SPS9000 型卷管機內嚙合高壓齒輪油泵故障淺析

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 組力士樂內嚙合高壓齒輪油泵（型號PGH5-30/125RE11VU2）成對并聯設計方式。通常國內大噸位液壓設備的液壓系統一般采用軸向柱塞泵設計，不采用內嚙合高壓齒輪油泵并聯設計。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點節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各種問題，其中最突出的問題是內嚙合高壓齒輪油泵。因此在內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，就會給正常的生產使用埋下故障隱患，影響設備的正常運行。

1 故障現象

德國力士樂內嚙合高壓齒輪油泵雖然性能非常出色，但由于進口內嚙合高壓齒輪油泵加工精度高，內部各部件尺寸都是相互關聯的整體，沒有通用配件可以替換。在進口設備SPS9000型卷管成型機生產運行的10 年時間里，先后出現各種機械性故障，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，導致內嚙合高壓齒輪油泵經常因故障報廢。

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嚙合的方式，通過兩者嚙合間隙的變化，將吸油區ΔS 的液壓油定向輸送到壓力區P。

油泵軸向通過軸向密封墊片來平衡壓力區和墊片背壓，從而以較低的機械損耗來實現理想的密封效果。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整，將壓力區與吸油區分隔。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整。

圖2 密封輥

2.2 故障現象

（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，造成內嚙合高壓齒輪油泵內部卡死，從而導致聯軸器損壞（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，經常發現故障的內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疲勞裂紋（圖6）。內嚙合高壓齒輪油泵長期工作產生的振動，引發螺紋孔的裂紋擴散，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。在工作環境中高速負載運行時，輕者引發聯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軸器。

圖6 泵架螺紋孔疲勞裂紋

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

（3）高壓過濾器濾芯堵塞。這種情況主要發生在電機啟動階段，就是通常所說的“悶車”現象發生的時候，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軸器轉動阻力瞬間加大，輕者扭斷聯軸器彈性塊，重者電機主軸的高扭矩會直接將聯軸器扭斷變形。

2.3.2 “月牙板”組件斷裂

經過拆解多個故障內嚙合高壓齒輪泵，發現“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移位現象，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

該判斷的依據不僅憑拆卸出來的原始狀態（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。當波形彈簧片位移到異常壓痕點位置無法移動時，正處于內齒的齒頂，形成了一個支點，小齒輪軸齒頂轉動到該點時，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

導致波形彈簧片產生位移的因素主要有以下兩個：

（1）“半月板”組件的磨損。內嚙合高壓齒輪油泵長期高負荷運行，泵體內部溫度較高，而黃銅材料的半月板組件的熱膨脹系數較大，扇形體與扇形支撐體外表接觸面造成磨損。升壓時，內外齒齒腔內壓力擠壓長扇形體和扇形支撐體外表面，兩者內接觸面貼合時密封輥無法移動，而低壓泄荷時內外齒齒腔內壓力降低，兩者內接觸面間隙就會增大，當內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，相當于在內嚙合高壓齒輪油泵出口加裝了一個節流閥，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，從而加劇內嚙合高壓齒輪油泵內部“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，齒輪泵的內耗加大，出油口壓力升高的同時吸油減少，導致泵內磨損和發熱加大，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象在日常維護過程中時常發現，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象。而引發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軸器彈性塊破損受力不均。

另外，內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，螺紋孔出現的發散性疲勞裂紋會影響泵架結構的安全穩定性，因此對原有基面安裝尺寸進行數據測繪，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定性。

3.2 濾芯

原常規高壓過濾器濾芯的壁厚不符合設備現的使用狀況，因此高壓濾芯的內壁壁厚從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油冷機，控制內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 聯軸器彈性塊

原星形聯軸器彈性塊為黑色丁腈橡膠（NBR）材料，雖然有優異的耐油性和彈性，但其耐撕裂性能較差，常常出現內圈斷裂現象。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、耐撕裂性優異的紅色聚氨酯聯軸器彈性塊，確保彈性塊的使用壽命，降低聯軸器故障的風險。

4 制定維護方案

依據誘發內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）每星期對工業油冷機進行檢修，清理過濾網塵，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

內嚙合高壓齒輪油泵在進口大噸位SPS9000 型卷管機液壓系統的應用中，直觀地反映出該類型齒輪泵在實際使用中所存在問題。雖然內嚙合高壓齒輪油泵性能優異，在設備液壓系統的流量、流速和壓力響應控制中表現出色，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，以便更好地體現出內嚙合高壓齒輪油泵在實際應用中的優勢。

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，確保內嚙合高壓齒輪油泵使用的穩定性。