guò)程中與卡槽碰擦形成。檢查墊圈與卡圈接觸面磨損程度明顯大于與活門座接觸側(cè)，表明液壓柱塞泵在工作過(guò)程調(diào)整墊圈有運(yùn)動(dòng)且與卡圈有撞擊磨損，卡圈與卡槽部端面有撞擊磨損。

圖3 斷裂卡圈與正?？ㄈ?duì)比

對(duì)卡圈斷口進(jìn)行微觀形貌觀察，斷面平整，棱線收斂于左下角，如圖4所示，指示部位為擋圈內(nèi)側(cè)與卡槽接觸位置。同時(shí)，該處內(nèi)側(cè)邊角位置存在兩處弧形損傷，面積較小。

圖4 斷裂卡圈斷口形狀

如圖5所示整個(gè)斷面平整，右下角位置部分區(qū)域有磨損痕跡，且該處邊角位置材料“內(nèi)翻”，為材料擠壓或摩擦過(guò)程中造成的。如圖6所示，挑選斷面中部位置區(qū)域觀察微觀形貌，可觀察到形貌解理特征，高倍仍可見疲勞條帶特征。從疲勞條帶方向可推斷出疲勞源區(qū)位于整個(gè)斷面右下角，即內(nèi)側(cè)邊角處，該處為源區(qū)且斷面源區(qū)附近微觀形貌呈解理斷面形貌，可見短小疲勞條帶。

圖5 斷裂卡圈斷口微觀形狀

圖6 斷裂卡圈斷口中間區(qū)域微觀形狀

卡圈斷口具有明顯的疲勞特征，可以判定其斷裂形式為疲勞斷裂，關(guān)于疲勞斷裂的原因需要通過(guò)受力分析驗(yàn)證分析。

3 卡圈受力分析與驗(yàn)證

3.1 卡圈的受力計(jì)算

安全活門處配合部位的相關(guān)尺寸示意如圖7所示。

圖7 安全活門處各尺寸示意

活門上液壓力作用面積為Sh，即實(shí)際情況中活門座上油孔面積；在活門未打開狀態(tài)，液壓作用在活門座上的有效面積為Stt：

式中，Dh=7.5 mm，活門座上油孔直徑；

Dtt=16 mm， 活門座安裝孔的直徑。

1) 活門開啟的臨界狀態(tài)受力

活門座運(yùn)動(dòng)和開啟過(guò)程存在兩種臨界狀態(tài)。

狀態(tài)1：活門處于閉合狀態(tài)，此時(shí)殼體與卡圈，卡圈與墊圈，墊圈與活門座接觸，且恰好無(wú)相互作用力。此時(shí)活門座的受力情況為：

p1·Stt=pjk·Sh+Ff+F

(1)

此時(shí)活門頂桿的受力情況為：

p1·Sh+F=pjk·Sh+Fyj

(2)

式中，pjk—— 柱塞泵進(jìn)口壓力

p1—— 殼體內(nèi)回油壓力

Ff—— 膠圈與殼體間的摩擦力

F—— 活門座與活門之間相互作用力

Fyj—— 初始裝配時(shí)的彈簧預(yù)緊力

該力可測(cè)量并根據(jù)胡克定律計(jì)算得到，即：

Fyj=kx0

(3)

式中，k—— 彈簧彈性系數(shù)

x0—— 初始狀態(tài)彈簧壓縮量

狀態(tài)2：活門處于臨界打開狀態(tài)，活門座已位于最下端，此時(shí)活門座與頂桿接觸但無(wú)相互作用力。此時(shí)活門座的受力為：

p2·Sh=pjk·Sh+Ft

(4)

Ft=kx+Fy

(5)

式中，p2—— 狀態(tài)2下的回油壓力

x—— 活門座的活動(dòng)行程，即裝配間隙

如圖8所示，殼體內(nèi)安全活門各零件的安裝深度為H=44.10 mm；在彈簧處于自由狀態(tài)情況下，從支柱端面到活門座上端面的長(zhǎng)度為L(zhǎng)=46.74 mm；活門座前端厚度為Ttt=1.42 mm；活門座的活動(dòng)行程x=0.08～0.10 mm?？梢缘玫綇椈傻某跏?jí)嚎s量：

x0=(L-Ttt)-H-x

(6)

