某型液压柱塞泵内部零件断裂故障分析

李永龙 管博文 张峰

【摘 要】针对某型航空液压柱塞泵内部零件断裂故障，通过对故障现象的深入观察和分析，确定转子组件断裂的根本原因为转子组件端面铜层因材料缺陷而疲劳断裂，采用体视显微镜、X射线能谱仪、直读光谱仪等技术，对转子组件断裂区域进行材料的结构和成分分析，得到转子组件疲劳断裂原因，为提高液压泵的制造和修理质量提供必要的参考。

【关键词】液压柱塞泵;转子组件;疲劳断裂;材料分析

中图分类号： V245.1 文献标识码： A文章编号： 2095-2457（2019）08-0103-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.08.043

【Abstract】In view of a certain type of aircraft hydraulic piston pump the fracture failure of the internal parts， through further observation and analysis of the fault phenomena， to determine the root cause of the rotor component fault of rotor components face fatigue fracture due to material defects， copper layer adopts a stered microscope， X-ray spectrometer， direct reading spectrometer， such as technology， material for the rotor component fracture areas of structure and composition analysis of rotor system component fatigue fracture reason， to improve the quality of hydraulic pump of the manufacture and repair provide necessary reference.

【Key words】Hydraulic plunger pump; Rotor assembly; Fatigue fracture; Material analysis

航空液壓柱塞泵是为飞机液压系统提供压力的主要部附件，其在飞机液压系统中起到至关重要的作用。液压柱塞泵的典型失效形式包括磨损、疲劳和老化[1]，具体到液压泵的相关部件，由疲劳导致的失效主要包括壳体开裂，斜盘、转子等结构件的断裂等故障模式。

针对某型航空液压柱塞泵产生的内部零件断裂和磨损故障，首先通过对内部零件故障情况进行检查，并结合液压柱塞泵的工作原理，得到转子组件疲劳断裂为其他内部零件失效的原因;再利用体视显微镜、X射线能谱仪和直读光谱仪技术，对转子组件断裂区域的宏观疲劳特征、材料组成成分及材料特性进行分析，得到转子组件疲劳断裂的原因。

1 故障现象

对故障的液压柱塞泵进行分解检查，故障现象主要如下：

1.1 转子组件

转子组件从第8号、9号柱塞孔位置沿轴向断裂成三部分，见图1（a）、1（b）;转子从柱塞孔与外壁的最薄处断裂，断块出现明显的弯曲变形和严重的挤压痕迹;转子工作端面密封部位银层全部磨损，露出铜层，接触表面布满周向划痕，非工作面银层完整，色泽正常。

1.2 壳体及分油盘

油泵壳体高压一端内壁有一段连续的周向挤压、切削痕迹，痕迹按顺时针方向逐渐扩大、加深，材料有明显缺损;分油盘端面粘铜磨损痕迹较重，高压腰型槽有目视可见的贯穿性裂纹，见图2（a）;分解后发现分油盘在高压端断裂成两半，见图2（b）。

1.3 柱塞

转子组件中9号柱塞有明显变形，已卡滞在转子孔内，除9号柱塞外，其余柱塞可轻松的从柱塞孔中拔出，柱塞座工作端面银层有轻微磨损，9号柱塞滑靴端面由于受力状态的变化，颜色比其余8件柱塞略深。

1.4 斜盘组件与轴承

斜盘组件高压区一侧耳轴座内侧有明显的周向挤压痕迹，垫板工作端面有轻微磨痕，止推垫圈上有残留金属碎块;分油盘端轴承组件有一颗滚棒表面出现约6×10mm的剥落，其余滚棒表面有轻微麻点掉块，见图3。

2 故障原因分析

2.1 分油盘断口观察

首先通过对分油盘断口情况分析，来进行柱塞泵内部零件断裂和磨损顺序判断。分油盘断口平坦，可见疲劳弧线特征[2]，属于疲劳断裂。疲劳断裂起始于高压衬套孔退刀槽处，并向两端扩展，疲劳扩展充分，见图4。

2.2 内部零件断裂原因分析

液压柱塞泵工作原理：液压柱塞泵中9套柱塞组件沿周向均匀分布在转子的柱塞孔内，转子由主轴驱动旋转，转子每旋转一周，柱塞组件在完成周向旋转的同时沿轴向完成一次往复运动，每个柱塞组件和对应转子孔在旋转一周时交替经过高压区和低压区，在分油盘高低压腰型槽的分配作用下，实现泵的吸油和排油工作。柱塞泵内部包括三对主要摩擦副，分别是转子和分油盘、柱塞和转子、柱塞滑靴座和垫板摩擦副，摩擦副靠旋转过程中液压油产生的油膜静压支撑和润滑。

通过对故障件检查，结合柱塞泵工作原理，认为本次故障中转子开裂失效在前，分油盘开裂、分油盘轴承滚子剥落、壳体内部损伤均是转子组件断裂以后导致的结果。具体分析如下：

（1）转子组件开裂后，转子与分油盘平衡被打破，油膜润滑遭到破坏，二者磨损加剧，分油盘高压腔与壳体内腔在8、9号柱塞区段沟通，形成震动趋势，施加给分优盘周期性载荷，导致分油盘工作不稳定，在高压槽底部应力集中部位萌生疲劳裂纹，最终发生断裂;

