， ， ， 　， , 　(. 北京航空航天大學(xué)， 北京　009; . 金城南京機(jī)電液壓工程研究中心， 江蘇 南京　40；. 北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所， 北京　000)

引言

文獻(xiàn)[1]提出，對(duì)于液壓柱塞泵來說，導(dǎo)致到壽的主要故障模式為磨損、疲勞、老化?？紤]這三種主要失效模式開展的有關(guān)液壓泵加速壽命試驗(yàn)方法的研究，取得了一定的進(jìn)展。王少萍等[2]針對(duì)液壓泵的磨損失效模式，綜合分析了壓力、轉(zhuǎn)速、溫度、油液黏度、污染度等應(yīng)力施加水平對(duì)磨損壽命的影響，并進(jìn)一步探討了施加綜合應(yīng)力開展耐久試驗(yàn)的方法。在俄羅斯發(fā)布的OCT 1系列加速標(biāo)準(zhǔn)文件[3]中，建議在液壓泵加速壽命試驗(yàn)中施加的應(yīng)力有壓力、 轉(zhuǎn)速、流量和溫度。其中溫度應(yīng)力的施加主要考慮對(duì)密封件老化的影響，并沒有描述溫度應(yīng)力與泵磨損之間的關(guān)系。美國(guó)軍用[4]和民用[5]飛機(jī)液壓泵試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中則建議綜合施加壓力、轉(zhuǎn)速、流量等載荷，對(duì)溫度并沒有特別要求。

在加速壽命試驗(yàn)領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)最早針對(duì)飛機(jī)液壓系統(tǒng)主泵ZB-34M開展了加速壽命試驗(yàn)[6]。隨后不斷有研究和工程技術(shù)人員嘗試不同方法開展加速壽命試驗(yàn)。常真衛(wèi)[7]介紹了實(shí)施加速的基本條件：①加速試驗(yàn)出現(xiàn)的故障模式及機(jī)理應(yīng)與額定應(yīng)力作用下的相一致；②存在規(guī)律的加速性；③加速與額定狀態(tài)下的壽命分布與損傷退化量應(yīng)具有同一性或相似規(guī)律性。并假設(shè)：①液壓泵壽命服從WEIBULL分布；②關(guān)鍵摩擦副的磨損導(dǎo)致產(chǎn)品到壽。鑒于壽命試驗(yàn)對(duì)試驗(yàn)平臺(tái)要求較高，國(guó)內(nèi)也有研制人員開展了加速壽命試驗(yàn)臺(tái)的研制工作[8]。

綜上所述，國(guó)內(nèi)外在液壓泵的壽命試驗(yàn)過程中，針對(duì)不同類型的失效模式，采取的應(yīng)力施加方式也不盡相同。本研究以航空用恒壓變量液壓柱塞泵為例，主要介紹典型失效模式、機(jī)理、壽命影響因素，以及故障外在表現(xiàn)形式和加速方式。

1　液壓柱塞泵的典型失效模式

圖1所示為典型恒壓變量液壓柱塞泵結(jié)構(gòu)示意。在液壓柱塞泵典型的三種失效模式中，磨損主要涉及柱塞-缸體副(柱塞副)、斜盤-滑靴副(滑靴副)、缸體-配油盤副(配油盤副)、軸承、變量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的閥芯-閥套運(yùn)動(dòng)副、軸尾密封機(jī)構(gòu)等。恒壓變量液壓柱塞泵除殼體和安裝座之外幾乎都是運(yùn)動(dòng)部件，并且在運(yùn)動(dòng)過程中均承受交變應(yīng)力(變量控制機(jī)構(gòu)外的殼體也承受交變應(yīng)力，因此也會(huì)導(dǎo)致疲勞失效)。老化則主要和液壓柱塞泵的橡膠密封件相關(guān)。

圖1　恒壓變量軸向柱塞泵結(jié)構(gòu)組成示意

1.1　磨損

磨損分為磨粒磨損、黏著磨損、疲勞磨損、腐蝕磨損四種主要類型。液壓柱塞泵的磨損主要涉及柱塞副、滑靴副、配油盤副，不同運(yùn)動(dòng)副的主要磨損形式不同，但主要是彈性流體動(dòng)力潤(rùn)滑(Elasto Hydrodynamic Lubrication, EHL)情況下的磨粒磨損和粘著磨損。泵的磨損過程是典型的多場(chǎng)、多因素耦合作用的結(jié)果，影響因素很多。Hsu[9]總結(jié)了影響磨損的32個(gè)參數(shù)，包括溫度、比熱容、速度、污染程度、接觸面材料、表面加工水平、潤(rùn)滑情況、載荷情況等。Meng[10]系統(tǒng)闡述了28 種類型的磨損模型，其中共涉及100多個(gè)和磨損過程相關(guān)的參數(shù)。

