摘"要：液壓柱塞泵向航空器液壓系統(tǒng)提供一定壓力和流量的液壓油，起著至關重要的作用。在液壓泵中，隨動活塞組件的插座球窩與活塞桿球頭經(jīng)長期使用后，互相磨損導致隨動活塞球鉸處游隙超差，該故障頻發(fā)，影響液壓柱塞泵的整體泄漏量，同時影響斜盤角度調(diào)節(jié)，造成泵供油量低、回油量高，無法滿足一定轉(zhuǎn)速和壓力下的供油量要求，影響航空器液壓系統(tǒng)的操縱性。本文針對液壓泵隨動活塞球鉸處游隙超差故障，通過失效分析、仿真分析方法，分析了游隙超差的失效機理，進行了隨動活塞的波動分析，得到游隙大小與泵供油供壓的關系，并研究了隨動活塞球頭橢圓度對游隙的影響以及修復技術和方法。研究分析結果表明，斜盤處于零位和零位以上微小的擺動狀態(tài)時，隨動活塞受到交變應力作用，球鉸收口處原始制造間隙在不斷沖擊作用下逐步擴大，是造成球鉸處游隙超差的主要原因；隨動活塞小球頭處的橢圓度對球鉸處游隙有影響，橢圓度增大，將加速小球頭與球窩磨損，造成間隙增大甚至超差，應在特殊修理時對小球頭橢圓度嚴格控制；采用電火花切割或車修的方式對插座進行拆除，再將換新的插座滾壓收口至活塞桿上的方法對于修復隨動活塞是可行的。

關鍵詞：柱塞泵；隨動活塞；游隙超差；失效分析；修復

隨動活塞組件由插座（1#件）、活塞（3#件）、活塞桿（4#件）三部分組成，為一般件。其中，插座的材料為鋼12X2H4AШ、TY141276579；活塞桿的材料為鋼30X3BA、TY14195074。隨動活塞組件中插座與活塞桿經(jīng)過長期使用后，插座球窩與活塞桿球頭之間互相磨損導致游隙超差［1］。當游隙超差嚴重后，一方面影響液壓柱塞泵整體泄漏量，另一方面影響斜盤的角度調(diào)節(jié)，從而造成液壓柱塞泵的供油量低，回油量高，甚至無法滿足一定轉(zhuǎn)速和壓力下的供油量要求，影響航空器液壓系統(tǒng)的操縱性。

本文針對液壓柱塞泵上的隨動活塞進行失效機理分析，在此基礎上研究隨動活塞的修理技術。一方面，能夠保證液壓泵油量與壓力的正常調(diào)節(jié)，使液壓柱塞泵正常工作，保證航空器液壓系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)，保障生產(chǎn)任務；另一方面，活塞組件目前處于庫存零狀態(tài)，采購比較困難，沒有可用的新品組件用于更換，通過修理更換單個組成零件，可以有效減少組件的報廢和換新，減輕器材的供應壓力，節(jié)約大量的換新資金，具有重大的研究意義。

圖1"隨動活塞組件圖

1"隨動活塞受力狀況的分析

隨動活塞組件通過銷釘安裝于液壓柱塞泵斜盤上，與油缸配合工作。在液壓泵正常供壓工作時，調(diào)節(jié)壓力推動活塞，同時克服回油壓力和回位彈簧力的等效力使活塞組件在油缸內(nèi)上下移動，從而改變斜盤的傾斜角度，最終實現(xiàn)對液壓泵供油量的調(diào)節(jié)。

當液壓柱塞泵不工作時，隨動活塞處于有極限位置，此時斜盤角度最大，為最大供油狀態(tài)。在泵正常供壓工作時，調(diào)節(jié)壓力Pt推動隨動活塞，同時克服回油壓力Ph和回位彈簧力F1的等效力F2（F1·L1=F2·L2，其中L1、L2分別為回位彈簧力和隨動活塞插座處受力的力臂），當活塞推動斜盤到極限位置時，此時斜盤受限位螺釘?shù)闹瘟N，各受力如圖2所示，在這個過程中，活塞桿球頭與插座之間始終處于相互接觸受力狀態(tài)。

1.傳動桿；2.主軸；3.墊板；4.限位螺釘；5.斜盤；6.柱塞座；7.彈簧；8.彈簧；9.柱塞；10.轉(zhuǎn)子；11.分油盤；12.安全活門；13.單項活門；14.隨動活塞；15.彈簧；16.分油活門；17.油濾；18.分油活門；19.彈簧；20.活塞；21.電磁活門；22.銜鐵；23.頂桿