（2）分油盘内圈是滚棒轴承的外滚道，分优盘的断裂破坏了滚棒的外跑道，滚棒在经过端口时产生撞击或跳动，导致轴承滚棒剥落;

（3）转子断块随转子旋转，造成壳体内腔和斜盘组件侧耳沿周向挤压磨损和材料缺损。

分析认为，转子组件发生疲劳断裂是导致其他零件磨损和断裂的原因，从而导致液压柱塞泵的失效。

2.3 转子组件断裂原因分析

为了分析转子组件断裂的原因，首先利用体视显微镜，对转子组件断口处进行观察，可以看到疲劳弧线及放射棱线等宏观疲劳特征[2]，斷口表面平直光滑，属疲劳断口，仅少量断口属瞬时断裂区，如图5所示。

根据断口形貌判断，疲劳裂纹从9号柱塞孔腰形槽密封带靠近减重孔边缘位置开始，从该处铜层疲劳开裂，沿转子端面径向向外延伸至转子外圆，转而顺着柱塞孔轴线方向向上发展，在高低压液压油的反复冲击下撕裂转子基体，导致9号柱塞孔形成上下贯通的裂纹，同时疲劳裂纹沿转子周向扩展越过减重孔，在8号柱塞孔上形成轴向贯通裂纹及周向疲劳裂纹，并在8号柱塞孔处形成贯穿至腰形槽的径向疲劳裂纹，并在8号柱塞孔局部区域瞬时断裂，使转子裂纹部分形成断块从转子组件上脱落。断块脱落时随转子旋转，强行挤压过斜盘耳轴，造成斜盘耳轴内侧损伤，越过耳轴后的断块挤压、切削壳体内腔，随着挤压、切削深度的增加，断块脱离转子，卡在壳体一侧。

转子组件钢基体上疲劳扩展区微观形貌上，可见明显的疲劳条带特征，铜层上也有疲劳扩展区发展特

征，亦可见疲劳条带特征。9号柱塞孔靠近工作面密封带的铜层断口已严重磨损，无法确定其原始形貌。根据残留的铜层疲劳区形貌判断，疲劳裂纹起源于铜层内部，见图6。断裂源区呈现类似于沿晶开裂特征，并出现较多无明显断裂特征的孔洞，见图7。

利用X射线能谱仪（EDS）[3]对铜层断裂起始区成分分析，Fe、Al等杂质元素成分含量较高，应属铸造缺陷。

为进一步对疲劳源区域的成分和组织进行检查，利用直读光谱仪[4]对转子铜层及钢基体成分分析，转子孔铜层成分符合ZQSn10-2-3铸造锡青铜，钢基体成分符合30Cr3WA钢。

转子工作面密封带铜层厚度约为1.86mm（该型号液压柱塞泵要求铜层厚度1.5±0.2mm），铜层组织富Sn、Ni元素的δ脆硬相呈块状、网状分布，是形成疲劳裂纹的主要原因，见图8。钢基体组织为索氏体加少量块状铁素体。利用显微硬度计对钢基体硬度测试，基体硬度为300-325HV0.2（相当于HRC31.5-34.5），符合材料组织和力学性能要求。

3 总结

（1）通过对某型液压柱塞泵内部零件断裂故障进行观察和分析可知，转子组件发生断裂导致其他零件损伤和断裂，从而导致液压柱塞泵的失效;

（2）转子组件断裂性质为疲劳断裂，疲劳断裂起始于9号柱塞孔靠近密封带的铜层，转子疲劳断裂源区位于铜层内部缺陷部位;

（3）根据转子组件断口分析结果，转子组件中铜层疲劳源区缺陷部位Fe、Al等杂质元素成分含量较高，铜层组织富Sn、Ni元素的δ脆硬相呈块状、网状分布，存在组织缺陷，应属于铸造过程产生的;

（4）组织缺陷和铜层偏厚均会导致铜层疲劳强度下降，发生早期疲劳失效，因此，转子组件的铜层局部组织缺陷，产生疲劳开裂是导致转子断裂的主要原因。

（5）对于铜层组织缺陷引起的疲劳断裂，在修理时应对转子组件进行真空回火，回火温度按铸造锡青铜确定，以消除长期使用在铜层组织中的累积疲劳应力，恢复、提高材料的疲劳强度。

【参考文献】

[1]马纪明，阮凌燕，付永领等.航空液压泵加速寿命试验现状及方法研究（连载2）航空液压泵典型失效模式及加速方法[J].液压与气动，2015，（7）.

[2]钟群鹏，赵子华.断口学[M].北京：高等教育出版社，2006：270-278.

[3]谭莹，张震坤，陈明等.扫描电镜及X射线能谱仪在首饰镀层检测中的应用[J].理化检验-物理分册，2007，43（4）.

[4]王斌.直读光谱仪在有色金属分析中的应用[J].中国科技投资，2016，（14）.