燃油泵斜盘轴承失效分析

李爱民，陈爱成，曹阳

(驻安顺地区军代表室，贵州 安顺 561000)

某型机地面试车时发动机出现冷悬挂现象，地面启动不成功。在试验机上对故障泵检查发现，转速增加到140 r/min时，出现异常声，立即停车。对该主泵分解发现，油泵9个柱塞中有8个存在卡滞现象；分解查看中心油滤，发现滤网表面有大量的金属屑，斜盘角度为11°10′，斜盘轴承多个钢球有表面损伤现象，且颜色全都变成了灰黑色，轴圈沟道有2处约5 mm左右的损伤，座圈沟道超过1/3出现鱼鳞状剥落。

1 轴承工况

燃油柱塞泵斜盘轴承支承结构如图1所示。斜盘轴承装在斜盘轴承壳体内，支承销装入斜盘轴承壳体和油泵壳体的孔中。斜盘轴承可绕支承销偏转14°(最大)，油泵工作时，柱塞靠柱塞弹簧和油液力顶靠在斜盘轴承工作面上。斜盘轴承的位置(倾斜角度)由随动机构来操纵，改变斜盘轴承的倾斜角就能改变油泵供油量。在斜盘轴承倾角一定的条件下，柱塞对斜盘的作用力，随油泵转子旋转角α呈周期性变化(α在0°～180°为吸油区，在180°～360°为排油区)，所以作用在斜盘上的力矩和支承销上的支反力也是周期性变化。由此，斜盘轴承以支承销为中心作高频低幅振动。当油泵工况变化时，斜盘轴承倾角也随之变化，斜盘轴承的受力也随之发生变化。

2 质量复查情况

为了分析主泵柱塞卡滞及斜盘轴承失效的原因，对失效轴承进行了外观检查、微观观察、能谱分析、金相检查和硬度检测；对金属屑进行了能谱分析。

电镜扫描得出钢球表面有两种形貌特征:一种为典型金属间多次重复碾轧特征；另一种为裂纹形貌，裂纹起始于钢球表面，开口可见沿晶特征。能谱分析得出金属屑与轴承材料吻合，未发现非轴承材料成分。同时，对该批斜盘轴承从材料、加工、装配等环节进行了全面排查，未发现异常问题；对故障泵的相关安装尺寸进行了检查，对相关零件进行了微分测量，均符合设计规定，未发现安装存在问题。斜盘轴承失效时，倾斜的角度为11°10′，小于其倾斜的最大角度14°。

3 失效原因分析

3．1 偏载

轴承轴圈沟道沿圆周方向有超过1/3的鱼鳞状剥落，而另一边完全没有损坏，这似乎是因为轴承在工作中受力不均，出现偏载引起的。但从柱塞泵的工作过程来看，在吸油时，柱塞在弹簧力的作用下将油液吸入到柱塞腔；在排油时，柱塞在斜盘的作用力下，克服弹簧力及油液压力，将油液从柱塞腔排出，向发动机供油，虽然柱塞在排油时所受的力要大于其在吸油时所受的力(斜盘轴承工作时在排油区所受到的最大载荷约为在吸油区所受到的最大载荷的10倍),但该载荷并不大；所以，这种偏载不会引起轴承失效，这也是结合该类型泵的工作原理并经大量试验和使用验证过的。再从斜盘轴承安装来看，其安装是对称的，并且对故障泵斜盘轴承的相关安装尺寸进行了检查，未发现斜盘轴承存在安装偏斜问题。另外，如果存在很大的不平衡力将斜盘轴承损坏，其反作用力也将损坏与斜盘轴承接触的零件(如斜盘轴承支承结构、柱塞等)，它们不可能完好无损，而且它们的强度、表面硬度均低于斜盘轴承。

3.2 异常摩擦磨损

从上述斜盘轴承失效情况看，钢球除了表面损伤外，其颜色全都变成了灰黑色，与正常失效钢球的颜色(亮白色)不一样，这说明轴承工作时存在严重的高温现象。这与轴承旋转时产生的惯性力和油泵的液压关死现象有关，且会在极端工况下加剧。

3.2.1 油泵液压关死对轴承的影响

液压关死现象对油泵的正常工作危害极大[1]。在产生低压时，溶于油液中的气体可能会分离出来或使液体气化，产生气隙，可能使柱塞短暂与斜盘轴承斜盘面脱离，再接触时就会产生撞击现象。在产生不正常高压时，将消耗油泵的功率并加大承载零件的冲击载荷。由于高低压交替变化，整个结构受到周期性脉冲载荷的作用，将产生振动，严重影响斜盘轴承的正常工作。

3.2.2 离心力对轴承的影响

对于斜盘轴承这种向心推力球轴承，离心力会改变钢球的接触角，使接触沟道的位移发生变化并增大滑动摩擦力，这种滑动摩擦对推力球轴承特别有害，会使轴承产生高温。另由文献[1]可知，推力球轴承在不受轴向力的极端情况下，钢球受离心力的作用，在沟道边缘切线方向运动，同时又受陀螺力矩影响而产生自旋，两者叠加，使轴承座圈沟道外部形成“樅树状”磨损缺陷，并使轴承发热。从实践经验看，该类失效极为少见，因而，基于上述分析，认为此次斜盘轴承失效的原因是轴承运转时产生了异常摩擦磨损。即在极端情况下，油泵出现了液压关死现象，进而在排油区的末端和吸油区的初端之间柱塞短时脱离斜盘面，导致该区间轴承短时无轴向载荷，进而离心力和陀螺力矩对轴承的影响加剧。一是使轴承温度升高，导致钢球变色，硬度降低，并在座圈沟道外侧产生“樅树状”磨损；二是在周期脉冲载荷和接触应力作用下，轴承座圈沟道外部“樅树状”缺陷不断扩大和剥落，并沿着排油区方向不断扩展，同时啃伤硬度降低的钢球。而在吸油区，由于柱塞作用在斜盘面的力相对较小，对应的轴承座圈沟道受力也较小，因此没有损环。

4 改进措施

为保证斜盘轴承的正常运转，油泵制造厂应进一步加强对油泵液压关死现象的研究，为斜盘轴承正常工作提供更好的工况条件。为进一步提高轴承的制造质量,轴承制造厂应采取如下措施：(1)改变以往压罩后检查轴承旋转灵活性的方法，用工艺球检查旋转灵活性,检验合格后再进行压罩，避免钢球划伤；(2)轴承压罩后，增加座圈与轴圈两者沟道面之间距离的检查，进而控制轴承的轴向窜动；(3)将轴承保持架兜孔底兜锥角由26°改为31°，尽可能改为圆弧兜底，并进一步提高保持架的运转平稳性。