雙向齒輪泵泵體裂紋分析及優化

王 飛， 劉 杰

(天津職業技術師范大學工程實訓中心， 天津 300222)

引言

齒輪泵具有結構簡單、體積小、制造維修方便、價格低廉、自吸能力強、對油污不敏感等優點，是液壓傳動系統中常用的液壓元件[1-4]。齒輪徑向液壓力不平衡導致的斷軸和軸承磨損失效嚴重限制了泵工作壓力的提高； 齒輪嚙合變化引起的齒輪泵流量脈動會產生較大的噪聲， 這些失效模式制約齒輪泵的發展。目前對齒輪泵的失效模式的研究主要有側板磨損[5]、密封失效[6]、斷軸[7-8]、軸承損壞[9]、噪聲過大[10]等，對齒輪泵泵體裂紋的研究分析較少；本研究對一種應用在自卸車上的雙向齒輪泵在研發階段出現的泵體裂紋進行了研究。

雙向齒輪泵是輸入軸正轉和反轉時都能夠實現齒輪泵供油的一種齒輪泵。某雙向齒輪泵經歷了100 h超載跑合，齒輪泵各性能指標穩定，且泵體沒有出現裂紋；在進行沖擊壽命試驗時，試驗進行了13.5萬次時，齒輪泵泵體產生裂紋并發生漏油現象。

對于泵體裂紋分析，國內已有過如下研究：李宏偉等[11]使用ANSYS軟件對內嚙合齒輪泵的強度和剛度進行了分析，確定應力集中區和變形較大位置，并進行優化，增加泵殼體強度同時減重。方波等[12]使用ANSYS Workbench軟件對齒輪泵殼體進行結構和熱分析，確定其大變形和最大等效應力分布發生在出油口內壁，通過改進結構的方法進行了優化改進。李文娟等[13]對斜盤柱塞泵殼體裂紋采用金相檢驗、斷口分析和有限元分析等方法進行了研究，結果表明:柱塞泵殼體組織中尖銳的 C型石墨是導致殼體裂紋的原因。鄒鑌等[14]對離心泵葉輪斷裂處進行了斷口宏觀形貌分析、金相分析和掃描電鏡分析，結果表明,葉輪的斷裂是由于與泵蓋的摩擦導致的多源疲勞斷裂。本研究對某新型雙向齒輪泵的泵體裂紋進行了失效分析；并根據泵體裂紋原因提出優化方案，經過試驗證明，優化方案可靠有效。

1 雙向齒輪泵泵體裂紋

圖1所示為一種新型雙向齒輪泵，該泵主要由外接軸、前蓋、外軸承、滑動軸承、主動齒輪、從動齒輪和后蓋組成，其性能參數如表1所示。泵啟動時，電機驅動外接軸，通過外接軸另一端外花鍵將運動和扭矩傳遞到主動齒輪上。

圖1 雙向齒輪泵裝配圖Fig.1 Assembly drawing of bidirectional gear pump

表1 雙向齒輪泵性能參數Tab.1 Performance parameters of bidirectional gear pump

為了評估泵的壽命，根據JB/T 7041在試驗臺上進行了耐久性試驗，如圖2所示。齒輪泵通過“A”和“B”連接試驗臺的進油管，通過“C”連接出油管。耐久性試驗包含超載試驗100 h和沖擊試驗40萬次。圖3為雙向齒輪泵完成100 h超載試驗后的效率曲線。由圖3可知，齒輪泵在超載試驗過程中齒輪泵效率近似恒定在90%，符合JB/T 7041要求。

圖2 雙向齒輪泵試驗圖Fig.2 Test diagram of bidirectional gear pump

圖3 雙向齒輪泵100 h超載試驗效率Fig.3 100 h overload test efficiency of bidirectional gear pump

雙向齒輪泵通過100 h超載試驗后，還需完成40萬次沖擊試驗。材質為HT300的雙向齒輪泵泵體在23 MPa，2000 r/min的條件下沖擊13.5萬次后，油口出現裂紋導致漏油現象，如圖4所示，裂紋貫穿油口右側中部。

圖4 雙向齒輪泵油口裂紋Fig.4 Cracks in bidirectional gear pump

圖5 雙向齒輪泵泵體結構圖Fig.5 Structure of bidirectional gear pump body

圖5為雙向齒輪泵泵體結構圖，其中圓圈位置為發生裂紋的位置。

2 雙向齒輪泵泵體失效分析

2.1 泵體金相分析

鑄件在加熱和冷卻的過程中會發生復雜的相變，金相檢驗主要是評定非金屬夾雜物類型及數量、晶粒度及各種纖維組織鑒別，本研究對發生裂紋的齒輪泵體進行了石墨類型、大小等級、珠光體數量、硬度、化學成分進行了檢驗，結果如表2所示，金相檢驗合格。

表2 金相分析結果Tab.2 Metallographic analysis results

2.2 泵體本體試棒拉伸試驗

試棒拉伸試驗可以測量鑄件的抗拉強度是否符合要求，在泵體上取樣圓柱形試棒，使用拉力測試機拉斷，并記錄拉力值，拉斷后的試棒如圖6所示，測量的抗拉強度值為312 MPa，符合國家標準要求。