對(duì)于液壓柱塞泵主要運(yùn)動(dòng)副的磨損來說，磨損模型大都是Archard模型及其改進(jìn)形式[11,12]。然而，EHL磨損模型用于分析柱塞泵摩擦副磨損特性時(shí)具有局限性，主要是由于模型中的變量參數(shù)不能直接獲得。其中最重要的影響參數(shù)是摩擦副的油膜厚度。但油膜厚度的影響因素很多，包括泵的壓力、流量、溫度、轉(zhuǎn)速等工況參數(shù)，也包括結(jié)構(gòu)摩擦副的結(jié)構(gòu)形式、尺寸參數(shù)、材料屬性等[13]。

1.2　疲勞

疲勞涉及到柱塞泵所有的運(yùn)動(dòng)部件和殼體(殼體部位承受交變應(yīng)力)。關(guān)于疲勞壽命的研究，已經(jīng)有了100多年的歷史，也有了大量的研究成果。在諸多的疲勞壽命分析模型中，基于應(yīng)力的S-N曲線方法是最早，也是最常用的方法。此外，基于累積疲勞損傷的模型，包括基于線性累積損失理論的Pallmgren-Miner公式、基于雙線性累積損傷理論的Grover-Manson公式、基于雙線性疲勞累積損傷理論的Corten-Dolan公式、Marco-Starkey公式和Henry公式[14]等，也得到了廣泛的應(yīng)用。根據(jù)這些成熟的研究成果，國(guó)內(nèi)外的商業(yè)機(jī)構(gòu)開發(fā)了能夠應(yīng)用于疲勞壽命分析的多種商業(yè)軟件，其中應(yīng)用比較廣泛的有nCode、MSC Fatigue、ANSYS Fatigue、LMS Virtual Lab Durability等。

具體到液壓泵相關(guān)部件，由于疲勞導(dǎo)致的失效主要包括殼體開裂，調(diào)壓彈簧折斷，斜盤、主軸、缸體等結(jié)構(gòu)件的開裂，軸承損壞和斷裂等故障模式。結(jié)構(gòu)件疲勞屬于典型的失效模式，基于S-N曲線方法和累積疲勞損傷模型分析可知，柱塞泵結(jié)構(gòu)件疲勞失效模式的敏感應(yīng)力主要包括轉(zhuǎn)速(交變應(yīng)力頻率)、壓力和排量 (交變應(yīng)力幅值)、柱塞個(gè)數(shù)(壓力脈動(dòng)頻率)、流量切換頻率(流量切換機(jī)構(gòu)的疲勞特性相關(guān))等。

1.3　老化

老化失效與橡膠密封件相關(guān)。關(guān)于橡膠產(chǎn)品老化過程與壽命方面的研究，有大量的研究成果，不再贅述。俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)[15]中關(guān)于溫度與密封件老化壽命之間的關(guān)系也進(jìn)行了描述。

液壓柱塞泵中的橡膠密封件，主要是用于靜密封結(jié)構(gòu)，其老化失效會(huì)引起外部泄漏。綜合航空液壓泵的使用及外場(chǎng)返修情況，外部泄漏故障現(xiàn)象極為少見，本文不再著重闡述密封件老化失效模式及其加速方法。

對(duì)液壓柱塞泵關(guān)鍵失效模式、相關(guān)部件(組件)、敏感應(yīng)力以及外在表現(xiàn)總結(jié)見表1。

2　常用加速手段

2.1　溫度

由表1可以看出，溫度主要影響泵摩擦副的磨損和橡膠密封件的老化過程。

首先，溫度是加劇液壓泵磨損的主要因素。溫度升高可降低材料機(jī)械性能，增大表面接觸凸點(diǎn)的金屬擴(kuò)散與塑性變形。其次，溫度升高降低油液黏度，破壞邊界油膜，從而加速磨損。

