齒輪泵殼體爆裂的原因分析與措施

1．簡介

  在對某裝備車進(jìn)行交檢過程中發(fā)現(xiàn)液壓表的指示值達(dá)不到規(guī)定要求，調(diào)試人員隨即對下車主溢流閥開啟壓力進(jìn)行小幅增加，發(fā)現(xiàn)液壓表指示值仍不能上升，隨后又進(jìn)一步增大溢流閥開啟壓力，問題仍不到解決。調(diào)試人員隨即收起支腿等待技術(shù)人員前來查看，此時齒輪泵突然發(fā)生爆裂。

2．故障原因分析

    停車后對齒輪泵進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)鋁合金殼體端蓋緊固螺孔沿軸向方向裂開有一長約100mm、寬約2mm的貫通裂縫，該裂縫位于齒輪泵高壓油腔一側(cè)。針對問題的現(xiàn)象，從以下幾個方面對問題產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析。

    (1)材質(zhì)及鑄造質(zhì)量分析。液壓泵的殼體材料為ZL111鋁合金，采用鑄造的方法制造毛坯，采用鏜、研磨等工序加工而成。如果殼體材質(zhì)不合格或者在鑄造過程中有夾渣、氣泡或者加工過程中有裂紋等缺陷，在承受高壓載荷的情況下會產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，導(dǎo)致爆裂。為驗證該泵殼體是否滿足要求，將爆裂的泵殼進(jìn)行化學(xué)成分分析和力學(xué)性能測試。

  結(jié)果表明：實測材料抗拉強度為315MPa，符合標(biāo)準(zhǔn)要求；殼體材料的化學(xué)成分符合GB/T1173-1995的要求；依據(jù)GB/T 9438-1988低倍檢驗未見直徑大于0.5mm的氣泡或夾渣，鑄造質(zhì)量符合要求；泵殼斷口處斷面形狀為韌性撕裂狀斷口，無陳舊性裂紋，這說明殼體加工過程中未造成裂紋或者使用過程中沒有疲勞性裂紋產(chǎn)生。這說明齒輪泵殼體材質(zhì)及鑄造質(zhì)量符合要求。

    (2)齒輪泵殼體有限元分析。采用有限元分析首先要構(gòu)建實體模型（該過程亦稱實體建模），其方法一般有自底向上和白頂向下兩種。自底向上時通過定義關(guān)鍵點，再用這些關(guān)鍵點定義較高級的圖元，這種由點到線、由線到面、由面到體、由低級到高級的建模方法稱為自底向上法。另一種是自頂向下法，它從高級圖元開始建模，低級圖元直接生成。根據(jù)殼體結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的特點，采用自底向上的建模方法。

    殼體實體模型建立好之后，對其進(jìn)行了網(wǎng)格的劃分，圖M為殼體實體在有限元軟件ANSYS中通過網(wǎng)格劃分后的有限元模型。在對殼體施加邊界約束時，考慮到端蓋在功能上與殼體一起形成低壓油腔與高壓油腔；在約束關(guān)系上，端蓋通過殼體的8個連接螺栓孔對殼體的自由度進(jìn)行約束，因而對安裝固定螺孔內(nèi)部施加全約束(ALL DOF)，在殼體的8個連接螺栓孔施加UX、UY、UZ三個方向的約束。考慮到齒輪泵內(nèi)腔中以外嚙合齒輪的中心線為界，分成高壓油腔區(qū)和低壓油腔區(qū)，低壓油腔區(qū)的壓力為負(fù)壓（以吸油）。因而加載時只在高壓油腔及高壓油出口通道內(nèi)壁施加31.5MPa的壓力載荷(溢流閥的最高調(diào)整值為31.5MPa)，模擬齒輪泵在31.5MPa壓力載荷下的工況，仿真結(jié)果如圖N所示。

