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第一作者簡介：陳晉市（1983-），男，山西晉城人，副教授，博士，研究方向為流體傳動與控制，就職于吉林大學機械與航空航天工程學院。基金項目：科技部“國家重點研發(fā)計劃”項目（2018YFB2000900）摘 要：工程機械軸向柱塞泵在實際的工作過程中，由于物理、化學因素或操作人員使用不當等人為因素的影響，在使用一段時間后軸向柱塞泵會出現一些故障現象，致使軸向柱塞泵的使用壽命縮減，影響施工進度。為了解決軸向柱塞泵在工作過程中出現的故障問題，對常見的幾種故障進行了分析。通過研究軸向柱塞泵的故障情況，對引起軸向柱塞泵故障的原因進行了詳細的分析，并提出了改進方案；重新投入使用后驗證了改進方案的可行性。提出了關于軸向柱塞泵設計、運行和維護的預防措施，提高了軸向柱塞泵的穩(wěn)定性和可靠性，為今后軸向柱塞泵的現場故障解決和預防提供了有效參考。背景軸向柱塞泵是液壓系統(tǒng)中的能量轉換元件，是實現機械裝備運動的關鍵基礎功能部件，其性能的好壞直接影響著整個液壓系統(tǒng)的工作效率，具有壓力高、功率大和適用范圍廣等優(yōu)點，被廣泛運用于民用、軍用、航天船舶機械等行業(yè)，是現代化工業(yè)生產中使用最多的液壓元件之一。根據定義，軸向柱塞泵喪失其原有特定功能的現象稱之為故障，顯著特征是其容積效率下降到85%以下或者有明眼可見的泄漏。而在實際的長期使用中，軸向柱塞泵會因為時間、溫度、壓力等物理因素和介質及污染物等化學因素以及人為操作不當等的影響，經常會發(fā)生突發(fā)故障的現象，繼續(xù)使用會喪失柱塞泵可靠性和導致安全事故。而鑒于軸向柱塞泵結構較復雜，有的泵體還是國外進口件，更換不僅提升成本，采購時間也會增加，因此在理論研究的基礎上結合工程實際使用情況來研究軸向柱塞泵的故障情況，并提出相關的預防改進措施，就顯得尤為必要。軸向柱塞泵典型的故障有：卡滯、磨損、氣噬、分離脫離和人為故障等。這些問題一旦發(fā)生就會對軸向柱塞泵本身和施工造成一定的影響，延長施工進度。所以為了保證軸向柱塞泵的使用壽命和可靠性，本文在收集整理了大量當前工程機械市場使用較為頻繁的國內外廠家柱塞泵失效案例信息后，通過安裝在三一重工、山推等企業(yè)的各類機型上的實際反饋，對產生失效的原因進行了詳細的分析，提出了改進方案，最后提出了相應的預防措施。改進后的軸向柱塞泵穩(wěn)定性和可靠性得到了提升，為今后軸向柱塞泵的現場故障解決和預防提供了有效參考。柱塞泵的主要結構包括：傳動軸、缸體、斜盤、柱塞、滑靴、配流盤、變量機構和回程盤等。軸向柱塞泵的結構簡圖如圖1所示。 
1.傳動軸 2.配流盤 3.柱塞 4.滑靴 .斜盤軸向柱塞泵較為顯著的特點是柱塞的中心線與缸體的中心線是平行的，所以當連接在軸向柱塞泵主傳動軸外部的電機工作時，會帶動著圓周分布在配流盤上的幾個柱塞一起做旋轉運動。斜盤和滑靴在柱塞泵內部的位置是相對固定的，但是斜盤給予滑靴的反作用力會促使滑靴在缸體內部做進給-回程的往復直線運動，從而造成柱塞孔內形成真空或者高壓的區(qū)域，再經過配流盤的配油，最終完成一整套吸油和排油的完整過程。接下來就軸向柱塞泵的幾種故障類型依次進行介紹。