表1　液壓泵主要部件失效模式與影響因素

溫度與磨損速率之間的關(guān)系，國(guó)內(nèi)已經(jīng)有針對(duì)性的研究成果[13,15]。在文獻(xiàn)[11]中已經(jīng)部分描述了粘彈性潤(rùn)滑磨損情況下磨損與溫度之間的關(guān)系。文獻(xiàn)[15]針對(duì)不同工況，闡述了不同溫度下基于柱塞副的相對(duì)磨損率。在文獻(xiàn)[3]中，也提及了溫度升高的加速作用，但是沒有明確說明溫度對(duì)磨損的定量影響。

在液壓泵工作狀態(tài)下的溫度范圍內(nèi)，溫度變化對(duì)疲勞的影響很少。在介質(zhì)溫度低于200 ℃時(shí)，通常不考慮溫度對(duì)鋼制件疲勞強(qiáng)度的影響[7]，所以溫度對(duì)泵疲勞過程的影響可以不予考慮。

綜上所述，通過提高介質(zhì)溫度可以加速液壓泵的磨損和老化過程，并且具備以下優(yōu)點(diǎn)：①比較容易實(shí)施，介質(zhì)溫度控制相對(duì)比較容易；②加速效率高。大量工程使用經(jīng)驗(yàn)表明，溫度對(duì)液壓柱塞泵壽命影響明顯，也從側(cè)面說明通過升高溫度實(shí)施加速壽命試驗(yàn)效率較高。

但是溫度加速也有顯著問題：①介質(zhì)溫度與泵(磨損)壽命之間的定量關(guān)系無(wú)法確定；②對(duì)各個(gè)部件的加速效果不一致。溫度對(duì)滑靴副和配油盤副的磨損過程影響明顯，但是對(duì)于柱塞泵容積效率下降的主要運(yùn)動(dòng)副(柱塞副)的摩擦過程加速效果一般。

2.2　轉(zhuǎn)速

轉(zhuǎn)速也是直接影響磨損和疲勞壽命的因素之一。從文獻(xiàn)[3,11]闡述的模型可以看出：在液壓泵的設(shè)計(jì)或使用速度范圍以內(nèi)，轉(zhuǎn)速(摩擦副運(yùn)動(dòng)行程)與磨損和疲勞壽命之間通常呈線性比例關(guān)系。通過提高轉(zhuǎn)速開展泵加速壽命試驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)：①比較容易實(shí)施，提高試驗(yàn)件的轉(zhuǎn)速比較簡(jiǎn)單可行；②轉(zhuǎn)速與壽命之間定量關(guān)系簡(jiǎn)單。由于壽命與摩擦副行程成比例關(guān)系，容易得到加速試驗(yàn)壽命與常規(guī)工況下的壽命對(duì)比關(guān)系。

提高轉(zhuǎn)速開展加速試驗(yàn)的缺點(diǎn)也比較明顯：①加速空間有限，由于液壓柱塞泵的額定轉(zhuǎn)速通常已經(jīng)在一個(gè)較高水平，轉(zhuǎn)速升高的幅度有限，導(dǎo)致加速效率不高；②提高轉(zhuǎn)速通常還會(huì)引起與常規(guī)使用工況下不一致的故障模式，還會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定；③ 轉(zhuǎn)速增大對(duì)液壓泵運(yùn)動(dòng)副油膜特性(尤其是滑靴副和配油盤副)會(huì)發(fā)生比較大的變化，改變摩擦副的磨損機(jī)理。

2.3　壓力

提高液壓泵的出口壓力可以增加摩擦副的載荷水平，從而加速磨損和疲勞過程。提高壓力開展加速試驗(yàn)具有以下優(yōu)點(diǎn)：①加速效率較高，液壓泵輸出壓力是影響摩擦副載荷和運(yùn)動(dòng)部件疲勞損傷程度的敏感應(yīng)力，壓力與磨損和疲勞壽命之間呈指數(shù)關(guān)系；②容易實(shí)施，開展液壓泵壽命試驗(yàn)過程中調(diào)整壓力比較容易，不需要增加試驗(yàn)設(shè)施。

升高壓力進(jìn)行加速同樣存在缺陷：①壓力與壽命之間的定量關(guān)系難以獲得，雖然關(guān)于磨損和疲勞的研究比較成熟，但對(duì)于不同結(jié)構(gòu)形式的液壓柱塞泵，以及不同的摩擦副結(jié)構(gòu)和材料，額定壓力與磨損壽命、疲勞壽命之間的定量關(guān)系很難獲得；②容易導(dǎo)致試驗(yàn)失敗，壓力過高容易導(dǎo)致故障機(jī)理發(fā)生變化，出現(xiàn)額定工況下不會(huì)出現(xiàn)的故障模式，這是加速壽命試驗(yàn)所不允許的。

