关于某型号齿轮油泵断轴的异常分析

关于某型号齿轮油泵断轴的异常分析
摘要：大型旋转机械常常需要油泵为轴承供油，油泵本身的可靠性直接决定
产品的运行可靠性。

本文结合某型号齿轮油泵在工作过程中断轴异常，从应力应变、断口形貌、材料成分、硬度、金相等方面逐项分析，最终锁定断轴原因，为
后续设计油泵轴提供重要参考依据，避免再出现类似问题。

关键词：齿轮油泵；断轴
Abnormal Analysis on Broken Shaft of a Gear Oil Pump
NanJiang，RuiXing Zhong
GREE Electric Appliances Inc., Zhuhai, Zhuhai Guangdong, 519070
Abstract: Large rotating machinery often needs oil pump to supply
oil to the bearing, and the reliability of the oil pump itself
directly determines the operation reliability of the product. In combination with the abnormal shaft interruption of a certain type of gear oil pump in the working process, this paper analyzes the causes
of shaft breakage item by item from the aspects of stress and strain, fracture morphology, material composition, hardness, and metallography, and finally locks the causes, providing an important reference for the subsequent design of oil pump shaft to avoid similar problems.
Keywords: gear oil pump ; broken shaft ;
第一作者：蒋楠，Email：**********************
通讯作者：钟瑞兴，Email：************************
通讯地址：广东省珠海市前山金鸡西路789号格力电器商技一
部邮编：519070
0引言
大型旋转机械常常需要油泵为轴承供油，油泵本身的可靠性直接决定产品的
运行可靠性。

近年来, 齿轮油泵以其结构简单,加工方便,体积小,重量轻, 且有
自吸能力强等特性,应用越来越广泛。

然而齿轮油泵在运行过程中不可避免出现
一些故障，本文主要分析阐述某型号齿轮油泵在运行过程突发故障，油泵电机正
常运行，但是油泵出口无油流出，需对其进行详细异常分析，杜绝后续再出现类
似问题。

1齿轮油泵工作原理
齿轮泵是液压传动系统中一种常用的液压泵，按齿轮啮合形式可分内啮合齿
轮泵和外啮合齿轮泵两种。

内齿轮泵仅有两个运动件、主轴上的圆弧齿带动外转子即摆轮同向转动，当
两齿轮相互分离时在进口处造成负压而吸入液体，两齿轮在出口处相互嵌人啮合，将液体挤压输出，两对应齿轮相啮合所形成的空间容积变化循环一次，实现吸入
物料和排出物料各一次。

内啮合齿轮泵，它与渐开线外啮合齿轮泵相比，具有结构紧凑，质量轻，尺
寸小等优点。

而且由于齿轮同向旋转，相对滑动速度小，磨损轻微，使用寿命长，流量脉动小，因而压力脉动和噪声都较小。

同时，油液在离心力的作用下易充满
齿间槽，故允许高速旋转，容积效率较高。

如图1所示：
图1 油泵工作原理示意图
2 油泵失效排查过程
根据以往经验，造成油泵出口无油流出可能跟以下因素有关：
（1）油泵接线松脱：通过对电控箱、油泵接线排查，未发现端子松脱情况，且油泵电机正常运行，又可通过声音判断，排除该因素；
（2）油泵电机异常：通过万用表对电控箱中油泵三相绝缘电阻进行检测，
阻值均在13.2Ω左右。

由于油泵置于油中，温度高于20℃，电机绕组阻值随温
度升高而增大，因此，相对于图纸要求标准温度20℃，阻值10.3～12.6Ω，判
断满足图纸要求，排除该因素；
图2 油泵三相电阻
（3）油泵出口阀门未打开：万用表对电控箱中油泵三相电流进行检测，电
流均在2A左右，小于油泵额定电流2.7A，如果油泵出口阀门未开，该油泵电流
将远超油泵额定电流，排除该因素；
图3 油泵三相电流
（4）油泵机械结构损坏：通过触摸油泵电机运行部位及出油部位，电机部
位有轻微振动，类似空转运行，而出油部位无振动，而且油泵运行的声音明显比
正常运行时小很多，因此判断油泵内部结构出问题：油泵电机断轴或者油泵电机
与工作轮间的联接出现松脱，使工作轮无法工作。

拆开故障油泵，检查发现油泵电机轴断裂，与上述分析一致，该故障油泵断
轴位置有以下特征：
①断轴位置处于退刀槽根部；
②退刀槽根部没有圆角，为直角过渡；
③断面中间部位有螺旋凸起现象，说明主要受扭转作用力而破坏。

