柱塞滑靴通油孔邊緣鍍銀層剝落故障機(jī)理分析

摘 要：航空液壓泵柱塞滑靴通油孔邊緣部位在高、低壓變換受載的極端工況下，通油孔邊緣表面鍍銀層發(fā)生非摩擦接觸式異常剝落。針對(duì)某型號(hào)液壓泵柱塞滑靴通油孔邊緣鍍銀層剝落早期故障，采用失效分析、故障樹分析、計(jì)算流體力學(xué)仿真方法，探究鍍銀層早期剝落故障機(jī)理。研究結(jié)果表明：柱塞滑靴通油孔邊緣基體表面存在組織偏析及其表面未清除的氧化物導(dǎo)致了鍍銀層結(jié)合強(qiáng)度下降，加上通油孔邊緣塌邊使得邊緣處交變油壓沖擊更加嚴(yán)重，以上綜合因素導(dǎo)致通油孔邊緣部位鍍銀層最先發(fā)生早期剝落。

關(guān)鍵詞：柱塞滑靴；鍍銀層剝落；失效分析；故障樹分析；計(jì)算流體力學(xué)

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

航空液壓泵的滑靴與墊板摩擦副是其關(guān)鍵摩擦副之一，實(shí)際工作過程中，滑靴在墊板表面做旋轉(zhuǎn)配合運(yùn)動(dòng)，與油膜之間形成相對(duì)粘性摩擦力，與墊板之間微小間隙里有微動(dòng)沖擊。常見滑靴端面故障主要有磨損、掉塊等，這些故障主要表現(xiàn)在與墊板相互接觸或通過高壓油膜粘性接觸的摩擦副表面[1][2]。但是，本文研究的鍍銀層剝落故障，其剝落范圍主要集中在非摩擦接觸的通油孔邊緣區(qū)域，與上述故障情況存在差異，并且故障出現(xiàn)時(shí)液壓泵服役時(shí)間約14小時(shí)，僅達(dá)到要求服役時(shí)間2.8%，如果剝落銀層進(jìn)入高速運(yùn)動(dòng)摩擦副表面，則可能進(jìn)一步導(dǎo)致摩擦副表面粘著和磨粒磨損，嚴(yán)重時(shí)使液壓泵喪失供壓功能，因此，開展滑靴通油孔邊緣鍍銀層剝落故障機(jī)理分析研究。

1 情況介紹

1.1 故障情況

某型航空液壓泵經(jīng)修理后使用14小時(shí)10分，分解發(fā)現(xiàn)部分柱塞滑靴通油孔邊緣區(qū)域鍍銀層發(fā)生不同程度剝落情況，其中一處剝落如下圖1。

1.2 柱塞工況

液壓泵中柱塞主要作用是進(jìn)行吸油和排油，其主要工作原理為：液壓泵在工作過程時(shí)，由于斜盤平面與旋轉(zhuǎn)軸線存在角度，柱塞在分離片和夾緊墊圈的限位下，在轉(zhuǎn)子孔中進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，改變柱塞與轉(zhuǎn)子孔組成的容腔容積，實(shí)現(xiàn)吸油和排油過程。柱塞進(jìn)行吸油時(shí)，僅考慮油壓影響，由于液壓油具有不可壓縮性，柱塞尾部油液壓力低于殼體內(nèi)腔油液壓力，滑靴通油孔處油液沿滑靴端面向柱塞尾部流動(dòng)；柱塞進(jìn)行排油時(shí)，柱塞尾部油液壓力高于殼體內(nèi)腔油液壓力，滑靴通油孔處油液沿柱塞尾部向滑靴端面流動(dòng)。柱塞通油孔在正常工況下，會(huì)受到油液壓力交變沖擊。

1.3 滑靴鍍銀工藝流程

柱塞滑靴鍍銀表面基體為錫青銅，在修理過程中，滑靴鍍銀主要工藝流程為：退銀→研磨→超聲清洗→接收檢查→吹砂→除油→活化→中和→鍍銅→預(yù)鍍銀→鍍銀→鍍鎘→真空爐熱處理→刷光→交檢→研磨拋光。

2 原因分析

2.1 失效分析

對(duì)失效柱塞滑靴進(jìn)行觀察，見圖2，其中2號(hào)滑靴表面銀層破損相對(duì)較重，孔邊銀層掉落，靠近孔的扇形面區(qū)域也存在銀層破損，銀層破損邊緣整齊。8號(hào)滑靴孔邊倒角處存在鍍層剝落；6號(hào)滑靴孔邊不存在明顯剝落，觀察孔內(nèi)壁存在剝落。綜合觀察失效滑靴形貌特點(diǎn)為：破損程度不同，少量未破損，個(gè)別孔邊存在剝落，嚴(yán)重的靠近孔扇形面區(qū)域也存在大面積剝落，剝落共同點(diǎn)是均呈現(xiàn)孔邊剝落特征，且該批次孔邊均存在塌邊特征。