圖6 雙向泵泵體本體試棒拉伸試驗Fig.6 Tensile test of test bar of body of bidirectional pump

2.3 泵體有限元分析

使用有限元分析軟件ANSYS Workbench對雙向齒輪泵泵體進行有限元分析，計算泵體油口處的受到的應力值，如圖7所示。

圖7 雙向齒輪泵泵體有限元分析Fig.7 Finite element analysis of bidirectional gear pump body

2.4 對裂縫處進行剖切試驗結果

剖切后做著色試驗，判定裂紋起始點在泵體螺紋底孔和出油腔交界的棱邊上，如圖8所示。由圖8可知，著色法顯示的裂紋的起始位置與圖4泵體裂紋位置、圖7有限元計算的應力最大的位置是近似的，都是在出油口的外側螺紋中部。

經過對雙向齒輪泵的泵體金相分析、有限元分析及著色試驗分析得出，雙向齒輪泵在沖擊試驗過程中，出現裂紋的原因是泵體出現裂紋位置處的壁厚較薄和存在銳角邊所致。

3 雙向齒輪泵泵體裂紋解決方案

針對沖擊試驗出現的出油口處裂紋漏油問題，主要原因是油口處壁厚薄，設計增加油口壁厚的5種方案：方圓過渡方案、大圓臺方案、小圓臺方案、斜坡方案、外方方案；并通過有限元軟件ANSYS Workbench計算在沖擊工況下(23 MPa)危險截面的安全系數；并計算了比原方案安全系數提高的倍數以及每種新方案的重量。

圖8 著色法顯示裂紋位置Fig.8 Coloring method showing crack location

表3 泵體優化方案Tab.3 Pump body optimization scheme

由表3泵體優化方案可知，危險截面安全系數最高的是方案2大圓臺方案，安全系數是3.07，重量為8.376 kg；方圓過渡方案的危險截面安全系數是2.71，重量為8.276 kg，此泵為商用批量化產品，考慮到生產成本，要求滿足安全系數的前提下，重量最低。綜合考慮安全系數和重量兩方面因素，選取方圓過渡方案為最終方案。

4 雙向齒輪泵新方案40萬次沖擊壽命試驗驗證

經過改進后的雙向泵泵體結構：方圓過渡方案，如圖9所示。

圖9 優化后的雙向齒輪泵泵體結構Fig.9 Structure of optimized bidirectional gear pump body

將此泵體進行裝配成整泵后，在液壓試驗臺上進行40萬次沖擊試驗，試驗條件為：出油口加載壓力23 MPa，泵輸入轉速2000 r/min，側進側出。齒輪泵完成了40萬次沖擊試驗，側板、齒輪軸頸、滑動軸承磨損正常，如圖10所示；出油口沒有出現裂紋，如圖11所示。

圖10 側板、齒輪、軸承磨損情況Fig.10 Wear of thrust plates, gears and bearings

圖11 40萬次沖擊試驗后泵體油口無裂紋Fig.11 No cracks in oil port of pump body after 400,000 impact tests

對出現裂紋的HT300雙向齒輪泵泵體進行了金相分析和抗拉強度試驗，結果表明其石墨類型、石墨大小等級、珠光體數量、硬度要求、化學成分都符合HT300的材質要求，隨爐試棒的抗拉強度也符合要求，所以首先排除HT300材料缺陷。根據試驗條件參數，采用有限元方法在試驗載荷下計算的應力分析結果表明，泵體出油口最大應力位置與裂紋實際發生位置接近，通過著色法判定裂紋的起始點位置也與有限元分析結果和實際裂紋位置接近，表明油口裂紋處的計算應力值雖然小于抗拉極限，但HT300的疲勞極限小于其抗拉極限，小于有限元方法的計算值，所以在雙向齒輪泵沖擊到13.5萬次時出現裂紋，導致漏油。

針對上述分析結果設計出5種泵體油口位置加厚方案：方圓過渡方案、大圓臺方案、小圓臺方案、斜坡方案、外方方案。通過有限元方法計算了原方案和此5種方案危險截面的安全系數，經過對比5種方案較原方案的提高值得出，外方方案提高了1.99倍，但是其重量為8.43 kg，較原方案增重最大，因此在考慮安全系數、增重、以及鑄造工藝性后，選擇方圓過渡方案為最優方案。按照最優的方圓過渡方案進行鑄造、加工后再與其余零件裝配成整泵，在試驗臺上進行超載工況下40萬次沖擊試驗，試驗結果顯示40萬次沖擊試驗過程中，泵無外泄漏，油口處無裂紋出現；說明上述優化方法和優化方案是有效的。

5 結論

采用不同的分析方法研究了雙向齒輪泵泵體的裂紋失效，并提出優化方案，進行了有效的試驗驗證。可以得出下面結論：

(1) 齒輪泵泵體裂紋與泵體的材質、載荷、以及泵體厚度均相關，需要通過金相分析、抗拉試驗、有限元分析以及著色法確定裂紋位置等方法最終確定裂紋原因；

(2) 通過有限元仿真可以對液壓元件進行強度計算，可以提高理論計算精度、縮短研發周期、節約研發成本；

(3) 能夠通過100 h超載試驗的齒輪泵不一定能夠通過40萬次沖擊試驗，說明液壓元件在設計過程中既要考慮泵體材料的抗拉強度又要考慮材料的疲勞強度；

(4) 雙向液壓齒輪泵最大應力點在進出油口內壁附近，在設計計算時需要對油口位置增厚設計，以防止裂紋導致漏油現象。