S45泵常見失效原因分析

胡文進

（丹佛斯動力系統貿易上海有限公司，上海 200131）

1 S45泵介紹

丹佛斯S45系列開式柱塞泵可以將輸入扭矩轉換成液壓能，其旋轉力距通過輸入軸傳到缸體[1]。輸入軸由泵前端和后端的錐形滾子軸承支撐，并采用花鍵連接方式與缸體連接。它的內部剖視圖如圖1所示。泵前面的唇形軸封用來包裹伸出殼體的輸入軸以防止泄漏。旋轉缸體包含9個往復式柱塞，每個柱塞都有一個由球形接頭連接在其一端的銅質滑靴。滑靴被回程盤和缸體內彈簧壓在斜盤上，同時缸體內彈簧也將缸體壓至配油盤上。在旋轉過程中，滑靴貼緊傾斜的斜盤滑動，同時帶動柱塞做往復運動。缸體的一半區域通過配油盤連接至泵吸油口，另一半連接至泵出油口。每個柱塞均在柱塞腔內做進出往復運動，完成油液的吸入與排出以及能量轉換[2]。少量的油液會從缸體、配油盤、滑靴以及斜盤接觸面處滲出，用于潤滑和冷卻。殼體泄油口將這些泄漏的油液導回至油箱，通過斜盤角度控制進入系統中的油液流量。偏置活塞和偏置彈簧使得斜盤維持在初始位置上。當伺服活塞內控制壓力上升至足以克服側偏置活塞和偏置彈簧的作用力時，伺服活塞推動變量斜盤運動，促使S45泵排量減小至某個穩定點。

圖1 S45泵內部剖視圖

2 S45泵工作原理介紹

2.1 PC控制

PC控制通過調節泵的輸出流量來維持液壓回路中的壓力穩定。PC設定值由調節螺堵和彈簧預先設定，結構如圖2所示。

圖2 PC控制結構圖

當作用在PC閥芯的非彈簧端的系統壓力超過PC彈簧的彈力時，液壓油將經過閥芯進入伺服活塞腔，使斜盤擺角變小。當系統壓力低于PC設定值時，PC彈簧將閥芯推至右位工作。這時伺服活塞腔的壓力油與泵殼體相通，斜盤擺角增大[3]。因此，斜盤擺角可保持系統壓力為PC設定值時所需的角度。

2.2 LS控制

LS控制可以使泵的流量輸出與系統需求相匹配[4]。LS控制通過外部控制閥（Ethernet Virtual Connection，ECV）的壓降感應系統的流量需求。ECV開啟時，壓降減小；閉合時，壓降增大。LS控制可以增大或減少泵的流量，直至壓降等于LS設定值。LS設定值由調節螺堵和彈簧預先設定。

LS控制包含兩個滑閥，可將伺服活塞腔與泵殼體或系統壓力相連通[5]。如前文所述，PC閥芯實現該控制的壓力補償功能，LS閥芯實現負載敏感功能。PC控制功能優先于LS控制功能。LS控制液壓原理圖，如圖3所示。

圖3 LS控制液壓原理圖

由圖3可以看出，系統壓力（外部控制閥進油口壓力）通過內部油道被引至LS閥芯非彈簧腔一側，同時通過X口將外部控制閥出口壓力引至LS閥芯彈簧腔一側。這種結構使得LS閥芯在彈簧設定值、系統壓力和LS信號壓力的壓差之間進行移動調節，最終使得兩端壓差等于LS設定值[6]。斜盤預先被偏置彈簧頂至最大擺角，泵為液壓系統提供最大流量，因此當流量供給超出需求時，ECV兩端形成的壓差足以克服LS彈簧力，LS閥芯會移至左位，使得系統壓力與伺服活塞腔相連通，此時泵得到減少流量輸出信號，直到通過ECV的壓差等于LS設定值。當流量供給低于需求時，通過ECV兩端形成的壓差小于LS設定值，LS閥芯移至右位，使得伺服活塞腔與泵殼體相連通，此時泵得到增加流量輸出信號，直到通過ECV的壓差等于LS設定值。

當ECV處于中位時，LS信號管路連接至泄油口，泵處于待命模式。在LS閥芯的非彈簧端沒有作用力的情況下，泵可自行調節至任意位置，以維持系統壓力恒定。

LS和PC閥芯的串聯布局，會使PC控制優先于LS控制。只要系統壓力達到PC設定值，PC閥芯將移動至阻擋LS閥芯和伺服活塞腔的連通位置，使得伺服活塞腔與系統壓力互相連通，從而實現泵排量變至最小。

3 S45泵主要零件失效

S45泵包括缸體、柱塞、滑靴、回程盤和球鉸等元件。這些元件是S45泵中最重要的組件，若使用不當，會降低轉子壽命。影響轉子壽命的主要因素有系統壓力、殼體壓力、吸油壓力、轉速和油液清潔度等。轉子失效會受到其中一種或幾種原因疊加的影響。對于失效的具體原因，需要根據失效情況進行具體分析。