將失效滑靴退鍍處理，觀察退鍍后銅合金表面形貌。圖3中依次為2、8、6、9號(hào)柱塞滑靴。2、6、8號(hào)柱塞滑靴退鍍后，放大觀察可見孔邊及整個(gè)表面均出現(xiàn)網(wǎng)狀紋路，未發(fā)生銀層剝落的9號(hào)滑靴無任何紋路形貌出現(xiàn)。觀察可知：銀層剝落較重的退鍍后滑靴表面出現(xiàn)網(wǎng)紋，而未掉銀柱塞退鍍后無網(wǎng)狀紋路出現(xiàn)。

對(duì)2號(hào)柱塞滑靴表面元素進(jìn)行分析，網(wǎng)紋區(qū)域掃描結(jié)果見圖4，右側(cè)依次表示為Cu、O、Sn、C、Pt、P元素含量，高亮區(qū)域表示含量較高，可看出網(wǎng)紋區(qū)域元素主要為Sn和O。非網(wǎng)紋區(qū)域掃描結(jié)果見圖5，可看出主要金屬元素為Cu，Sn元素顯像模糊，不存在Sn元素偏析。

進(jìn)一步對(duì)滑靴表面非網(wǎng)紋點(diǎn)和網(wǎng)紋點(diǎn)處元素進(jìn)行分析，見圖6，可看出網(wǎng)紋處Sn和O元素含量遠(yuǎn)高于非網(wǎng)紋處，具體元素含量見表1。通過以上分析，網(wǎng)紋應(yīng)主要為錫青銅合金中Sn元素偏析，表面O元素含量較高，應(yīng)主要為錫氧化物。

2.2 故障樹分析

根據(jù)滑靴鍍銀層剝落情況，進(jìn)一步分析鍍銀層剝落與基體狀態(tài)、前處理狀態(tài)以及工作環(huán)境相關(guān)，列出故障樹，共8個(gè)底事件，見圖7。

2.2.1基體表面組織網(wǎng)紋X1

滑靴基體材料為鑄造錫青銅，掉銀部分表面呈現(xiàn)網(wǎng)紋缺陷，而未掉呈現(xiàn)均勻組織狀態(tài)。

當(dāng)基體組織發(fā)生改變，表面不連續(xù)，新相金屬在基體上結(jié)晶生長(zhǎng)過程將會(huì)受到阻礙，進(jìn)而影響新相金屬與基體結(jié)合力[3]。新相金屬和基體結(jié)合強(qiáng)度大小是由新相金屬原子與基體金屬原子之間互相作用力決定，新相金屬與基體金屬本質(zhì)是決定結(jié)合強(qiáng)度的主要因素。滑靴鍍層掉落已經(jīng)裸露出基體，說明是新相金屬與基體金屬之間結(jié)合異常。即該滑靴鍍層與基體的結(jié)合受到網(wǎng)紋缺陷影響，強(qiáng)度下降。底事件X1無法排除。

2.2.2基體腐蝕X2

按鍍銀工藝要求，接收時(shí)檢查未發(fā)現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。另外，通過退鍍后滑靴表面狀態(tài)觀察，通油孔周邊未發(fā)現(xiàn)有腐蝕現(xiàn)象。可排除底事件X2。

2.2.3基體氧化X3

基體氧化、氧化膜等物質(zhì)會(huì)阻礙鍍層與基體的結(jié)合，導(dǎo)致結(jié)合力差。電鍍部分為銅合金材料，正常情況下，其金屬鈍性系數(shù)接近為“0” [4]，其表面不易形成氧化膜，因此被氧化可能性較小，且電鍍前有吹砂和活化工序，均可將表面氧化膜去除。但是，當(dāng)滑靴表面存在錫金屬偏析時(shí)，錫金屬比銅更易氧化，產(chǎn)生氧化膜在吹砂時(shí)無法有效清除，在活化處理（酸性）0.7min，達(dá)不到完全清除的效果[8][9]。無法排除底事件X3。

2.2.4基體碳化X4

滑靴電鍍部分材料為鑄造錫青銅，碳化一般發(fā)生在鋼鐵材料中，且退鍍后表面顏色呈現(xiàn)形貌未發(fā)現(xiàn)碳化現(xiàn)象。可排除底事件X4。

2.2.5除油不徹底X5

鍍銀工藝規(guī)定除油結(jié)束后采用水膜保持30s不破裂的方式檢查是否除油干凈，除油符合工藝要求。電鍍過程中，各柱塞一起除油，但只有部分產(chǎn)品出現(xiàn)局部掉落銀層現(xiàn)象。因此可排除底事件X5。

2.2.6活化不徹底X6

鍍銀過程主要通過工業(yè)級(jí)酸性溶液對(duì)基體表面進(jìn)行活化，酸性溶液一般包括硫酸、鹽酸、硝酸，活化時(shí)間不足會(huì)導(dǎo)致表面氧化層處理不完全[5]，活化處理（酸性）0.7min，對(duì)偏析處氧化膜溶解不徹底。無法排除底事件X6。

2.2.7銹蝕清理不干凈X7

鑄造錫青銅如出現(xiàn)銹蝕，產(chǎn)物主要成分是堿式碳酸銅，化學(xué)式為Cu2（OH）2CO3，顏色偏綠色。該氧化物既容易和酸反應(yīng)，也容易和堿反應(yīng)，即使存在銹蝕產(chǎn)物，電鍍過程中化學(xué)除油（堿性）30min，活化處理（酸性）0.7min，均可將其溶解。可排除底事件X7。

