周 斌

（浙江久立特材科技股份有限公司JCO 分廠，浙江湖州 313012）

0 引言

SPS9000 型卷管成型機是一款為了生產(chǎn)大口徑直縫式不銹鋼鋼管而定制的成型卷管設備，主機由三組3000 t 單機并聯(lián)組成，每組兩個1500 t 液壓油缸作為工作單元，動作程序由西門子PLC 和人機界面同步控制，液壓動力單元采用6 組力士樂內(nèi)嚙合高壓齒輪油泵（型號PGH5-30/125RE11VU2）成對并聯(lián)設計方式。通常國內(nèi)大噸位液壓設備的液壓系統(tǒng)一般采用軸向柱塞泵設計，不采用內(nèi)嚙合高壓齒輪油泵并聯(lián)設計。而進口設備中這種不常見的液壓泵組的設計方式，雖然憑借其體積小的優(yōu)點節(jié)省了油泵的安裝空間、縮小了油箱的體積，但在設備運行開始就出現(xiàn)各種問題，其中最突出的問題是內(nèi)嚙合高壓齒輪油泵。因此在內(nèi)嚙合高壓齒輪油泵應用設計中，如果對各方面的相關影響因素考慮不全面，就會給正常的生產(chǎn)使用埋下故障隱患，影響設備的正常運行。

1 故障現(xiàn)象

德國力士樂內(nèi)嚙合高壓齒輪油泵雖然性能非常出色，但由于進口內(nèi)嚙合高壓齒輪油泵加工精度高，內(nèi)部各部件尺寸都是相互關聯(lián)的整體，沒有通用配件可以替換。在進口設備SPS9000型卷管成型機生產(chǎn)運行的10 年時間里，先后出現(xiàn)各種機械性故障，如油泵小齒輪軸頭彎曲斷裂、骨架密封滲油、“月牙板”銅板斷裂、油泵泵架斷裂等，因其無配件的不可修復性，導致內(nèi)嚙合高壓齒輪油泵經(jīng)常因故障報廢。

2 原因分析

2.1 液壓泵結構

PGH5-30/125RE11VU2 型液壓泵是一種體積小、容積效率高、具有固定排量的間隙補償內(nèi)嚙合高壓齒輪泵，泵體結構如圖1 所示。

圖1 PGH5-30/125RE11VU2 型液壓泵泵體結構

液壓泵采用相對齒輪內(nèi)嚙合的方式，通過兩者嚙合間隙的變化，將吸油區(qū)ΔS 的液壓油定向輸送到壓力區(qū)P。

油泵軸向通過軸向密封墊片來平衡壓力區(qū)和墊片背壓，從而以較低的機械損耗來實現(xiàn)理想的密封效果。徑向則由扇形體、扇形支撐體和密封輥組成徑向補償單元，俗稱“月牙板”。該組件組成可自動間隙調(diào)整，將壓力區(qū)與吸油區(qū)分隔。密封輥由波形彈簧片和橡膠棒構成浮動密封組件（圖2），膠棒用于密封隔絕，而波形彈簧片用于支撐膠棒浮動調(diào)整。

圖2 密封輥

2.2 故障現(xiàn)象

（1）小齒輪軸軸頭彎曲（圖3）。軸頭部分彎曲變形，甚至斷裂，造成高壓齒輪泵損壞，泵架斷裂。

圖3 小齒輪軸彎曲

（2）“月牙板”組件斷裂。扇形支撐體斷裂，造成內(nèi)嚙合高壓齒輪油泵內(nèi)部卡死，從而導致聯(lián)軸器損壞（圖4）。

圖4 斷裂的扇形支撐體

（3）小齒輪軸軸封滲油（圖5）。在拆卸故障泵組時，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)故障的內(nèi)嚙合高壓齒輪油泵安裝端面有大量的滲漏液壓油，小齒輪軸軸封老化，滲漏較大。

2.3 故障分析

2.3.1 小齒輪軸軸頭彎曲變形斷裂

（1）分體式鋁合金泵架連接處螺紋孔出現(xiàn)疲勞裂紋（圖6）。內(nèi)嚙合高壓齒輪油泵長期工作產(chǎn)生的振動，引發(fā)螺紋孔的裂紋擴散，導致鋁合金泵架連接松動，最終導致鋁合金泵架連接處斷裂。在工作環(huán)境中高速負載運行時，輕者引發(fā)聯(lián)軸器軸向同心度超差，使小齒輪軸軸頭有較大的偏差擺幅，導致軸頭彎曲變形，重者泵架斷裂的同時扭斷小齒輪軸軸頭和聯(lián)軸器。

