皮月亮，呂焱明，李永彬，周騁

（國營蕪湖機(jī)械廠，安徽蕪湖 241007）

引言

液壓電磁閥是電控系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)的控制中樞，其結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、控制方式簡單，已被廣泛應(yīng)用于航空裝備的各個系統(tǒng)，如發(fā)動機(jī)燃油系統(tǒng)、起落架收放系統(tǒng)、艙門操作系統(tǒng)等[1]。液壓電磁閥依靠電磁鐵通電產(chǎn)生推力，使閥芯的相對位置改變，從而實(shí)現(xiàn)油液的連通、關(guān)閉或換向，其工作性能的優(yōu)劣影響著整個裝備的安全，在裝備的各個系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用[2]。

由于液壓電磁閥角色的特殊性，其工作可靠性、安全性的提升成為眾多學(xué)者研究的熱點(diǎn)。蔡偉等[3]針對當(dāng)時液壓電磁閥故障離線檢測方式存在的缺點(diǎn)，提出一種基于磁場和振動敏感的液壓電磁閥非介入式測試診斷技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)液壓電磁閥故障的快速診斷奠定了基礎(chǔ)。劉艷芳等[4]為了提高液壓電磁閥的使用壽命，建立了多物理場耦合熱力學(xué)模型，仿真分析了兩種使用環(huán)境中，不同電流下液壓電磁閥內(nèi)部的熱變形及溫度分布，為液壓電磁閥的可靠性設(shè)計提供了依據(jù)。趙旭峰等[5]分析了液壓電磁閥失效的若干因素，如電磁鐵溫升對推力的影響、液壓電磁閥開啟過程中自感效應(yīng)及瞬態(tài)液動力等，并通過采用可變電壓驅(qū)動，選擇合理的工作制和動作周期，起到改善流道、增大散熱面積的作用，以提高液壓電磁閥的可靠性。

本文以實(shí)際案例為研究對象，通過特征分析、仿真分析，推測推桿斷裂原因，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，使推桿斷裂原因得以明確，進(jìn)而提出應(yīng)對措施。

1 推桿斷裂特征分析

液壓電磁閥所處工況不同，故障類型也不盡相同。例如，某型液壓電磁閥在使用過程中出現(xiàn)故障，在拆解過程中，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部推桿發(fā)生斷裂，而其他零件無異常。

圖1 所示是某型液壓電磁閥推桿斷裂的現(xiàn)場。該推桿隨著電磁鐵的通電、斷電狀態(tài)，起到推開閥口鋼珠的作用。該斷裂部位距離右端面約1 mm，斷口表面整體平坦。

為了研究該推桿斷裂原因，采用對比分析法。選取對比件人為打斷。打斷的方式為，將距離端面約1 mm的一端固定，于另一端施加垂直于推桿的載荷。推桿在較小的載荷作用下即發(fā)生斷裂，而斷裂的位置與故障件基本一致。

1.1 端口形貌和金相組織

首先，清洗故障件、對比件，分別置于掃描電鏡，比較二者的斷口形貌，如圖2所示。圖2a所示故障件斷口形貌整體均勻，基本為韌窩結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)是零件發(fā)生過載斷裂的典型特征；圖2b所示對比件斷口形貌與故障件基本一致。隨后，采用金相顯微鏡觀察了故障件、對比件的斷口金相組織，如圖3所示。二者的金相組織分布均勻，在回火馬氏體基體上彌散分布著顆粒狀碳化物，未發(fā)現(xiàn)明顯異物及其他區(qū)別。根據(jù)故障件、對比件的微觀檢查與金相組織分析可知，推桿材料組織與推桿斷裂無直接關(guān)系。

圖1 推桿斷裂現(xiàn)場圖

圖2 斷口形貌

1.2 芯部厚度尺寸

采用測量設(shè)備測量了故障件、對比件的端口尺寸。如圖4 所示，故障件芯部厚度最小尺寸為0.2 0 1 m m，而對比件芯部厚度最小尺寸為0.459 mm，二者相差0.258 mm，數(shù)值偏差較大。依據(jù)圖2、圖3所示的斷口特征，可推測出芯部厚度尺寸偏小可能是引發(fā)推桿斷裂，造成液壓電磁閥故障的主要原因。

圖3 斷口金相組織

圖4 芯部厚度尺寸

2 推桿仿真分析

為了研究推桿斷裂是否是由芯部厚度所引起的，對推桿的材料及工況進(jìn)行分析。該液壓電磁閥的推桿采用W6Mo5Cr4V2高速鋼，具有很高的硬度和紅硬性，且回火穩(wěn)定性、耐磨性好[6]，其強(qiáng)度極限σb為2 300～2 800 MPa[7-8]。

2.1 工作原理分析

推桿工作示意圖如圖5所示。推桿位于兩個鋼珠之間的導(dǎo)程槽內(nèi)，且浸潤在工作介質(zhì)中。在正常工作條件下，鋼珠1受到液壓電磁閥推力F的作用，撞擊推桿左端面，使推桿向右移動。隨后，推桿右端面瞬時將鋼珠2推離殼體座，促使右端的高壓工作液進(jìn)入低壓端，從而完成后續(xù)動作。根據(jù)液壓電磁閥在系統(tǒng)中的實(shí)際工況進(jìn)行計算得知，鋼珠1所受推力F為60 N，初始速度v為25 m/s。

