齒輪泵殼體爆裂的原因分析與措施
1．簡(jiǎn)介
在對(duì)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(duì)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(lái)查看，此時(shí)齒輪泵突然發(fā)生爆裂。
2．故障原因分析
停車后對(duì)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(zhǎng)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(duì)問題的現(xiàn)象，從以下幾個(gè)方面對(duì)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(huì)產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，導(dǎo)致爆裂。為驗(yàn)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(cè)試。
結(jié)果表明：實(shí)測(cè)材料抗拉強(qiáng)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(yàn)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(wú)陳舊性裂紋，這說(shuō)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(shuō)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(shí)體模型（該過程亦稱實(shí)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(shí)通過定義關(guān)鍵點(diǎn)，再用這些關(guān)鍵點(diǎn)定義較高級(jí)的圖元，這種由點(diǎn)到線、由線到面、由面到體、由低級(jí)到高級(jí)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(jí)圖元開始建模，低級(jí)圖元直接生成。根據(jù)殼體結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的特點(diǎn)，采用自底向上的建模方法。
殼體實(shí)體模型建立好之后，對(duì)其進(jìn)行了網(wǎng)格的劃分，圖M為殼體實(shí)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(duì)殼體施加邊界約束時(shí)，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(gè)連接螺栓孔對(duì)殼體的自由度進(jìn)行約束，因而對(duì)安裝固定螺孔內(nèi)部施加全約束(ALL DOF)，在殼體的8個(gè)連接螺栓孔施加UX、UY、UZ三個(gè)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(shí)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(diǎn)位于泵殼端蓋緊固螺栓孔處（圖中MX處），同發(fā)生爆裂的實(shí)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(qiáng)度值( 315MPa)。計(jì)算結(jié)果說(shuō)明泵殼設(shè)計(jì)的強(qiáng)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(yùn)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(shí)，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(gè)動(dòng)作，此時(shí)可以由液壓指示表3得知整個(gè)系統(tǒng)工作的壓力值。
選擇向上裝系統(tǒng)供油時(shí)，溢流閥1和4在整個(gè)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(gè)，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(gè)溢流閥的開啟壓力時(shí)，一般采用的方法為；先將其中一個(gè)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(gè)。
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(shí)選擇向下車系統(tǒng)供油并收起支腿，由于支腿收到位時(shí)系統(tǒng)液壓升高，但溢流閥不能及時(shí)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(jì)不完善，系統(tǒng)液壓壓力調(diào)整不當(dāng)所造成。同時(shí)，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(gè)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(píng)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(duì)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(shí)以上措施后，對(duì)后續(xù)產(chǎn)品及已交付部隊(duì)使用的產(chǎn)品改進(jìn)、試驗(yàn)、跟蹤，無(wú)類似事故出現(xiàn)。這說(shuō)明原因分析全面，措施到位，效果良好。