2.4　排量(斜盤傾角)

柱塞泵的容積效率是泵到壽的主要判據(jù)，而容積效率的降低，對(duì)于柱塞泵來說，主要是由于柱塞副的長(zhǎng)期磨損之后柱塞副間隙增大引起的泄漏增加引起。

提高排量是一種比較有效的加速手段。斜盤傾角變大會(huì)顯著增加柱塞副徑向載荷，同時(shí)也增加了運(yùn)動(dòng)部件的載荷，加速柱塞副磨損和運(yùn)動(dòng)部件的疲勞過程。通過提高排量實(shí)施加速的優(yōu)點(diǎn)：①由于斜盤傾角的變化被限制在一個(gè)設(shè)計(jì)容許的范圍內(nèi)，所以提高排量這種加速手段不會(huì)引起失效機(jī)理和模式的變化；②斜盤傾角變化對(duì)柱塞副的徑向載荷影響較大，加速效率(尤其是針對(duì)柱塞副磨損失效)較高。

增加排量實(shí)施加速試驗(yàn)也有一定局限：①加速部位具有局限性，只能顯著加速柱塞副的磨損過程，對(duì)于滑靴副和配油盤副，由于通過增加斜盤傾角不能有效增加其摩擦面載荷，所以不能很好的加速其磨損過程；②排量和柱塞泵磨損及疲勞壽命之間的定量關(guān)系不明確，對(duì)于不同結(jié)構(gòu)形式、不同材料和工藝的液壓泵很難得到通用的排量和柱塞泵壽命定量關(guān)系。

2.5　介質(zhì)污染度

大量的研究和工程經(jīng)驗(yàn)表明，液壓泵主要運(yùn)動(dòng)副的磨粒磨損主要是油液污染造成的。介質(zhì)污染水平提高會(huì)顯著加速柱塞泵的磨損過程。國(guó)內(nèi)外關(guān)于介質(zhì)污染水平與磨損及性能退化過程之間的關(guān)系，已經(jīng)有了較多的研究成果。文獻(xiàn)[16]主要研究液壓泵壽命與介質(zhì)污染水平之間的定量關(guān)系，給出了一個(gè)液壓泵的統(tǒng)計(jì)模型。文獻(xiàn)[17,18]則主要從元件和系統(tǒng)性能角度，分析了介質(zhì)污染的影響。無(wú)論是元件或者系統(tǒng)，液壓介質(zhì)污染水平都會(huì)影響其性能，并間接影響其壽命。國(guó)外也有專門的工程軟件(HyPneu)用于分析介質(zhì)污染對(duì)液壓系統(tǒng)壽命的影響。

通過增加介質(zhì)污染程度加速液壓泵壽命試驗(yàn)過程，優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)都比較明顯。優(yōu)點(diǎn)是加速效率高，可以達(dá)到1∶10甚至更高的加速比。局限性在于：①只能加速液壓泵的磨粒磨損過程，不能加速其它形式的磨損及疲勞過程；②系統(tǒng)污染控制水平要求高，難度較大；③污染度增加會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)系統(tǒng)中其它元部件出現(xiàn)不可預(yù)知故障，容易引起非關(guān)聯(lián)失效，導(dǎo)致難以判斷液壓泵元件或系統(tǒng)的真實(shí)壽命。

從表2可以看出：①實(shí)施加速壽命試驗(yàn)的主要技術(shù)瓶頸在于各加速因素與壽命之間的定量關(guān)系不明確；②在液壓柱塞泵可用的加速手段中，主要是針對(duì)疲勞、磨損兩種失效模式； ③如果考慮實(shí)施的可行性，不建議通過增加污染度開展加速試驗(yàn)，如果對(duì)加速效率要求高，并且主要是磨損導(dǎo)致的失效，則可以通過增加污染度開展加速；④每種加速手段都具有一定局限性，如果要綜合考慮磨損、疲勞故障模式，并且要求液壓泵整體與部件加速壽命具有較高的匹配度，則需要綜合采取多種加速方式開展試驗(yàn)。

3　加速壽命試驗(yàn)的基本準(zhǔn)則

對(duì)于液壓柱塞泵來說，其加速手段有兩種：增加載荷和劣化使用環(huán)境。其中增加轉(zhuǎn)速、壓力、排量屬于增加載荷的加速方式；提高介質(zhì)溫度和增加介質(zhì)污染度屬于劣化使用環(huán)境方式。在實(shí)際的工程應(yīng)用過程中，采用的具體加速手段，單應(yīng)力及綜合應(yīng)力加速方法選擇，需要考慮常規(guī)使用條件下液壓泵的使用工況、常見的故障模式、設(shè)計(jì)裕度等。

