(國營蕪湖機械廠， 安徽 蕪湖 241007)

引言

目前國內(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)部磨損對飛機液壓系統(tǒng)的危害很大，嚴重時造成液壓系統(tǒng)污染，影響飛機液壓系統(tǒng)功能可靠性。某航空液壓柱塞泵在使用過程發(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。對斷裂卡圈進行斷口微觀形貌分析發(fā)現(xiàn)具有明顯的疲勞韌帶，針對活門處的結(jié)構(gòu)形式對卡圈處的受力情況進行分析，驗證了卡圈微動疲勞斷裂的原因。

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]，但針對液壓柱塞泵內(nèi)部振動形式，微動疲勞等研究較少。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理，并制定相應(yīng)的改進措施，為后期的液壓柱塞泵修理改進提供應(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，當柱塞泵殼體回油流阻過大，導(dǎo)致柱塞泵內(nèi)部回油壓力上升，回油壓力超過安全活門打開壓力0.9～1.0 MPa時，活門打開卸壓，此時活門頂桿壓縮彈簧。為方便卡圈的安裝拆卸，設(shè)計上卡圈間隙給定0.05～0.15 mm余量。

圖2 安全活門處零件安裝情況

卡圈在活門處的運動情況，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，但相互之間無作用力，此時卡圈處于卡圈槽上端，卡圈處于靜力平衡狀態(tài)；當壓力接近開啟壓力時，活門座密封圈有微動下降達到平衡狀態(tài)；當壓力降低時，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?；铋T在打開與關(guān)閉過程對卡圈和墊圈有相對微動沖擊作用。

當殼體回油壓力持續(xù)上升后，活門頂桿被擠壓打開；活門開啟狀態(tài)時，液壓油卸荷壓力快速下降，活門頂桿快速回彈撞擊活門座，活門座帶動墊圈與卡圈撞擊卡圈槽上端。綜上所述，無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，在壓力減小時活門座都有向上微動，帶動卡圈撞擊殼體。

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磨損痕跡，表明該活門處無卡滯等異常情況使卡圈斷裂。如圖3所示，對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程調(diào)整墊圈有運動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Ρ?/p>

對卡圈斷口進行微觀形貌觀察，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，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受力分析驗證分析。

3 卡圈受力分析與驗證

3.1 卡圈的受力計算

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

活門座運動和開啟過程存在兩種臨界狀態(tài)。

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

p1·Stt=pjk·Sh+Ff+F

(1)

此時活門頂桿的受力情況為：

p1·Sh+F=pjk·Sh+Fyj

(2)

式中，pjk—— 柱塞泵進口壓力

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—— 初始裝配時的彈簧預(yù)緊力

該力可測量并根據(jù)胡克定律計算得到，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，此時活門座與頂桿接觸但無相互作用力。此時活門座的受力為：

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度為L=46.74 mm；活門座前端厚度為Ttt=1.42 mm；活門座的活動行程x=0.08～0.10 mm?？梢缘玫綇椈傻某跏級嚎s量：

x0=(L-Ttt)-H-x

(6)

圖8 安全活門各零件安裝示意

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

此時彈簧力Ft=kx+Fyj=44.12 N

利用拉力計測得膠圈與殼體之間的摩擦力Ff=15 N。由于Ff

2) 臨界狀態(tài)活門回油壓力計算

根據(jù)產(chǎn)品技術(shù)規(guī)范中的設(shè)計要求，液壓柱塞泵進口壓力為0.2～0.6 MPa，啟動時壓力為0.12～0.14 MPa。取進口壓力的3種情況進行計算討論，分別為：

pjk1=0，pjk2=0.2 MPa，pjk3=0.6 MPa

取最大間隙x=0.10 mm進行計算。

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

通過分析可得，進口壓力越大，卡圈不受力對應(yīng)的臨界回油壓力越大。將p1與pjk擬合關(guān)系，根據(jù)進口壓力的實際工況，90%情況下pjk穩(wěn)定在0.35 MPa，此時p1=0.626 MPa，活門未開啟；如果進口壓力不穩(wěn)定，則卡圈會不斷在受力狀態(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：

當進口壓力為0時，即工藝規(guī)定的試驗狀態(tài)，p2=0.998∈[0.9，1.0]MPa，符合工藝要求。對比狀態(tài)1和狀態(tài)2計算結(jié)果，相同的進口壓力下p2>p1，說明隨著回油壓力增大，活門座會先向下微小運動，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嶋H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邊界條件的設(shè)置，設(shè)定分布載荷認為是均勻分布，且卡圈、墊圈、殼體表面相對平整，三者之間的相對位置保持為同心。

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。對卡圈進行有限元分析，可將卡圈受力形式模擬為40.51 N力施加在卡圈上、移動距離為0.10 mm的沖擊試驗。

3.2 卡圈的受力有限元分析

1) 卡圈裝配收口過程模擬分析

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

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，卡圈不受液壓力，但因重力狀態(tài)與活門座接觸，當活門卸荷后產(chǎn)生活門座帶動墊圈和卡圈撞擊卡圈槽頂端。沖擊模型簡化如圖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 卡圈向上撞擊時網(wǎng)格與受力云圖

圖13 卡圈向上撞擊時卡圈受力狀態(tài)

根據(jù)分析，卡圈在微動過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)力點靠近卡圈中間位置，與實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

由于卡圈運動過程受力比較復(fù)雜，其疲勞形式主要為脈動應(yīng)力與表面間的來回運動和摩擦滑動共同作用產(chǎn)生的疲勞失效[9]。按照疲勞機理，影響疲勞強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)?；铋T在正常工作情況下，一般不會打開，在受力過程因密封膠圈，活門有微動帶動墊圈與卡圈運動。檢查活門開啟狀態(tài)正常，說明活門沒有異常工作，那么卡圈的疲勞斷裂需要滿足以下兩個條件：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重下降有關(guān)。由于該卡圈在修理過程為換新件，檢查其厚度為0.88 mm，小于圖紙的(1.0±0.1) mm要求。卡圈制造過程為沖壓件，影響其疲勞特性的因素很大可能性為制造過程的微觀結(jié)構(gòu)缺陷：如卡圈與刀口接觸面存在加工刀口痕跡，在沖壓過程表面損傷以及在熱處理時氫脆都會降低卡圈的抗疲勞性能。通過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

針對卡圈的微動疲勞磨損，增加卡圈的抗疲勞特性可以從以下幾個方面改進：

(1) 確?？ㄈΦ囊欢ê穸?，增強抗疲勞能力；

(2) 減少卡圈裝配后的間隙，從而控制卡圈活動范圍，減少沖擊力；

(3) 減少卡圈裝配過程的收口次數(shù)。卡圈材料為彈簧鋼，多次收口可降低卡圈的彈性并可以造成內(nèi)應(yīng)力增大。規(guī)定卡圈裝配過程收口不允許超過3次；

(4) 減少活門的相對開啟次數(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。