(1) 液壓油里混有大小不等的細微固體顆粒物，當軸向柱塞泵處于高速運轉狀態(tài)時，滑靴和斜盤之間的油膜會混入雜質，相對高速旋轉下會在滑靴表面留有清晰可見的直線劃痕；(2) 柱塞與缸體之間由于混入雜質顆粒物和潤滑不足導致柱塞卡滯或出現干磨現象。(1) 外界污染物進入，這些污染物有多種來源，比如客戶的裝配輔件，管路、接頭、油箱等；(2) 系統(tǒng)管路設計有待優(yōu)化，無法有效排出雜質，且在制作油箱和特定管接頭時，焊接過程中的焊渣沒有及時地清理干凈；(3) 客戶采用的鋼管容易吸附雜質，以及出廠檢測時對于清潔度的要求不夠嚴格等；(4) 軸向柱塞泵的實際工作轉速超過了其額定轉速，導致滑靴脫離原始工作區(qū)域，導致滑靴異常磨損和柱塞的干摩擦。(1) 更換液壓油，明確提出液壓油的油液黏度和清潔度的相關指標；(2) 加強客戶裝配現場的清潔度控制，工人的操作方式，以及加油的方式，所有流經液壓系統(tǒng)的液壓油都需要經過濾油機進行加油；(3) 更改管路設計，針對低壓側管路進行了整改，并適當降低了系統(tǒng)的工作轉速。經過改進后的軸向柱塞泵，在之后的使用過程中，卡滯現象已明顯減少。
經施工現場反饋1臺壓路機動力不足，軸向柱塞泵輸出流量不足或者根本沒有輸出流量，經拆解，發(fā)現柱塞泵配流盤與滑靴體結合面處存在磨損痕跡，且氣蝕現象明顯。(1) 液壓油里含氣量太高。在壓路機啟動過程中或者工作過程中中途更換一些其他零部件后，液壓系統(tǒng)沒來得及將系統(tǒng)里殘余的空氣排盡就重新工作，導致油液里混入了些許空氣，同時配流盤會吸空，在管路折彎處和系統(tǒng)高壓處易形成氣泡，爆裂產生的沖擊會對配流盤產生氣蝕和振動噪聲；(2) 系統(tǒng)使用過程中有管路破損或因使用不當混入雜質顆粒物，造成系統(tǒng)污染，油液清潔度嚴重不良，導致異常磨損；(3) 系統(tǒng)長時間不間斷工作，導致油溫太高，影響油液黏度。油液黏度太低的話不利于缸體-配流副之間形成油膜，從而引發(fā)二者的干摩擦現象，加速磨損。(1) 嚴格按照操作規(guī)范對液壓系統(tǒng)進行注油和排氣；(2) 如發(fā)現系統(tǒng)管路損壞，必須注意清潔度并對新管路進行徹底清洗后才能安裝使用，并且所有流經液壓系統(tǒng)的液壓油都需要經過濾油機進行加油；(3) 錯峰、間歇性使用主機，增加沖洗閥和散熱箱等措施來確保油溫在正常范圍之內，同時對于過度損壞的配流盤及缸體要做到及時更換。
(1) 滑靴與柱塞之間的間隙增大，滑靴從柱塞頭部處拔脫分離；(1) 柱塞與滑靴的防脫力較低，多次拉拔導致滑靴材料塑性變形，柱塞球頭與滑靴之間的軸向間隙加大，最終打壞滑靴回程盤；(2) 柱塞在經過異常磨損后，與缸體接觸的部分表面會粘附在缸體內壁，導致柱塞的往復運動受阻，高速運轉時會導致滑靴一半遭受大拉力，一半受拉力，長時間承受交變應力至其疲勞極限而分離，另外液壓油污染或乳化嚴重導致缸體柱塞之間的潤滑不足、低壓區(qū)壓力過低、油液背壓過高使靴套與圓頭間隙突然過小，以及快速滑扭就憋壞靴座等原因均可能造成柱塞球頭和滑靴分離；(3) 柱塞泵在安裝過程中對于缸體柱塞孔內鑲嵌的銅套過盈量預留不足，同時出廠驗收時也沒有將此位置做細致檢測，導致銅套脫落。(1) 改善滑靴與柱塞的配合間隙提高滑靴防脫的盈余度，將柱塞球頭的防脫力較改進前提升60%，軸向柱塞泵零部件間的間隙標準如表1所示。