圖2"隨動活塞受力示意圖

2"原因分析

2.1"隨動活塞游隙超差失效機理

在液壓柱塞泵工作變量時，隨動活塞推動斜盤向零位擺動，當斜盤處于零位后，輸出的流量為零，即隨動活塞的控制腔沒有油液補充，斜盤在復位彈簧的作用下重新產(chǎn)生傾角。隨著傾角的產(chǎn)生，輸出的油液再次達到零流量壓力，隨動活塞控制腔又一次有高壓油流入，推動活塞使斜盤擺向零位。因此，在斜盤處于零位和零位以上微小的擺動狀態(tài)時，隨動活塞受到交變應力的作用，球鉸收口處原始制造間隙在不斷沖擊作用下逐步擴大，導致球鉸處（1#和4#件連接處）游隙的超差。

2.2"隨動活塞波動分析

隨動活塞的實際使用過程中，故障主要體現(xiàn)在1#和4#件連接處間隙超差過大，對隨動活塞工作和供油供壓影響最大，本節(jié)研究分析隨動活塞游隙大小與泵供油供壓的關系。

在柱塞泵工作時，隨動活塞推動斜盤向零位擺動，當斜盤處于零位后，輸出的流量為零，即隨動活塞的控制腔沒有油液補充，斜盤在復位彈簧的作用下重新產(chǎn)生傾角。隨著傾角的產(chǎn)生，輸出的油液再次達到零流量壓力，隨動活塞控制腔又一次有高壓油流入，推動活塞使斜盤擺向零位。因此，在斜盤處于零位和零位以上微小的擺動狀態(tài)時，隨動活塞受到交變應力的作用，球鉸收口處原始制造間隙在不斷沖擊作用下逐步擴大，導致球鉸處（1#和4#件連接處）游隙的超差。

球鉸處間隙首先會導致隨動活塞推動斜盤時有一個不敏感區(qū)，這一不敏感區(qū)的出現(xiàn)導致出口流量脈動為：

Δqm=πd22znRηVtan（kym）（1）

在敏感區(qū)運動后對斜盤產(chǎn)生沖擊導致的出口流量脈動為：

Δqc=πd22znRηVtanβc（2）

因此，球鉸處間隙對輸出流量造成的脈動為：

Δq=Δqm+Δqc（3）

由流量的脈動產(chǎn)生的輸出壓力脈動為：

Δp=ρΔq22CdAo）2（4）

當壓力脈動超過3MPa時，隨動活塞球鉸處間隙值為極限值。若間隙進一步增大，表現(xiàn)為在變量調(diào)節(jié)至零位附近時，泵出口油液壓力有大幅脈動。

2.3"仿真分析

2.3.1"建立三維模型

建立隨動活塞組件的三維模型如圖3所示。

圖3"隨動活塞三維模型及爆炸圖

2.3.2"邊界條件

開展隨動活塞受力仿真，賦予材料屬性。隨動活塞為組合件，其中活塞的材料為QSn70.2，連桿的材料為25Cr3MoA，連桿座的材料為12Cr2Ni4A。查閱相關資料［2］，其中QSn70.2材料的彈性模量為E=1.1×1011Pa，泊松比μ=0.34，材料密度為8.3g/cm3，熱膨脹系數(shù)為1.8×10-5/℃；25Cr3MoA材料的彈性模量為E=2.12×1011Pa，泊松比μ=0.3，材料密度為7.85g/cm3，熱膨脹系數(shù)為1.2×10-5/℃；12Cr2Ni4A材料的彈性模量為E=2.11×1011Pa，泊松比μ=0.3，材料密度為7.85g/cm3，熱膨脹系數(shù)為1.2×10-5/℃。

對活塞（3#件）施加液體壓力Pt、Ph的載荷，在油缸內(nèi)運動；插座（1#件）通過銷釘，與斜盤固定，可在液體壓力的作用下，推動斜盤偏轉(zhuǎn)，同時也承受斜盤的反作用力［3］；活塞（3#件）與插座（1#件）通過活塞桿（4#件）連接，將二者固定，如圖4所示為隨動活塞施加載荷和約束情況。

圖4"施加載荷和約束

2.3.3"計算工況

本文利用ABAQUS軟件對隨動活塞進行受力仿真分析。選取產(chǎn)品兩種典型狀態(tài)進行仿真分析，分別為斜盤角度最大狀態(tài)和斜盤角度最小狀態(tài)［4］，并對隨動活塞小球頭選取不同橢圓度進行仿真分析，研究其應力和位移的變化。

（1）工況一斜盤角度最大時，在活塞外端面施加液體壓力，內(nèi)端面及活塞桿部位施加液體壓力，插座外圓柱面固定，下表面受斜盤的支反力，整個模型施加80℃的環(huán)境溫度載荷［5］，用于模擬液壓柱塞泵的工況條件，結果見圖5所示。

圖5"斜盤角度最大時應力及位移云圖

由上述分析結果可知，隨動活塞最大應力位于活塞桿的中間小孔處，最小應力位于兩球頭處，分別為638MPa和0.95MPa；隨動活塞桿兩端會在軸向分別產(chǎn)生0.03880mm和0.002534mm微變形，變形均為壓縮變形。