圖5 推桿工作示意圖

2.2 仿真模型構(gòu)建

為了分析推桿芯部厚度對推桿斷裂的影響，建立了三維仿真幾何模型，如圖6a所示。該結(jié)構(gòu)長徑比大，帶有兩條螺旋槽，在工作過程中可實(shí)現(xiàn)油液的傳輸。圖6b為不同芯部厚度的推桿模型側(cè)視圖，芯部厚度d取0.15 mm、0.25 mm、0.35 mm、0.45 mm、0.55 mm五組進(jìn)行分析。

圖6 推桿仿真幾何模型

根據(jù)推桿在液壓電磁閥中的工作形式與斷裂特征，選用ANSYS Workbench中的Explicit Dynamics顯式動力學(xué)模塊進(jìn)行仿真分析，該模塊能夠很好地解決瞬態(tài)、大應(yīng)變、材料破壞及完全失效等結(jié)構(gòu)問題，可模擬出推桿在實(shí)際工作時的應(yīng)力分布情況[9]。圖7所示為進(jìn)行三維推桿仿真的物理模型。

圖7 三維推桿仿真物理模型

2.3 結(jié)果與討論

圖8 所示為不同芯部厚度尺寸下的仿真分析結(jié)果。根據(jù)結(jié)果可知，推桿中的最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在推桿撞擊鋼球的瞬間，且隨著推桿芯部厚度尺寸的增大而逐漸變小。當(dāng)芯部厚度尺寸為0.15 mm時，推桿中的最大等效應(yīng)力為2 297.7 MPa；當(dāng)芯部厚度尺寸為0.55 mm時，推桿中的最大等效應(yīng)力僅為957.96 MPa，降低了58.3%。

根據(jù)材料力學(xué)知識，該類推桿材料屬于脆性材料，而脆性材料的安全系數(shù)nb應(yīng)取2～3.5。對于某些特殊零件，安全系數(shù)甚至應(yīng)取3 ～9[10]。從芯部厚度尺寸為0.2 5 m m 時的仿真結(jié)果（圖8b）可知，在該尺寸下，推桿材料的安全系數(shù)是1.36～1.66，小于工程應(yīng)用規(guī)定數(shù)值2～3.5，而發(fā)生斷裂的推桿的芯部厚度最小尺寸僅為0.2 0 1 mm，這更使得安全系數(shù)小于工程規(guī)定數(shù)值。因此，將此類推桿應(yīng)用于液壓電磁閥中，極大地增加了液壓電磁閥的故障風(fēng)險。

3 對比試驗(yàn)

根據(jù)章節(jié)2.3的分析結(jié)果與討論，選用了芯部厚度最小尺寸分別為0.205 mm、0.462 mm，與故障件、對比件接近的兩根推桿，其實(shí)物如圖9所示。在保證其他因素一致，僅芯部厚度尺寸存在微小差異的情況下，將二者分別裝入1號、2號液壓電磁閥，進(jìn)行對比試驗(yàn)。

3.1 接通試驗(yàn)

以電磁鐵接通500次為一個周期，進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，圖10所示為接通試驗(yàn)過程中收集的數(shù)據(jù)。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，1號液壓電磁閥在第4個周期的第453次接通試驗(yàn)中發(fā)生故障，液壓電磁閥無法實(shí)現(xiàn)油路的接通，試驗(yàn)被迫中斷。而2號液壓電磁閥在完成第4個周期的基礎(chǔ)上，又相繼完成了第5個、第6個周期的試驗(yàn)，無任何異常，滿足了工藝要求。

圖8 不同芯部厚度尺寸下的仿真分析結(jié)果

圖9 對比試驗(yàn)推桿實(shí)物圖

圖10 對比試驗(yàn)數(shù)據(jù)圖

3.2 拆解觀察

對兩個電磁閥進(jìn)行拆解，發(fā)現(xiàn)1號液壓電磁閥內(nèi)部推桿發(fā)生斷裂（圖11a），而2號液壓電磁閥內(nèi)部推桿無異常。在掃描電鏡下觀察推桿斷口形貌，其斷裂特征基本為韌窩結(jié)構(gòu)，與故障件斷裂性質(zhì)相同，屬于典型的過載斷裂，如圖11b所示。

圖11 斷裂推桿實(shí)物圖

3.3 改進(jìn)措施

通過對比試驗(yàn)，理論分析結(jié)果得到驗(yàn)證，推桿芯部厚度尺寸偏小是引發(fā)推桿斷裂，進(jìn)而引發(fā)液壓電磁閥發(fā)生故障的根本原因。因此，應(yīng)在后續(xù)的工作中進(jìn)行裝前測量，及時測量待用推桿芯部厚度尺寸，篩選出不滿足應(yīng)用要求的推桿，避免液壓電磁閥故障再次發(fā)生。

4 結(jié)論

（1）采用對比分析法，比較了故障件、對比件的斷口特征，表明推桿材料組織與推桿斷裂無直接關(guān)系，但故障件、對比件的芯部厚度尺寸偏差較大。

（2）采用ANSYS Workbench，對不同芯部厚度的推桿在實(shí)際工況中的應(yīng)力分布進(jìn)行了仿真。由仿真結(jié)果可知，推桿中的最大等效應(yīng)力隨著芯部厚度的增大而逐漸減小。當(dāng)芯部厚度尺寸小于0.25 mm時，推桿材料安全系數(shù)無法滿足工程應(yīng)用要求。

（3）通過對比試驗(yàn)，證實(shí)了推桿芯部厚度尺寸偏小確實(shí)是導(dǎo)致推桿斷裂的根本原因。在后續(xù)工作中應(yīng)進(jìn)行裝前測量，篩選出不滿足應(yīng)用要求的推桿，有效地排除液壓電磁閥故障。