柱塞式液壓泵由于具有可輸出高壓甚至超高壓傳動介質、自潤滑性好、磨損少、使用壽命長、工作效率高等優點,在工程機械、交通運輸、船舶制造、礦山、石油、軍工、航空等行業領域已經得到廣泛的應用。 壓柱塞泵是.近幾年引進國外技術工藝生產的可提供超過100 MPa輸出壓力的一種特種柱塞泵。與傳統的超高壓輸出器件(譬如缸筒式增壓器)相比較,具有體積小、重量輕、結構簡單、造價低、可以連續穩定地輸出超高壓液壓工作介質等優點。在工程機械、事故救援、壓力容器安全檢測、管道爆破試驗以及工程油缸性能檢測等一些需要使用超高壓油源的特殊領域已經得到了較普遍的應用。但在使用過程中也陸續暴露了超高壓柱塞泵的一些質量問題,譬如工作過程中輸出壓力達不到使用要求(失壓現象)以及零部件工作壽命短等,本文將針對影響該型泵工作壽命的幾個問題提出自己的觀點以及相關對策供大家參考。
1.超高壓柱塞泵結構、工作原理
超高壓柱塞泵基本結構見圖1, 壓柱塞泵屬于閥配油結構形式,由7根柱塞、柱塞安裝法蘭、高壓輸出法蘭、偏心軸以及軸承等零部件組成。其中關鍵部件柱塞結構外形見圖2,它由吸油閥體、排油閥體、柱塞、缸體、復位彈簧等零部件組成。柱塞泵工作原理見圖3。
在偏心軸的轉動和復位彈簧的作用下,引起柱塞與缸體所形成的密封容積的變化,密封容積變大時,排油閥體關閉,液壓工作介質經吸油閥體進入缸體內;密封容積變小時,吸油閥體關閉,介質經排油閥體進入高壓輸出法蘭,供系統使用。
2.常見故障現象以及原因分析
超高壓柱塞泵在使用過程中經常發生的功能性故障主要有以下幾種:
(1)鋼球表面腐蝕 泵轉動正常,輸出工作介質壓力與正常情況相比大大下降,只有正常工作時壓力的31%以下,輸出流量只有正常情況下的22%以下,說明泵在運轉過程中存在較嚴重的內或外泄漏。經對問題柱塞泵解體檢查后發現,單個柱塞吸、排油閥體內單向密封用鋼球表面存在較明顯的疲勞腐蝕痕跡,吸油閥體內鋼球的腐蝕更為明顯,由此可以看出,鋼球的失效與腐蝕、氣蝕有關。由此造成的內泄漏嚴重影響了泵的密封性,導致泵的壓力、流量下降。失效鋼球見圖4。圖5是吸油閥座。由圖5可以看出,閥座的密封線部位沒有失效現象。
(2)柱塞斷裂 泵的解體過程中,發現有柱塞存在裂紋甚至斷裂,裂紋或斷裂的部位在柱塞的頸部,柱塞與缸體之間的配合間隙大以及柱塞頭部受力部位偏離柱塞軸線過大產生扭矩,引起應力集中,導致微裂紋的產生以及擴散,在運轉過程中斷裂,見圖6。柱塞頭部脫落后,引起柱塞與缸體間隙配合密封長度降至正常水平的55%左右,超高壓柱塞泵結構上一般配置七個柱塞(單排),或者成倍增加柱塞數量(雙排、三排等),與一般高壓柱塞泵采用配油盤或者軸配油結構不同,超高壓柱塞泵采用閥配油結構,因此這種故障只對輸出流量有較大影響,對于泵的壓力輸出影響不大,但是它改變了偏心軸的受力狀況,裂紋擴展過程產生的金屬屑對介質會產生污染、加劇軸承的磨損。
(3)復位彈簧斷裂 主要原因是彈簧在制造過?短的時間內發生脆斷。這種故障對泵的輸出壓力沒有影響,但泵的流量會有明顯下降,因為它會導致彈簧所在的柱塞不能完成吸油功能。
超高壓柱塞泵一般應用于需要超高壓力的液壓系統中,對其輸出流量要求不是非常嚴格,但對輸出超高壓力的要求是必須的基本要求。由以上分析可以看出影響泵使用的主要故障是鋼球失效。
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公司外景
裝備車間
加工中心
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3.提高超高壓柱塞泵使用壽命的對策
提高超高壓柱塞泵使用壽命的關鍵,就是要解決上述零件的可靠性問題。影響零件可靠性的因素有零件使用的環境因素(如溫度、腐蝕性、載荷頻率等),應力集中因素,零件尺寸結構因素,表面加工質量因素,零件使用的材料等。
對鋼球失效現象,可以判定是屬于應力集中導致鋼球表面疲勞點蝕,介質中的酸性物質引起點蝕處腐蝕(特別是在使用液壓液的系統中,鋼球的腐蝕尤為嚴重),并逐步擴展的結果。根據赫茲應力計算公式式中:F為作用于接觸面上的總壓力;B為初始接觸線長度;L1和L2分別為相接觸零件材料的泊松比;E1和E2分別為相接觸零件材料的彈性模量;Q1和Q2分別為兩零件初始接觸線處的曲率半徑,其中正號用于外接觸,負號用于內接觸。假設所用材料均為軸承鋼GCr15,計算后,該型泵在連續輸出80MPa壓力的條件下,尺寸為54mm的鋼球與吸油閥座90b錐面之間產生的接觸壓應力為649MPa,比軸承鋼材料的許用接觸應力3800MPa要小得多,但與普通優質碳素鋼的接近。理論計算結果似乎與實際情形矛盾,一方面由于零件加工存在形狀誤差可能局部實際應力比計算要大得多,但另一方面在有腐蝕性介質存在的情況下,線接觸部分由于應力的周期性作用,很容易產生電化學反應導致腐蝕現象發生。根據以上計算分析,可采取以下應對措施:裝配時采用錘擊鋼球和吸油閥座的方法適當增加鋼球密封線的寬度,以減小鋼球的接觸應力,換用耐腐蝕、高疲勞較限的材料制造,例如不銹鋼、陶瓷材料等。在實際使用中采用9Cr18材質的鋼球進行改造,該型泵吸油閥正常使用的時間成倍增加。
對于柱塞斷裂,除了要控制制造過程的質量,有必要對零件以及相關傳動機構的尺寸(譬如偏心軸的偏心距)、結構做出合理的調整,減少柱塞所受扭矩,以及對柱塞頭肩部過渡處采用圓弧過渡或采用鉸接結構,減少應力集中帶來的疲勞隱患。對于復位彈簧斷裂,主要應著眼于材料選用與對彈簧制造過程控制,避免有缺陷彈簧進入泵裝配環節。