圖8 安全活門各零件安裝示意

根據(jù)彈簧多次測(cè)量計(jì)算可得k=36.17 N/mm，故彈簧裝配時(shí)的預(yù)緊力Fyj：

此時(shí)彈簧力Ft=kx+Fyj=44.12 N

利用拉力計(jì)測(cè)得膠圈與殼體之間的摩擦力Ff=15 N。由于Ff

2) 臨界狀態(tài)活門回油壓力計(jì)算

根據(jù)產(chǎn)品技術(shù)規(guī)范中的設(shè)計(jì)要求，液壓柱塞泵進(jìn)口壓力為0.2～0.6 MPa，啟動(dòng)時(shí)壓力為0.12～0.14 MPa。取進(jìn)口壓力的3種情況進(jìn)行計(jì)算討論，分別為：

pjk1=0，pjk2=0.2 MPa，pjk3=0.6 MPa

取最大間隙x=0.10 mm進(jìn)行計(jì)算。

對(duì)于狀態(tài)1，聯(lián)立式(1)，式(2)可得卡圈不受力初始臨界狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的回油壓力p1：

通過(guò)分析可得，進(jìn)口壓力越大，卡圈不受力對(duì)應(yīng)的臨界回油壓力越大。將p1與pjk擬合關(guān)系，根據(jù)進(jìn)口壓力的實(shí)際工況，90%情況下pjk穩(wěn)定在0.35 MPa，此時(shí)p1=0.626 MPa，活門未開啟；如果進(jìn)口壓力不穩(wěn)定，則卡圈會(huì)不斷在受力狀態(tài)和不受力狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換，及活門處于打開和關(guān)閉轉(zhuǎn)換。

對(duì)于狀態(tài)2，聯(lián)立式(3)～式(5)，可得安全活門的打開壓力p2：

當(dāng)進(jìn)口壓力為0時(shí)，即工藝規(guī)定的試驗(yàn)狀態(tài)，p2=0.998∈[0.9，1.0]MPa，符合工藝要求。對(duì)比狀態(tài)1和狀態(tài)2計(jì)算結(jié)果，相同的進(jìn)口壓力下p2>p1，說(shuō)明隨著回油壓力增大，活門座會(huì)先向下微小運(yùn)動(dòng)，然后活門打開，即狀態(tài)1發(fā)生在狀態(tài)2之前。

3) 卡圈表面受力情況討論

卡圈外圈為Φ23.8 mm，殼體上卡圈安裝處卡槽的為Φ24 mm，因此裝配到位后的正常工作中的卡圈不受側(cè)向力，即在卡圈收放方向上不受力?？ㄈ?shí)際狀態(tài)受到的最大靜力是作用在卡圈正反兩面大小為Fyj，以分布載荷形式存在的壓力。墊圈與卡圈接觸區(qū)域靠近卡圈內(nèi)側(cè)，卡圈與殼體接觸區(qū)域靠近卡圈外側(cè)。為方便有限元分析時(shí)邊界條件的設(shè)置，設(shè)定分布載荷認(rèn)為是均勻分布，且卡圈、墊圈、殼體表面相對(duì)平整，三者之間的相對(duì)位置保持為同心。

經(jīng)查閱圖紙，墊圈的內(nèi)圈為Φ16 mm，外圈為Φ22 mm；卡圈內(nèi)圈為Φ19.7 mm，外圈為Φ23.8 mm；殼體卡槽內(nèi)邊沿為Φ22 mm。對(duì)卡圈進(jìn)行有限元分析，可將卡圈受力形式模擬為40.51 N力施加在卡圈上、移動(dòng)距離為0.10 mm的沖擊試驗(yàn)。

3.2 卡圈的受力有限元分析

1) 卡圈裝配收口過(guò)程模擬分析

該卡圈自然狀態(tài)下開口為6 mm，卡圈材料為60Si2MnA，模擬裝配過(guò)程完全收口狀態(tài)受力如圖9所示，結(jié)果表明收口過(guò)程受力最大點(diǎn)不在卡圈中間位置，與實(shí)際斷裂位置不符說(shuō)明卡圈在裝配收口時(shí)不會(huì)造成斷裂處應(yīng)力過(guò)大損傷。

圖9 卡圈網(wǎng)格劃分與收口狀態(tài)應(yīng)力分布

2) 卡圈沖擊模擬驗(yàn)證

根據(jù)受力分析結(jié)果，卡圈受力可以模擬為施加40.51 N、作用距離為0.10 mm的沖擊載荷?？ㄈυ谂R界狀態(tài)時(shí)，卡圈不受液壓力，但因重力狀態(tài)與活門座接觸，當(dāng)活門卸荷后產(chǎn)生活門座帶動(dòng)墊圈和卡圈撞擊卡圈槽頂端。沖擊模型簡(jiǎn)化如圖10所示，其網(wǎng)格劃分與受力分析結(jié)果如圖11～圖13所示。

圖10 卡圈撞擊模型簡(jiǎn)化圖

圖11 卡圈向上撞擊模型卡圈狀態(tài)