表2　液壓柱塞泵不同加速手段的對(duì)比分析

綜合第1節(jié)中對(duì)液壓泵主要失效模式的闡述以及第2節(jié)中對(duì)液壓泵主要加速手段的闡述，結(jié)合我國(guó)液壓泵研制的實(shí)際情況，以及液壓泵研制廠家開展液壓泵加速壽命試驗(yàn)過程中的工程經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)基本準(zhǔn)則如下：

(1) 主要考慮磨損、疲勞和熱老化失效模式，具體考慮哪種故障模式，要結(jié)合泵結(jié)構(gòu)、材料、以及現(xiàn)場(chǎng)使用情況綜合權(quán)衡；

(2) 可以采用的加速手段包括：提高出口壓力、提高流量(排量)、增加轉(zhuǎn)速、增加污染度、提高介質(zhì)溫度，實(shí)際采用的加速手段還要綜合試驗(yàn)臺(tái)能力、泵性能指標(biāo)(最大排量、最大出口壓力、最大轉(zhuǎn)速)、設(shè)計(jì)裕度等因素；

(3) 對(duì)于恒壓變量泵，需要將加速試驗(yàn)與額定工況試驗(yàn)的流量切換頻次相同(保證流量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的疲勞失效模式與額定工況下一致)；

(4) 泵總體加速試驗(yàn)時(shí)間和部件加速時(shí)間要具有較高的匹配度；

(5) 加速壽命試驗(yàn)的載荷譜應(yīng)以額定工況為基準(zhǔn)進(jìn)行編制。

4　加速壽命試驗(yàn)效果分析方法

為驗(yàn)證加速壽命試驗(yàn)效果，通常需要對(duì)比加速壽命試驗(yàn)后與常規(guī)壽命試驗(yàn)后液壓泵的技術(shù)狀態(tài)參數(shù)、物理狀態(tài)參數(shù)。

(1) 技術(shù)狀態(tài)參數(shù)

技術(shù)狀態(tài)的變化主要是由于耗損性磨損導(dǎo)致的。通過監(jiān)測(cè)這些量，可以評(píng)價(jià)常規(guī)試驗(yàn)和加速試驗(yàn)對(duì)于磨損過程的匹配程度，驗(yàn)證加速試驗(yàn)的效果。需要對(duì)比監(jiān)測(cè)的技術(shù)狀態(tài)參數(shù)有：①零供油壓力；②最大流量壓力；③額定流量；④零流量殼體回油量；⑤全流量殼體回油量；⑥容積效率；⑦總效率。

(2) 物理狀態(tài)參數(shù)

物理狀態(tài)參數(shù)的變化主要是由于磨損和疲勞引起。需要對(duì)比監(jiān)測(cè)的物理狀態(tài)參數(shù)有：① 摩擦面表面狀態(tài)(配油盤端面尺寸、滑靴底面尺寸、缸體柱塞孔外徑)；② 彈簧壓縮量(流量調(diào)節(jié)彈簧、中心彈簧)；③ 密封件殘余變形量(端面密封、軸密封件)；④疲勞損傷累積量(主軸、斜盤耳軸、斜盤)；⑤ 運(yùn)動(dòng)副間隙(柱塞—柱塞孔，滑靴—斜盤，缸體—配油盤)。

5　結(jié)論

(1) 在開展液壓泵加速壽命試驗(yàn)時(shí)，主要考慮的故障模式為磨損、疲勞和老化。

(2) 可以通過提高介質(zhì)溫度、出口壓力、排量、轉(zhuǎn)速、介質(zhì)污染度開展加速試驗(yàn)，但每種加速手段都具有一定局限性。如果要綜合考慮磨損、疲勞故障模式，并且要求液壓泵整體壽命與部件壽命加速效果具有較高的匹配度，則需要綜合采取多種加速手段開展試驗(yàn)。

(3) 加速壽命試驗(yàn)的效果，需要通過對(duì)比與常規(guī)試驗(yàn)工況下(或現(xiàn)場(chǎng)使用工況下)的物理狀態(tài)參數(shù)、技術(shù)狀態(tài)參數(shù)來驗(yàn)證。

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