圖6 泵架螺紋孔疲勞裂紋

（2）聯(lián)軸器彈性塊破損。這種情況會導致安裝在齒輪油泵軸頭的聯(lián)軸器與安裝在電機主軸的聯(lián)軸器在嚙合傳動之間產(chǎn)生剛性接觸，或者嚙合部位受力不均勻。在長時間運行的情況下，剛性接觸會導致聯(lián)軸器出現(xiàn)部件磨損變形、斷裂現(xiàn)象。而且扭矩受力不均勻也會產(chǎn)振動，對鋁合金泵架結構穩(wěn)定性產(chǎn)生巨大的影響，進而加劇松動和斷裂的情況。

（3）高壓過濾器濾芯堵塞。這種情況主要發(fā)生在電機啟動階段，就是通常所說的“悶車”現(xiàn)象發(fā)生的時候，油泵出口液壓油無法通過高壓濾芯出口輸出流量，油泵小齒輪軸軸頭聯(lián)軸器轉(zhuǎn)動阻力瞬間加大，輕者扭斷聯(lián)軸器彈性塊，重者電機主軸的高扭矩會直接將聯(lián)軸器扭斷變形。

2.3.2 “月牙板”組件斷裂

經(jīng)過拆解多個故障內(nèi)嚙合高壓齒輪泵，發(fā)現(xiàn)“月牙板”組件斷裂故障只要是由于兩組密封輥中的一組出現(xiàn)移位現(xiàn)象，支撐膠棒的波形彈簧片位移到了扇形支撐體的前端，從而形成一個受力支點，導致小齒輪軸齒頂擠壓折斷扇形支撐體，斷裂位置見圖7。

圖7 斷裂位置

該判斷的依據(jù)不僅憑拆卸出來的原始狀態(tài)（圖7），從斷裂的扇形支撐體上正常的波形彈簧片接觸點的壓痕（圖8 圓圈位置）與異常位置擠壓痕（圖8 方框位置）進行對比，能夠很直觀地反映出扇形支撐體折斷時的狀態(tài)。當波形彈簧片位移到異常壓痕點位置無法移動時，正處于內(nèi)齒的齒頂，形成了一個支點，小齒輪軸齒頂轉(zhuǎn)動到該點時，在支點的兩端形成一個向下的擠壓力，造成扇形支撐體受力斷裂。

圖8 波形彈簧片壓痕

導致波形彈簧片產(chǎn)生位移的因素主要有以下兩個：

（1）“半月板”組件的磨損。內(nèi)嚙合高壓齒輪油泵長期高負荷運行，泵體內(nèi)部溫度較高，而黃銅材料的半月板組件的熱膨脹系數(shù)較大，扇形體與扇形支撐體外表接觸面造成磨損。升壓時，內(nèi)外齒齒腔內(nèi)壓力擠壓長扇形體和扇形支撐體外表面，兩者內(nèi)接觸面貼合時密封輥無法移動，而低壓泄荷時內(nèi)外齒齒腔內(nèi)壓力降低，兩者內(nèi)接觸面間隙就會增大，當內(nèi)表接觸面的間隙增大的一定程度時，密封輥中的波形彈簧片松動脫落，隨著液體流向移動至前端。

（2）過濾器濾芯的變形堵塞（圖9）。濾芯的變形導致高壓濾芯出口處流通截面面積較少，相當于在內(nèi)嚙合高壓齒輪油泵出口加裝了一個節(jié)流閥，高壓濾芯剛開始污染堵塞變形時，對油泵的輸出流量影響不大，但會增加出油口P 區(qū)的壓力，齒輪油泵空載和負載時的壓力加大，長時間高壓工作，引起內(nèi)嚙合高壓齒輪油泵泵體溫度上升過快，油箱散熱不足的情況下會使油溫升高，從而加劇內(nèi)嚙合高壓齒輪油泵內(nèi)部“半月板”組件的磨損。

圖9 變形濾芯

當濾芯變形到一定程度后，會迫使高壓濾芯出口處輸出流量降低，齒輪泵的內(nèi)耗加大，出油口壓力升高的同時吸油減少，導致泵內(nèi)磨損和發(fā)熱加大，同時小齒輪軸的徑向扭矩負載也會急劇增加，泵體內(nèi)各部件受力變形，從而加大了“半月板”組件的間隙，密封輥中的波形彈簧片也會松動脫落，隨著液體流向移動至前端。

2.3.3 小齒輪軸軸封滲油

小齒輪軸軸封滲油現(xiàn)象在日常維護過程中時常發(fā)現(xiàn)，其主要原因是小齒輪軸軸頭承受較大的徑向力，造成滑動軸承磨損，軸與滑動軸承的間隙配合加大，導致軸封的密封唇邊單側受力，當超出油封的承受極限，就會造成滲油漏油現(xiàn)象。而引發(fā)小齒輪軸所受徑向力增大的兩大因素，就是出油口濾芯堵塞和聯(lián)軸器彈性塊破損受力不均。