(2) 檢查泵的密封系統(tǒng)，并重新評估軸向柱塞泵零部件硬度和紋理特征，零部件推薦硬度如表2所示。
(3) 優(yōu)化軸向柱塞泵的結構，在設計時便增大銅套過盈量從而增大防脫力，以及在出廠驗收過程中加大對這些環(huán)節(jié)的檢測。改進后效果良好，長時間內無分離脫落現象發(fā)生。（1）原因分析：① 外包元件清洗環(huán)節(jié)清洗不良，造成噴漆效果差；② 油漆未干包裝等。（2）改進方案：① 新工廠建立自主噴漆線；② 從清洗環(huán)節(jié)等多方面改善工藝。2) 過濾器法蘭處結合面、串泵結合面漏油故障(如圖6b、圖6c所示)（1）原因分析：過濾器法蘭處和串泵結合面漏裝O形圈導致漏油。（2）改進方案：① 安裝O形圈時涂抹少量潤滑油脂固定O形圈；② 防止O形圈掉落；裝配線上通過自動化裝配線對物料進行智能投放等；③ 對客戶進行必要的現場培訓，確保按產品的相關使用規(guī)范進行使用。（1）原因分析：① 運輸或中轉過程中填充不良、包裝箱內側固定不良或運輸途中有側傾；② 無單獨小包裝箱等。（2）改進方案：① 增設內側固定支撐；② 獨立小包裝箱，填充物的合理使用。
針對引起上述軸向柱塞泵故障的各類原因和相應的改進方案，提出以下預防措施：
(1) 檢查缸體-柱塞副時，首先可以直觀檢測柱塞外表面和缸體內壁有無明顯的刮痕和結構上的缺陷，有條件的可借助內窺鏡和探針去細致地檢查；(2) 建議選用進口大品牌高質量液壓油，并嚴格要求其化學成分組成，確保油液黏度系數和清潔度，推薦黏度范圍是12～80 mm2/s，清潔度要求按ISO標準，代號為22/18/13；(3) 設計人員設計時要適當加大銅套的過盈量，增加柱塞球頭的防脫力；(4) 建議選過濾精度較高的高質量品牌的過濾器，在新泵出廠調試后，及時排出管路及油箱內的舊液壓油和顆粒污染物，并按照使用情況定時更換液壓油和過濾器濾芯；(5) 車間加工完出廠前要做好嚴格的尺寸和質量檢查，對于柱塞和缸體的間隙以及零件的硬度要進行抽樣檢查，嚴格按照標準來執(zhí)行，保證軸向柱塞泵正常工作無分離脫落現象；(6) 對操作人員進行專業(yè)的崗前培訓 ，嚴禁不同工種流動作業(yè)，避免對軸向柱塞泵造成不必要的損失；操作人員需嚴格按照說明書進行操作，并在后期不定時進行軸向柱塞泵故障診斷與維護保養(yǎng)。本文所述主要是根據收集整理到的大量軸向柱塞泵故障案例，選擇幾組典型的故障類型，就其故障原因進行了詳細分析，提出了有效的改進和預防措施，對實際故障檢修及故障排除有一定的指導作用。但這些也只是軸向柱塞泵常見故障的一部分，因此，在對軸向柱塞泵的日常維護保養(yǎng)工作中，要不定時地進行故障檢測及診斷，及時發(fā)現問題并進行改正，這樣可以延長軸向柱塞泵的使用壽命，加快施工進度，更好地維持液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運行，進而產生更大的效益。
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