液压泵壳体泄漏油监控：Yes 或 No？

原文：By Steve Thorpe, Webtec

编辑：腾益登

当机器部件的使用寿命已确定并且可以相当准确地预测时，预防性维护理念是一个很好的选择，并且几乎肯定比等待故障维护方法更好。预防性维护包括预测组件的寿命或性能下降，并在其使用寿命结束之前的某个时间安排其维修或更换。然而，一些部件在众多变量（因素）的情况下运行，这可能会影响其性能损失率，液压泵就是这样的部件之一。例如，泵的使用寿命可能会受到以下因素的影响：

• 根据具体应用正确的选择泵

• 使用前如何储存泵

• 泵如何安装到系统中

• 应用的工作压力和工作周期

• 泵的转速

• 系统流体的类型和状况（温度、清洁度等）

• 泵吸入口条件

• 泵控制装置的正确设置和操作（如适用）

• 泵泄油管布置

由于运行变量（因素）如此之多，估算出需要维修或更换泵的时间绝非易事。低估泵的使用寿命可能会导致部件依然完全可以使用，且还剩下许多小时的使用寿命，而被不必要地更换。另一方面，过高估计其寿命可能会导致在计划更换之前发生灾难性故障，并可能导致由此产生的所有间接成本和中断。因此，在这种情况下，预测性维护程序可能更合适，其中定期或最好连续监测泵性能的关键特征。

因此，下一个要回答的问题是，表明泵性能水平的泵运行的关键特征是什么？要回答这个问题，首先需要定义典型泵的常见故障模式。因此，以变量轴向柱塞泵为例，这种泵由于其良好的效率、高压能力和通轴驱动特点，在大型移动机器和许多工业应用中非常常见。此类泵通常由 9个柱塞组成，这些柱塞安装在旋转缸筒的孔中。当缸筒旋转时，倾斜的斜盘使柱塞在其孔内往复运动，柱塞的冲程由斜盘的角度决定。每个柱塞端部上的滑靴或滑靴使用回程盘固定在旋转斜盘上，并且滑靴和柱塞之间的柔性接头通常通过将滑靴锻压在柱塞的球形端部上来实现。然而，在一些设计中，柱塞与滑靴的球形延伸部配合。入口和出口流体在循环的适当部分通过泵后部的配流盘流至柱塞。控制柱塞将斜盘定位在最大和零之间的任意角度，以便改变泵排量并响应安装在泵上的一个或多个控制阀的动作。在一些设计中，调节柱塞与泵轴位于同一轴线上，而在其他设计中，调节柱塞与泵轴成直角。

图 1 – 变量轴向柱塞泵的常见故障模式（密封失效、驱动轴失效、轴承失效、内部损坏或磨损导致壳体内部或外部泄油、控制阀即调节装置问题）

现在考虑到泵故障的最常见原因，就像所有旋转设备一样，轴承的磨损或损坏将不可避免地排在首位。泵轴轴承失效的原因可能有多种，但液压油问题和负载过大是两个最可能的原因。错误的流体类型或状况以及污染和温度问题都可能导致轴承过早失效，以及轴不对中或过压导致的过度负载。当然，即使在额定使用条件下工作，所有轴承的使用寿命也是有限的。

如前所述，可变排量轴向柱塞泵的斜盘设计为倾斜以改变泵的排量，因此安装在轴瓦中，轴瓦的两侧由滚针轴承或更常见的鞍型轴承支撑。鞍形轴承通常采用压力润滑，但仍然容易因受污染的液体而发生故障。驱动轴的故障不太常见，通常是由于安装对准不良而弯曲或泵严重超压导致扭转故障造成的。当然，扭转故障也可能是泵灾难性内部故障的结果。

轴封泄漏可能是密封件磨损或泵壳压力高的迹象。密封件需要润滑，以避免过多的热量积聚和磨损，因此在没有预先向壳体填充液体的情况下启动泵可能会导致密封件过早失效。如果泵“干”启动，即泵壳内没有流体，则内部泄漏可能需要很长时间才能填满泵壳并为轴封和其他部件提供必要的润滑，特别是如果泵输出在此期间被卸载。温度过高、污染以及高连续或峰值壳体压力也是可能导致轴封泄漏的因素。

