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纯水液压泵柱塞副的故障分析 |
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作者：浙江大学 周华 |
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摘 要：分析了纯水液压泵柱塞副的故障现象和原因，指出了塑料不宜用作斜盘式柱塞泵柱塞副的摩擦材料，采用非导向组合密封的结构形式容易引起偏磨现象。
关键词：纯水液压泵 柱塞副 材料 密封
1 纯水液压泵的结构
该泵工作在含有微细沙砾的海水中，其额定工作压力为3.0 MPa，最高工作压力为6.3 MPa，实际输出流量是100 L／min，应用环境吸入管路压力损失为0.055 MPa，这在液压泵中是很少见的。该泵为点接触的阀配流轴向柱塞式结构，如图1所示，各旋转部位采用滚动轴承，通过柱塞上由O形圈与氟塑料组成的组合密封件(无导向块)来分离压力水和润滑油。
图1 纯水液压泵的结构示意图
由于柱塞和缸套之间采用密封件密封，使得它们的配合间隙不能太小，如果太小则柱塞与缸体之间的摩擦力会很大，复位弹簧将不能保证柱塞可靠地复位。考虑到海水的黏度低，润滑作用差，腐蚀性强，且含有较多的污染物，柱塞副的材料除了用不锈钢及铜合金外，还采用了抗蚀减磨性能良好的塑料。但塑料的导热性能差，摩擦过程中产生的局部热量会使其膨胀变形，容易出现柱塞卡死现象。此外，塑料也存在遇水膨胀的问题，会引起配合公差变化。所以柱塞副是纯水液压泵研制成败的关键，也是试验过程中发生故障最多的部位。
为了便于考察几种柱塞副的实际应用效果，缸孔内镶嵌可拆卸的衬套。
2 柱塞副的故障分析
2.1 柱塞副的配对方案
柱塞副采用以下几种配对方案：
a 塑料柱塞与不锈钢缸套；
b 不锈钢柱塞与塑料缸套；
c 不锈钢柱塞与铜合金缸套。
此外，还考虑到用不锈钢表面渗硼柱塞与硬质氧化铝合金缸套进行试验，但由于处理后的不锈钢表面渗层太脆，完全没有试验价值，故舍弃之。
2.2 故障现象与原因
在跑合试验过程中，采用塑料柱塞与不锈钢缸套时，泄漏口中有润滑油漏出，速度为1滴/2 s。而采用不锈钢柱塞与塑料缸套时，初期，泵内部有清晰的撞击声响,经过1 h的运行后，泵的输出流量特性和容积效率基本正常。把泵拆卸后发现，前者是因为塑料柱塞在往复运动中，受侧向力的作用不断被刮削，而使柱塞与缸孔的间隙加大所致；后者是由于塑料的吸水性引起尺寸发生变化，以及钢在塑料上运动时的摩擦系数较大，导致某些柱塞在缸孔中有轻微卡死现象，它们在低压区运动不灵活，而在高压区则会突然松动，撞击推盘，跑合一段时间后，方使运动灵活。
在加载试验中，当采用塑料柱塞与不锈钢缸套时，运行后不久就发现泵轴承部位的润滑油被海水污染，且含有乳白色微细粉末物质。当用不锈钢柱塞与塑料缸套配对时，泵的密封性能较好，润滑油未受海水污染，其流量和容积效率均较稳定，如图2所示。但经过15 h的运行后，泵的泄漏严重，流量及容积效率均大幅度下降。分析其原因，前者是由于柱塞与缸孔之间的密封不可靠，导致海水通过柱塞与缸孔之间进入轴承部位，通过重新改变密封件的预压缩量，情况得以改善，润滑油中的乳白色微细粉末物质系塑料柱塞头部的磨损产物；对于后者，泵拆卸后发现，塑料缸套内壁被不锈钢柱塞棱边磨出了两道较深且宽的凹槽。
图2
在上述两种方案中，某些采购的聚甲醛塑料本身也存在诸如裂纹、孔隙等缺陷，这也是柱塞副失效的原因之一。
至于不锈钢柱塞与铜合金缸套配对时，泵在35 h的工作过程中自始至终均很正常。拆卸后检测发现，缸套内表面与柱塞表面可见均匀光泽，无锈蚀点坑和微裂纹发生。
3 讨论
当柱塞副为塑料和金属配对时，不论柱塞或缸套采用何种材料，由于斜盘式柱塞泵不可避免地存在侧向力，在此力的作用下，其中的塑料零件总是会受到金属零件上的棱边(即使被很好地修整过)刮削作用，很快便会失效。
同时，由于塑料的导热性能差，热膨胀性较强，且具有不同程度的吸水性，不宜用作精密间隙配合的运动副零件材料。即使万一用到塑料时,也只能是在低压工作状态,且只能用作柱塞的材料。
此外，柱塞副采用组合密封件密封时，柱塞与缸套之间的配合间隙较大，会使这两个零件在往复运动过程中的中心轴线不能重合，容易产生偏磨现象，导致泵的泄漏增大。因此，在这种情况下难以设计出合适的配合间隙和密封件的压缩量。
通过上述的分析，可以得到如下结论：
(1)采用预压缩力较小、密封效果较好的密封件，尽量减小配合间隙，保证柱塞与缸孔之间有充分的接触面;
(2)塑料不宜用作斜盘式柱塞泵中柱塞副的摩擦材料；
(3)虽然铜合金与不锈钢配对时的试验效果较好，但若长期浸在海水中，对其电偶腐蚀破坏应予以足够的重视；
(4)柱塞副的材料最好采用陶瓷与陶瓷的组合，或陶瓷与金属的组合。(end)
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(11/16/2004) |
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