2.2.8通油孔邊緣受異常外力X8

根據(jù)柱塞滑靴工作環(huán)境，初步分析，通油孔周邊受到高低壓交變力影響和流體沖擊，對(duì)鍍層有一定沖擊力。因此通油孔邊緣受異常外力為可能因素。因此，底事件X7暫無法排除。

綜合以上底事件X1基體表面組織網(wǎng)紋、X3基體氧化、X6活化不徹底、X8通油孔邊緣受異常外力無法有效排除。

2.3 仿真分析

結(jié)合失效分析和故障樹分析，采用計(jì)算流體力學(xué)方法，對(duì)通油孔附近流場(chǎng)進(jìn)行仿真，進(jìn)一步探究通油孔邊緣塌邊對(duì)該位置鍍銀層受力影響[6]，。

2.3.1方法和邊界條件

采用URANS[7]方法進(jìn)行流場(chǎng)仿真，流體為15號(hào)航空液壓油，k-ω SST湍流模型，二階離散精度。邊界條件為無滑移壁面，進(jìn)油壓力0.35MPa，出油28MPa，回油0.8MPa。

2.3.2計(jì)算網(wǎng)格

采用二維非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，分別對(duì)原始（原始）、塌邊（塌邊）、倒角（倒角）通油孔邊緣進(jìn)行建模和網(wǎng)格劃分，三種情況網(wǎng)格量分別為154346、154620、154488。網(wǎng)格分別見下圖8上中下。

2.3.3計(jì)算結(jié)果

對(duì)以上三種模型，計(jì)算得到結(jié)果分別如下，其中原始、塌邊、倒角情況吸油和排油狀態(tài)分別見圖9、圖10，圖11。從圖中通油孔局部流線云圖可以看出，在原始無倒角情況時(shí)，因柱塞通油孔結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通油孔邊緣流體沖擊是必然存在的，但當(dāng)通油孔邊緣存在塌邊時(shí)，局部會(huì)產(chǎn)生漩渦，進(jìn)一步使通油孔附近壁面所受壓力波動(dòng)變化加劇，當(dāng)通過倒角來局部改變壁面外形時(shí)，可減少漩渦情況，適當(dāng)緩解通油孔附近壁面所受壓力波動(dòng)變化。

進(jìn)一步對(duì)比三種情況吸油、排油狀態(tài)通油孔內(nèi)邊界和外邊緣壓力分布，分別見圖12、圖13。圖中，紅、綠、藍(lán)分別為原始、塌邊、倒角情況，虛線之間為靠近通油孔與端面交界處區(qū)域，即鍍銀層發(fā)生剝落區(qū)域。可看出，原始情況下壓力變化相對(duì)平緩，塌邊情況下壓力變化最為劇烈，倒角情況下壓力變化較為劇烈，但優(yōu)于塌邊。

通油孔邊緣工況復(fù)雜，以上吸油排油過程，液壓泵每旋轉(zhuǎn)一周，柱塞滑靴通油孔處會(huì)經(jīng)歷2次高低壓轉(zhuǎn)換，以4200 r/min考慮，每分鐘滑靴通油孔會(huì)經(jīng)歷8400次高低壓轉(zhuǎn)換和變方向流動(dòng)沖擊。相比于正常情況，滑靴通油孔邊緣塌邊會(huì)使該得該位置局部鍍銀層承受更大的壓力沖擊。

結(jié)語(yǔ)

通過失效分析、故障數(shù)分析、流體仿真方法，揭示了柱塞滑靴通油孔邊緣鍍銀層剝落是綜合因素導(dǎo)致，如下：

1）柱塞滑靴通油孔邊緣基體表面存在Sn元素偏析以及偏析金屬表面未清除的氧化物使其表面鍍銀層結(jié)合強(qiáng)度下降，是導(dǎo)致鍍銀層早期剝落的主要原因；

2）通油孔邊緣塌邊使得邊緣處交變油壓沖擊相對(duì)嚴(yán)重，是促進(jìn)鍍銀層早期剝落的因素。

針對(duì)以上原因，為保證滑靴鍍銀質(zhì)量，提高液壓泵使用可靠性，滑靴修理過程中應(yīng)注意：

1）檢查滑靴銅合金基體狀態(tài)，電鍍前應(yīng)注意充分清除基體表面氧化膜，并縮短前處理與鍍銀時(shí)間間隔以防止進(jìn)一步氧化；

2）適當(dāng)對(duì)塌邊通油孔邊緣進(jìn)行打磨拋光圓滑過渡，改善局部油液流動(dòng)特性。

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作者簡(jiǎn)介：管博文（1992— ），男，漢族，，安徽蚌埠人，碩士研究生，工程師，研究方向：主要從事航空液壓系統(tǒng)、救生系統(tǒng)及其相關(guān)部附件（液壓柱塞泵、座艙蓋手動(dòng)開啟機(jī)構(gòu)等）維修技術(shù)研究工作。