（2）工況二斜盤角度最小時，整個模型施加80℃的環(huán)境溫度載荷，仿真結果見圖6所示。

圖6"斜盤角度最小時應力及位移云圖

由上述結果可知，隨動活塞最大應力位于活塞桿的中間小孔處，最小應力位于兩球頭處，分別為639MPa和090MPa；隨動活塞桿兩端會在軸向分別產(chǎn)生0.04207mm和0.002678mm微變形，變形均為壓縮變形。

（3）工況三當隨動活塞球頭的橢圓度取0.001時，與工況一施加同樣的約束和載荷［6］，結果見圖7。

圖7"球頭橢圓度為0.001時應力及位移云圖

由結果可知，隨動活塞的應力和位移趨勢與之前仿真工況一致；活塞桿兩端會在軸向分別產(chǎn)生0.04154mm和0.002985mm微變形。

（4）工況四當隨動活塞球頭的橢圓度取0.005時，與工況一施加同樣的約束和載荷［7］，仿真應力與位移結果見圖8。

圖8"球頭橢圓度為0.005時應力及位移云圖

由上述仿真分析可知，隨動活塞的應力和位移趨勢與之前仿真工況趨勢保持一致；活塞桿兩端會在軸向分別產(chǎn)生0.04681mm和0.003326mm微變形。

2.3.4"隨動活塞修復技術

活塞組件經(jīng)過長期使用后，活塞桿球頭與插座球窩配合處磨損，導致游隙尺寸超差。插座安裝是通過模具在活塞桿上滾壓收口成型，無法直接修復，且收口后的插座無法分解后二次收口，因此，無法通過修復插座來對活塞組件進行修復。采用將插座破壞性拆除，在活塞桿球頭處重新滾壓插座的方法，修復活塞組件［8］。

可行性：采用電火花切割或車修的方式對插座進行拆除，技術成熟度較高，切除后將換新的插座滾壓收口至活塞桿上。目前國內(nèi)相關單位已擁有活塞組件的自制能力，且已有將連桿座滾壓收口至連桿上的成熟技術，而本文研究的活塞組件在結構尺寸上基本一致。

2.3.5"結論

分析上述四種工況仿真結果，得到以下結論：

（1）當斜盤角度最大時（工況一），隨動活塞桿兩端在軸向分別產(chǎn)生0.03880mm和0.002534mm的微變形，由不敏感區(qū)極限值計算得到兩端間隙的數(shù)值之和不超0.388mm為宜；（2）當斜盤角度最小時（工況二），隨動活塞桿兩端會在軸向產(chǎn)生0.04207mm和0.002678mm的微變形，計算得到兩間隙數(shù)值之和不超過0.385mm為宜；（3）相關規(guī)定要求兩端間隙之和不超過0.32mm，因此滿足理論要求；（4）結合工況一、工況三和工況四，對球頭的橢圓度進行研究分析可知，隨著小球頭的橢圓度增大，應力和變形也隨之增大，加速小球頭與球窩磨損，以致間隙增大甚至超差，故應對小球頭的橢圓度進行嚴格控制。

3"結論

本文通過失效分析、仿真分析方法，對液壓柱塞泵隨動活塞組件進行失效機理分析，研究隨動活塞游隙超差修復技術，具體結論如下。

（1）在液壓泵工作時，斜盤處于零位和零位以上微小的擺動狀態(tài)時，隨動活塞受到交變應力的作用，球鉸收口處原始制造間隙在不斷沖擊作用下逐步擴大，是造成球鉸處游隙超差的主要原因。

（2）隨動活塞小球頭處的橢圓度對球鉸處游隙有影響。隨著小球頭的橢圓度增大，應力和變形也隨之增大，加速小球頭與球窩磨損，造成間隙增大甚至超差。因此在特殊修理時，應對小球頭的橢圓度進行嚴格控制。

（3）對隨動活塞進行修復，可采用電火花切割或車修的方式對插座進行拆除，再將換新的插座滾壓收口至活塞桿。

參考文獻：

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［4］趙帆，宋佳，王維福，等.正流量液壓泵動靜態(tài)特性分析與仿真建模［J］.液壓與氣動，2020（01）：3241.

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［6］趙江澳，付永領，付劍.非對稱軸向柱塞泵斜盤力矩特性研究［J］.液壓與氣動，2019（04）：7984.

［7］胡文靜.恒壓變量柱塞泵的特性仿真與試驗［D］.大連：大連理工大學，2013.

［8］宋俊.軸向柱塞泵變量機構功率匹配優(yōu)化設計［J］.機械設計與制造，2000（03）：5051.

作者簡介：張思佳（1996—"），女，滿族，遼寧撫順人，碩士研究生，助理工程師，研究方向：機電一體化與液壓系統(tǒng)。