图 2. – 高壳体压力会导致轴密封件磨损加剧，从而导致密封件泄漏

变量泵通过先导阀进行控制，先导阀通过一个或多个控制柱塞作用，改变斜盘的角度来改变泵的排量。控制阀的范围可以从简单的恒压补偿器到伺服控制的位移机构，并且可能与负载传感和功率限制等功能相结合。此类控制阀可能总是容易受到污染、堵塞阀芯或阻塞孔口的影响，并且还必须设置在启动时和泵的整个使用寿命期间正确启动和调整。例如，流体温度过高的一个非常常见的原因是限压补偿器的压力被调节到高于泵出口安全阀的压力。然后，多余的泵流量会在全压下流过安全阀，而不是减少泵流量。

与大多数液压元件一样，泵的最大敌人是污染。泵内部组件的正常或异常磨损将不可避免地降低泵的输出流量。比如，缸筒面的磨损或损坏可能会导致直接从高压出口到低压入口或进入泵壳的泄漏。然而，来自柱塞/孔间隙和来自柱塞/组件的泄漏总是会聚集在泵壳中，并从泵壳处通过壳体泄油管线引导回油箱。因此，长期以来人们一直认为，监测泵的壳体泄油流量可以很好地指示泵的磨损状态，从而能够估计泵的剩余使用寿命。虽然这通常是一个合理的假设，但如果采用这种方法，则需要考虑几个因素，并避免一些陷阱。

首先，如上所述，并非所有内部泄漏都会收集在泵壳中，因此不会表现为壳体泄油管路中的总流量。由污染引起的配流盘或缸筒端面的划痕通常会使高压流体直接流回入口，从而减少净输出流量。一些泵设计采用了壳体到入口止回阀，旨在限制壳体压力，因此过多的内部泄漏可能不会随着壳体泄油管路中流量的增加而出现。此外，串联泵有时共享一个公共壳体泄油管线（通过从后泵上拆下轴封），因此无法确定哪个泵正在失去效率，或者效率损失是否是由两个泵造成的。

其次，安装在壳体泄油管路中的任何部件都可能增加对泄油流量的限制，从而增加泵壳体内的压力，并且如上所述，高壳体压力会降低轴密封性能。但除了对泵轴密封的影响之外，高壳体压力还会导致泵出现更严重的问题。对于泵吸入侧的柱塞，较高的壳体压力往往会将每个柱塞推回其孔中，从而对抗柱塞孔内的非常低的压力。回程盘的目的是抵消这种不平衡的压力，并使柱塞与泵循环吸入侧的斜盘接触。在泵设计使用弹簧加载回程盘的情况下，过高的壳体压力会克服弹簧力，并使柱塞抬起斜盘，从而导致它们倾斜并允许柱塞和斜盘之间的金属与金属接触。斜盘表面上的半圆形痕迹以及回程盘孔边缘上的凹痕是发生现象的特征标志。

图 3. – 斜盘标记和回程盘凹痕显示滑靴提升（照片来源丹佛斯）

当泵采用固定间隙回程盘时，作用在柱塞上的过大的不平衡压力会使滑靴与柱塞的球形端分离，这不可避免地导致泵立即完全失效。

图 4. – 高壳体压力导致的柱塞，滑靴和回程盘故障

为了将作用在柱塞上的不平衡压力保持在可接受的水平内，大多数泵制造商规定了壳体压力和入口压力之间的最大压差，通常为 50 kPa (7.5 psi)。然而，必须记住，在最大冲程角时，吸入口柱塞在其孔内以高速线性行进并随缸筒旋转。因此，当流体挤压通过配流盘和缸筒的狭窄开口，加速到柱塞的线性速度和旋转速度，然后充满柱塞孔时，其压力将接近绝对零，并且肯定远低于入口处可测量的压力。但即使受到这种压力不平衡，如果没有其他因素的影响，合力似乎也不足以将柱塞和滑靴分开。