图4 主轴断裂位置
图5 主轴退刀槽直角过渡
3 油泵断轴分析
针对油泵主轴断面情况，主要从应力应变、断口形貌、材料成分、硬度、金
相等方面进行分析。

1、应力分析结果：
根据厂家提供的油泵主轴图纸，结合油泵功率1.1kW、转速1450rpm，按实
测3.36倍启动扭矩计算得到扭矩输入条件为24.33N.m，利用ansys有限元建模，
对理论主轴（退刀槽有圆角过渡）和实际主轴（退刀槽无圆角过渡）进行应力分析，结果如下：
图6 主轴ANSYS有限元建模
图7 主轴危险截面
图8 理论主轴横截面应力分布图
图9 理论主轴垂直截面应力分布图
图10 实际主轴横截面应力分布图
图11 实际主轴垂直截面应力分布图
通过上述仿真分析可得以下结论：
（1）应力最大部位与主轴断裂部位一致，说明退刀槽是影响整根电机主轴
可靠性的主要部位；
（2）当主轴退刀槽按图纸加工出R0.6圆角时，启动时最大应力为32.7MPa，满足45钢许用应力40MPa的要求，而对于无圆角过渡时，应力值呈1.7倍升高，为57.2MPa，超过许用应力40MPa，由于输入条件为启动转矩，而在实际运行中，转矩要小很多，即：57.2/3.36=17MPa，因此在稳定运行中应力也满足要求；
（3）从主轴有圆角和无圆角数值变化趋势上得出：圆角过渡对于改善应力
集中有很大好处；
（4）主轴应力由外向里逐渐减小，因此，若主轴热处理合理，内部晶粒细
化均匀，主轴可靠性能大大提高。

2、材料分析结果
（1）断口宏观检查
从断裂形貌来看，断裂时宏观塑性变形区域较小，可以初步判断为脆性断裂；断裂面靠边缘位置出现小凸面，判定为最终断裂位置，分析为中心位置塑性变形
过程中受离心力影响导致。

图12 断口形貌
（2）扫描电镜分析
通过扫描电镜对断口形貌进行微观观察发现，主要断裂位置为脆性断裂形貌（见图13），断口边缘位置为剪切唇形貌（见图14），同时发现断口上凸面位
置也存在剪切唇形貌（见图15）。

图13 主要断裂位置
图14 断口边缘位置
图15 断口上凸面位置
通过上述分析，判定故障品为脆性断裂。

（3）材料成分测试
为排除材料异常，取油泵轴断裂样品进行材料成分测试如下：
材料成分均符合要求，排除材料成分异常导致油泵轴断裂的可能性。

（4）硬度测试
技术要求油泵轴45#钢调质后硬度HBw240~280，抽取油泵轴断裂样品进行硬度测试，从断面中心位置向边缘进行硬度检测，实测硬度从芯部往外为
HBw215~260，芯部位置硬度偏低，不符合要求。

油泵轴断裂样品芯部硬度偏低，易导致受力断裂。

（5）金相对比分析
金相检验中放大至400倍，未发现材料中有微裂纹。

对比热处理金相组织有明显发现：断裂批次轴断位置热处理金相组织如下：回火索氏体+明显的块状及网状铁素体，该组织评定调质8级。

图16 断裂油泵轴金相组织（400倍）
为评定45钢锻后调质处理的质量，GB/T 13320-2007《钢质模锻件金相组织评级图及评定方法》把调质组织分为8级，图18为1级，属良好组织状态，而图17为8级，性能必然较差。

如下图17为回火索氏体以及趋网状分布的白色铁素体，部分铁素体呈针状向境内发展。

图17 45#钢调质处理8级标准图（500倍）
如下图图18为均匀细小的保持马氏体位向的回火索氏体。

图18 45#钢调质处理1级标准图（500倍）
断裂油泵轴热处理不达标，存在过多的网状分布的块状铁素体，该轴各项力
学性能差，是本次导致轴断裂失效的根本原因。

5 结论
油泵轴断裂原因主要有以下因素造成：
（1）材料热处理不达标，存在过多的网状分布的块状铁素体，该轴各项力
学性能差；
（2）轴芯位置硬度严重偏低；
（3）断裂位置位于退刀槽位置无圆角过渡导致应力集中；
后续在设计齿轮油泵电机轴时需尽量考虑上述因素，避免再次出现类似异常。

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参考文献：
[1]GB/T 13320-2007.钢质模锻件金相组织评级图及评定方法[S] 11-14
[2]陈英．齿轮泵性能影响因素及改进研究[J]．煤矿机械.2011年2月第32卷第2期164-166
[3]马晓三．齿轮泵内泄漏途径及控制方法研究[J]．机床与液压.2014年10月第42卷第20期156-158
[4]臧克江．降低齿轮泵困油压力新方法的研究[J]．中国机械工程2004年4月第15卷第7期 578-581
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