3.1 殼體壓力和吸油壓力差較大

對于柱塞泵，殼體壓力和吸油壓力差值要不大于0.05 MPa，最大間歇冷啟動要不大于0.2 MPa。回程盤的作用是當柱塞處于吸油區時，通過滑靴帶動柱塞向外運動，將柱塞從柱塞腔中拉出，從而完成自吸油的動作。回程盤作用力的大小與吸油壓力差成正比，當壓力差變大時，回程盤作用在滑靴上的力隨之增大，從而加劇滑靴和回程盤之間的摩擦，造成回程盤孔周邊磨損。在一定的轉速下，此作用力過大會加劇滑靴的傾斜，傾斜后的滑靴邊緣銳邊會急劇磨損。

3.2 油液污染

油液污染是絕大部分液壓系統的失效原因。柱塞泵對油液污染更敏感，污染的油液小顆粒會進入摩擦副中，如柱塞和缸體孔之間，在柱塞和缸體孔之間高速運動。小顆粒在往復運動的過程中會磨損柱塞和缸體孔的表面，從而造成先期的磨粒磨損。當柱塞表面被磨損到一定程度后，會導致柱塞和缸體孔之間的潤滑情況惡化，造成柱塞和缸體孔之間干摩擦形成粘著磨損。發生粘著磨損時，柱塞運動受阻或者無法運動。此時，作用在回程盤上的力會急劇增大，高頻的作用力會使回程盤疲勞失效，導致回程盤開裂甚至斷裂。

滑靴和柱塞之間僅通過球鉸連接，兩者之間有一個拔脫力。當柱塞粘著在缸體孔內時，柱塞和滑靴將會被拔脫。缸體孔工作腔通過柱塞孔和滑靴的阻尼小孔，把高壓油引入滑靴底部。為了保持滑靴的液壓平衡，必須保證阻尼小孔暢通。若污染的油液將阻尼小孔堵塞，滑靴的靜壓平衡會遭到破壞，從而導致滑靴和斜盤之間的接觸力急劇增大，造成滑靴和斜盤間的干摩擦而損壞設備。

除此之外，油液含水也可能導致零件刮傷。此種故障是液壓油內含有水分或其他液體污染物所致。水或者其他液體污染物與油液中的添加劑發生化學反應，改變了油液化學成分。這些化學物作用于金屬表面，會產生蝕刻效應。發生蝕刻效應的金屬表面將形成高壓力泄露油道，導致元件失效。

3.3 吸油壓力不足

S45泵是通過自吸完成從油箱中吸入油液的動作，所以吸油口的壓力對泵的運行效率有很大影響。S45泵吸油口要求不低于0.08 MPa的絕對壓強。吸油管路的油液包括靜態液壓能和動能兩部分，且兩部分相互轉化，保持守恒。油液在吸油管路中的流速低于被吸入柱塞腔時的流速，即油液進入柱塞腔時的動能大于管路中的動能，從而使得進入柱塞腔的靜態液壓能小于管路中的靜態液壓能。當進入柱塞腔的靜態液壓能小于空氣析出的壓強時，空氣將會析出膨脹。因此，吸油管路中的壓強較低時，容易造成空氣的析出。在配流盤表面析出的氣泡爆裂時會產生噪聲和高溫，從而對配流盤表面產生腐蝕，造成配流盤的氣蝕現象。

3.4 轉速過高

轉速過高會造成吸油壓力的不足，從而造成吸空及配流盤氣蝕的失效模式。轉速過高時，轉子會產生較高的離心力，使轉子相對于配流盤發生傾斜，降低了泵的容積效率。同時，轉速過高會造成滑靴的離心力增加，從而使得滑靴產生偏轉，導致邊緣的磨損，破壞靜壓平衡支撐。轉速過高也會造成柱塞和缸體孔壁之間的作用力增大，從而使油膜潤滑狀況惡化引發粘著磨損，最終導致轉子的失效。

3.5 油液溫度過高

溫度過高會導致非金屬元件的失效，如滑動軸承涂層、O型圈及主軸油封等。滑動軸承表面是聚合材料涂層，過高的溫度會導致涂層融化失效。此外，溫度過高會降低油液粘度，從而導致運動元件之間的潤滑不足。相對運動的零件表面之間，如果缺少油液會導致動態油膜支撐失效或油膜喪失，使元件金屬表面直接接觸，引起摩擦副粘著磨損。

4 結語

S45泵的失效原因很多，在實際生產過程中需要根據實際情況具體分析失效原因，以便采取相應的措施。同時，在S45泵的使用過程中，要定期對其進行保養，以便延長泵的使用壽命。