圖12 卡圈向上撞擊時(shí)網(wǎng)格與受力云圖

圖13 卡圈向上撞擊時(shí)卡圈受力狀態(tài)

根據(jù)分析，卡圈在微動(dòng)過(guò)程與殼體撞擊受到的沖擊應(yīng)力最大為186.97 MPa，且最大應(yīng)力點(diǎn)靠近卡圈中間位置，與實(shí)際斷裂卡圈位置處相近；這也與前期分析卡圈斷裂的疲勞源位于卡圈上表面內(nèi)圈，也就是與殼體接觸面的內(nèi)圈相一致。受力分析說(shuō)明了卡圈斷裂處循變應(yīng)力比較大，在多次撞擊殼體后有疲勞斷裂脫出的可能。

4 影響卡圈疲勞的原因分析

由于卡圈運(yùn)動(dòng)過(guò)程受力比較復(fù)雜，其疲勞形式主要為脈動(dòng)應(yīng)力與表面間的來(lái)回運(yùn)動(dòng)和摩擦滑動(dòng)共同作用產(chǎn)生的疲勞失效[9]。按照疲勞機(jī)理，影響疲勞強(qiáng)度或疲勞壽命的因素可以分為3類[10-12]：

(1) 影響局部應(yīng)力-應(yīng)變大小的因素，主要有載荷特性(應(yīng)力狀態(tài)、循環(huán)特性、殘余應(yīng)力等)和幾何形狀(缺口應(yīng)力集中、尺寸大小等)；

(2) 影響材料微觀結(jié)構(gòu)的因素，主要有材料種類、熱處理狀態(tài)和機(jī)械加工；

(3) 影響疲勞損傷源的因素，主要有表面粗糙度、腐蝕和應(yīng)力腐蝕等。

根據(jù)疲勞壽命定義，結(jié)構(gòu)的疲勞與外載的大小、頻率有關(guān)，但在微觀上與塑性應(yīng)變也有關(guān)。活門在正常工作情況下，一般不會(huì)打開，在受力過(guò)程因密封膠圈，活門有微動(dòng)帶動(dòng)墊圈與卡圈運(yùn)動(dòng)。檢查活門開啟狀態(tài)正常，說(shuō)明活門沒(méi)有異常工作，那么卡圈的疲勞斷裂需要滿足以下兩個(gè)條件：一是卡圈斷裂處循變應(yīng)力比較大，二是卡圈抗疲勞能力下降。

正常工作狀態(tài)下，卡圈能夠滿足使用要求，即卡圈的受力狀態(tài)和活門開啟狀態(tài)不是造成疲勞斷裂的主要原因，卡圈的斷裂與其抗疲勞特性嚴(yán)重下降有關(guān)。由于該卡圈在修理過(guò)程為換新件，檢查其厚度為0.88 mm，小于圖紙的(1.0±0.1) mm要求?？ㄈχ圃爝^(guò)程為沖壓件，影響其疲勞特性的因素很大可能性為制造過(guò)程的微觀結(jié)構(gòu)缺陷：如卡圈與刀口接觸面存在加工刀口痕跡，在沖壓過(guò)程表面損傷以及在熱處理時(shí)氫脆都會(huì)降低卡圈的抗疲勞性能。通過(guò)前面的斷口分析可以看出卡圈斷裂處有崩角，可能為降低其疲勞特性的主要原因，而卡圈厚度偏薄又降低了其抗疲勞特性。

5 結(jié)論

針對(duì)卡圈的微動(dòng)疲勞磨損，增加卡圈的抗疲勞特性可以從以下幾個(gè)方面改進(jìn)：

(1) 確?？ㄈΦ囊欢ê穸?，增強(qiáng)抗疲勞能力；

(2) 減少卡圈裝配后的間隙，從而控制卡圈活動(dòng)范圍，減少?zèng)_擊力；

(3) 減少卡圈裝配過(guò)程的收口次數(shù)?？ㄈΣ牧蠟閺椈射摚啻问湛诳山档涂ㄈΦ膹椥圆⒖梢栽斐蓛?nèi)應(yīng)力增大。規(guī)定卡圈裝配過(guò)程收口不允許超過(guò)3次；

(4) 減少活門的相對(duì)開啟次數(shù)，可在活門開啟壓力規(guī)定范圍內(nèi)，調(diào)節(jié)活門的開啟壓力在上限范圍；

(5) 注意卡圈的裝配方向問(wèn)題，根據(jù)卡圈槽的加工圖紙，將沖壓卡圈有圓角的一面與卡圈槽面接觸，減少卡圈向心收口擠壓力；有直角面與調(diào)整墊圈接觸。