    從圖N中可以看出殼體最大應(yīng)點位于泵殼端蓋緊固螺栓孔處（圖中MX處），同發(fā)生爆裂的實際位置相吻合，這是殼體最薄弱的地方。該處的最大應(yīng)力值為77MPa，小于殼體材料的抗拉強度值( 315MPa)。計算結(jié)果說明泵殼設(shè)計的強度完全能滿足使用要求。

    (3)壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)分析。圖O為該彈藥運輸車液壓系統(tǒng)的部分原理圖。其中，上車壓力的微調(diào)閥5控制著液控溢流閥4控油口K的壓力大小，即決定著溢流閥4的開啟壓力值。

    多路換向閥2的作用是：選擇給上車系統(tǒng)供油還是選擇給下車支腿油路供油，兩者只能選其一。

    當(dāng)選擇向上裝系統(tǒng)供油時，液壓油經(jīng)溢流閥1控制．通過多路換向閥進(jìn)入上車系統(tǒng)，又經(jīng)溢流閥4的控制后去執(zhí)行某個動作，此時可以由液壓指示表3得知整個系統(tǒng)工作的壓力值。

    選擇向上裝系統(tǒng)供油時，溢流閥1和4在整個液壓系統(tǒng)中處于并聯(lián)關(guān)系，起作用的只是開啟壓力值較低的一個，如果上車（或下車）溢流閥產(chǎn)生故障，則只調(diào)高下車（或上車）溢流閥的開啟壓力，壓力指示表的示值仍為溢流閥4(或1)的開啟值。調(diào)試兩個溢流閥的開啟壓力時，一般采用的方法為；先將其中一個溢流閥微調(diào)，若壓力表指示仍達(dá)不到規(guī)定值再調(diào)另一個。

    由于上車溢流閥4發(fā)生故障，操作人員雖經(jīng)過多次調(diào)高下車溢流閥的開啟壓力值，并已超過齒輪泵的最高壓力值，但液壓指示表3的示值仍為溢流閥4的開啟值。此時選擇向下車系統(tǒng)供油并收起支腿，由于支腿收到位時系統(tǒng)液壓升高，但溢流閥不能及時開啟，系統(tǒng)液壓迅速升高超過齒輪泵的最高壓力值造成殼體爆裂。

    由上述分析可以看出，齒輪泵爆裂主要由液壓系統(tǒng)設(shè)計不完善，系統(tǒng)液壓壓力調(diào)整不當(dāng)所造成。同時，操作規(guī)范中也沒有明確的壓力調(diào)整方法，以指導(dǎo)操作人員。

3．措施

    通過分析，查明了產(chǎn)生原因，為了保證液壓設(shè)備的正常工作，今后避免再發(fā)生類似的事故，采取了以下幾個措施。

    (1)完善液壓系統(tǒng)。一種方法是在下車液壓系統(tǒng)加裝液壓指示表，但下車溢流閥調(diào)整的次數(shù)不多，加裝液壓指示表既增加成本，也并非必須。另一種方法是改進(jìn)下車溢流閥閥體結(jié)構(gòu)，限定其開啟壓力調(diào)整值范圍為3～23MPa，即使壓力調(diào)整螺栓擰到最大，溢流閥依然能開啟，且壓力為23MPa，這樣既能滿足使用要求，又不超過齒輪泵的額定壓力值(25MPa)。經(jīng)過專家評審最終選擇第二種方法。

    (2)完善總裝調(diào)試文件。將上述的調(diào)試方法加入總裝調(diào)試工藝及作業(yè)指導(dǎo)書中，并對相關(guān)人員進(jìn)行培訓(xùn)，使之按規(guī)定的程序調(diào)試和作業(yè)。

    落實以上措施后，對后續(xù)產(chǎn)品及已交付部隊使用的產(chǎn)品改進(jìn)、試驗、跟蹤，無類似事故出現(xiàn)。這說明原因分析全面，措施到位，效果良好。