在许多情况下，另一个因素可能是单个斜盘控制柱塞在泵壳中引起瞬态压力峰值的结果。当泵从高流量状态移动到低流量状态（涉及减小的斜盘角度）时，控制柱塞快速延伸并从泵壳中排出一定量的流体。如果泄油管路受到任何限制，这会在壳体泄油管路中产生瞬时高流速，并随之在壳体内产生高峰值压力。有关此类峰值泄油管流量的数据相当稀少，但 Parker 引用了 140 cm3/r（8.5 in3）泵高达 120 L/min (31.7 gpm) 的数字，几乎是 1800 rpm 驱动速度下全泵流量的一半 。因此，如果泄油连接以及安装在其中的任何组件的尺寸已确定为 10 至 15 L/min（2.6 至 4.0 gpm）的预期流量（理论泵输出流量的 4 至 6%），则 120 L/min (31.7 gpm) 的瞬时流量可能会在泵壳中产生较高的峰值压力。在 1800 rpm 的转速下，每个柱塞和滑靴组件每秒被挤压和拉伸 30 次，因此，如果高壳体压力产生的拉伸力大于应有的拉伸力，则柱塞球形端和滑靴之间的连接最终会松开， 随后过早失败。当然，当控制柱塞缩回以使泵回到冲程时，泄油管路中可能会发生逆流。

图 5. – 控制柱塞位移产生峰值泄油管流量

由于这些原因，变量柱塞泵的泄油管应尽可能大且不受限制，即使由永久安装的涡轮式流量计产生的相对较低的限制也可能足以缩短泵的工作寿命。因此，偶尔（但定期）将流量计连接到泄油管比永久安装的装置更可取，但必须注意确保在相同的泵运行条件（排量、速度、压力）下获取流量计读数、温度等），这可能并不总是容易做到，除非使用确定的测试流程进行，并且很可能在机器离线的情况下进行。

图 6. – 使用 Webtec CTA 系列流量监测器监测泵流量性能

在移动机械上，泵驱动速度可以从发动机速度得出，当然通常会对其进行监控。斜盘角度传感器是许多变量泵的常见选件，压力传感器也是许多机器的标准配置。通过使用同时检测流体温度的输出流量监视器，还可以考虑影响泵流量的最终因素。

因此，Webtec 的 CTA 系列流量监测器非常适合构成预测性维护系统的一部分，可以在压力高达 42 MPa (6,090 psi) 和流量高达 300 L/min (79.3 gpm) 的情况下连续监测泵输出流量性能同时感测流体温度。其工作原理是经过充分验证的设计，使用安装在流中的涡轮机叶轮和感测每个涡轮叶片经过的传感器。当流量通过流量监测器时，涡轮叶片以与流量成比例的速度旋转。然后，车载电子设备将传感器脉冲转换为流量信号，该信号可以通过 SAE J1939 CAN bus 信号传输到车辆的主监控系统，或通过远程信息处理链路传输到集中监控和诊断站。

尽管这种流量监测器产生的限制很小，但将这些装置安装在可变排量轴向柱塞泵的出口中而不是安装在壳体泄油管路中是首选布置。然而，安装到固定排量泵和马达的泄油管中的问题要小得多，因为不太可能发生高瞬态泄油管线流量。结合合适的振动传感器来监测轴承状况，可以对泵进行全面、连续的健康检查，并采取适当的措施来避免意外故障造成的干扰和成本。

因此，在使用壳体泄油流量监测之前，请考虑以下事项：

• 并非所有泵和电机的内部泄漏都像壳体泄油流量一样明显

• 安装在壳体泄油管路中的部件不应不利地增加壳体压力

• 适当时检查制造商关于最大壳体压力和壳体至入口压差的规格

• 变量泵泄油管中的瞬时流量可能非常高

• 壳体泄油流量将随泵或电机工作压力的变化而有很大变化

• 变量泵的控制孔通常会增加零排量时的泄油管线流量

原文始发于微信公众号（液压传动与控制）：液压泵壳体泄漏油监控：Yes 或 No？