柱塞式液压泵由于具有可输出高压甚至超高压传动介质、自润滑性好、磨损少、使用寿命长、工作效率高等优点,在工程机械、交通运输、船舶制造、矿山、石油、军工、航空等行业领域已经得到广泛的应用。超高压柱塞泵是.近几年引进国外技术工艺生产的可提供超过100 MPa输出压力的一种特种柱塞泵。与传统的超高压输出器件(譬如缸筒式增压器)相比较,具有体积小、重量轻、结构简单、造价低、可以连续稳定地输出超高压液压工作介质等优点。在工程机械、事故救援、压力容器安全检测、管道爆破试验以及工程油缸性能检测等一些需要使用超高压油源的特殊领域已经得到了较普遍的应用。但在使用过程中也陆续暴露了超高压柱塞泵的一些质量问题,譬如工作过程中输出压力达不到使用要求(失压现象)以及零部件工作寿命短等,本文将针对影响该型泵工作寿命的几个问题提出自己的观点以及相关对策供大家参考。
1.超高压柱塞泵结构、工作原理
超高压柱塞泵基本结构见图1,超高压柱塞泵属于阀配油结构形式,由7根柱塞、柱塞安装法兰、高压输出法兰、偏心轴以及轴承等零部件组成。其中关键部件柱塞结构外形见图2,它由吸油阀体、排油阀体、柱塞、缸体、复位弹簧等零部件组成。柱塞泵工作原理见图3。

在偏心轴的转动和复位弹簧的作用下,引起柱塞与缸体所形成的密封容积的变化,密封容积变大时,排油阀体关闭,液压工作介质经吸油阀体进入缸体内;密封容积变小时,吸油阀体关闭,介质经排油阀体进入高压输出法兰,供系统使用。

2.常见故障现象以及原因分析
超高压柱塞泵在使用过程中经常发生的功能性故障主要有以下几种:
(1)钢球表面腐蚀 泵转动正常,输出工作介质压力与正常情况相比大大下降,只有正常工作时压力的31%以下,输出流量只有正常情况下的22%以下,说明泵在运转过程中存在较严重的内或外泄漏。经对问题柱塞泵解体检查后发现,单个柱塞吸、排油阀体内单向密封用钢球表面存在较明显的疲劳腐蚀痕迹,吸油阀体内钢球的腐蚀更为明显,由此可以看出,钢球的失效与腐蚀、气蚀有关。由此造成的内泄漏严重影响了泵的密封性,导致泵的压力、流量下降。失效钢球见图4。图5是吸油阀座。由图5可以看出,阀座的密封线部位没有失效现象。
(2)柱塞断裂 泵的解体过程中,发现有柱塞存在裂纹甚至断裂,裂纹或断裂的部位在柱塞的颈部,柱塞与缸体之间的配合间隙大以及柱塞头部受力部位偏离柱塞轴线过大产生扭矩,引起应力集中,导致微裂纹的产生以及扩散,在运转过程中断裂,见图6。柱塞头部脱落后,引起柱塞与缸体间隙配合密封长度降至正常水平的55%左右,超高压柱塞泵结构上一般配置七个柱塞(单排),或者成倍增加柱塞数量(双排、三排等),与一般高压柱塞泵采用配油盘或者轴配油结构不同,超高压柱塞泵采用阀配油结构,因此这种故障只对输出流量有较大影响,对于泵的压力输出影响不大,但是它改变了偏心轴的受力状况,裂纹扩展过程产生的金属屑对介质会产生污染、加剧轴承的磨损。
(3)复位弹簧断裂 主要原因是弹簧在制造过?短的时间内发生脆断。这种故障对泵的输出压力没有影响,但泵的流量会有明显下降,因为它会导致弹簧所在的柱塞不能完成吸油功能。
超高压柱塞泵一般应用于需要超高压力的液压系统中,对其输出流量要求不是非常严格,但对输出超高压力的要求是必须的基本要求。由以上分析可以看出影响泵使用的主要故障是钢球失效。
3.提高超高压柱塞泵使用寿命的对策
提高超高压柱塞泵使用寿命的关键,就是要解决上述零件的可靠性问题。影响零件可靠性的因素有零件使用的环境因素(如温度、腐蚀性、载荷频率等),应力集中因素,零件尺寸结构因素,表面加工质量因素,零件使用的材料等。
对钢球失效现象,可以判定是属于应力集中导致钢球表面疲劳点蚀,介质中的酸性物质引起点蚀处腐蚀(特别是在使用液压液的系统中,钢球的腐蚀尤为严重),并逐步扩展的结果。根据赫兹应力计算公式式中:F为作用于接触面上的总压力;B为初始接触线长度;L1和L2分别为相接触零件材料的泊松比;E1和E2分别为相接触零件材料的弹性模量;Q1和Q2分别为两零件初始接触线处的曲率半径,其中正号用于外接触,负号用于内接触。假设所用材料均为轴承钢GCr15,计算后,该型泵在连续输出80MPa压力的条件下,尺寸为54mm的钢球与吸油阀座90b锥面之间产生的接触压应力为649MPa,比轴承钢材料的许用接触应力3800MPa要小得多,但与普通优质碳素钢的接近。理论计算结果似乎与实际情形矛盾,一方面由于零件加工存在形状误差可能局部实际应力比计算要大得多,但另一方面在有腐蚀性介质存在的情况下,线接触部分由于应力的周期性作用,很容易产生电化学反应导致腐蚀现象发生。根据以上计算分析,可采取以下应对措施:装配时采用锤击钢球和吸油阀座的方法适当增加钢球密封线的宽度,以减小钢球的接触应力,换用耐腐蚀、高疲劳极限的材料制造,例如不锈钢、陶瓷材料等。在实际使用中采用9Cr18材质的钢球进行改造,该型泵吸油阀正常使用的时间成倍增加。
对于柱塞断裂,除了要控制制造过程的质量,有必要对零件以及相关传动机构的尺寸(譬如偏心轴的偏心距)、结构做出合理的调整,减少柱塞所受扭矩,以及对柱塞头肩部过渡处采用圆弧过渡或采用铰接结构,减少应力集中带来的疲劳隐患。对于复位弹簧断裂,主要应着眼于材料选用与对弹簧制造过程控制,避免有缺陷弹簧进入泵装配环节。