另外，內(nèi)嚙合高壓齒輪油泵泵體升溫過快，長時間得不到冷卻，也有會導致軸封老滲漏，這和濾芯的變形堵塞密切相關，也和油箱冷卻設備的散熱性能相關。

3 改進措施

3.1 泵架

原內(nèi)嚙合高壓齒輪油泵泵架材料為鋁合金，其抗振性能和耐疲勞性能不適應設備的長時間工作，螺紋孔出現(xiàn)的發(fā)散性疲勞裂紋會影響泵架結構的安全穩(wěn)定性，因此對原有基面安裝尺寸進行數(shù)據(jù)測繪，取消原有分體式泵架的結構布局，采用不銹鋼材料制作整體式泵架。一方面這種設計具有可靠的整體穩(wěn)定性，另一方面也降低了泵架的加工難度，安裝使用更加便捷，避免分體式結構連接固定松動帶來的不穩(wěn)定性。

3.2 濾芯

原常規(guī)高壓過濾器濾芯的壁厚不符合設備現(xiàn)的使用狀況，因此高壓濾芯的內(nèi)壁壁厚從1.5 mm 增大至4 mm，按需特制專用濾芯。增大濾芯內(nèi)壁壁厚可以提高濾芯的抗壓強度，降低高壓濾芯的污染后受力變形的概率，延長濾芯的使用壽命，同時配合后期的定期維護，可以大幅度降低齒輪油泵的故障率。

3.3 油溫

針對內(nèi)嚙合高壓齒輪油泵升溫過快的缺陷，在原有水冷散熱器基礎上加裝工業(yè)油冷機，控制內(nèi)嚙合高壓齒輪泵油箱油溫。油溫過高會導致泵體散熱不良加劇損耗，以及各密封件和聯(lián)軸器彈性塊過早老化，縮短齒輪泵的使用壽命。一般油溫控制在45 ℃左右，一方面可以讓液壓油有充足的流動性，降低液壓油變質(zhì)帶來的風險，延長液壓油的使用壽命；另一方面能夠加大泵體和液壓油的溫差，使得齒輪泵體能夠得到充分的散熱，延長齒輪泵的使用壽命。

3.4 聯(lián)軸器彈性塊

原星形聯(lián)軸器彈性塊為黑色丁腈橡膠（NBR）材料，雖然有優(yōu)異的耐油性和彈性，但其耐撕裂性能較差，常常出現(xiàn)內(nèi)圈斷裂現(xiàn)象。因此在油箱溫度得到有效控制的前提下，采用具耐磨性、耐油性、耐撕裂性優(yōu)異的紅色聚氨酯聯(lián)軸器彈性塊，確保彈性塊的使用壽命，降低聯(lián)軸器故障的風險。

4 制定維護方案

依據(jù)誘發(fā)內(nèi)嚙合高壓齒輪油泵故障的外在因素，制定合理的日常維護方案。

（1）每星期對工業(yè)油冷機進行檢修，清理過濾網(wǎng)塵，確保該設備正常工作。

（2）每月定期拆卸電機檢查泵組星形聯(lián)軸器彈性塊是否完好，如有破損及時更換。

（3）每季度定期拆卸高壓濾芯，檢查濾芯污染和變形程度，如污染嚴、變形嚴重的需要及時更換。

（4）每半年對設備液壓油進行過濾。采用CJC 過濾設備48 h不間斷過濾，每個油箱每次消耗一個濾芯。

5 總結

內(nèi)嚙合高壓齒輪油泵在進口大噸位SPS9000 型卷管機液壓系統(tǒng)的應用中，直觀地反映出該類型齒輪泵在實際使用中所存在問題。雖然內(nèi)嚙合高壓齒輪油泵性能優(yōu)異，在設備液壓系統(tǒng)的流量、流速和壓力響應控制中表現(xiàn)出色，但容易受外部條件的干擾，因此在相關連接部件的選材、液壓元件的選型和溫度控制方面，應該在設備設計階段對相關因素做出細致的考量，以便更好地體現(xiàn)出內(nèi)嚙合高壓齒輪油泵在實際應用中的優(yōu)勢。

通過SPS9000 型卷管機高壓齒輪油泵故障分析，深入了解故障成因，對該類型齒輪油泵的不可修復性有了一定了解，為了降低其故障率、延長使用壽命，必須制定合理的維護方案，確保內(nèi)嚙合高壓齒輪油泵使用的穩(wěn)定性。