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齿轮泵壳体爆裂的原因分析与措施
1．简介
在对某装备车进行交检过程中发现液压表的指示值达不到规定要求，调试人员随即对下车主溢流阀开启压力进行小幅增加，发现液压表指示值仍不能上升，随后又进一步增大溢流阀开启压力，问题仍不到解决。调试人员随即收起支腿等待技术人员前来查看，此时齿轮泵突然发生爆裂。
2．故障原因分析
停车后对齿轮泵进行检查，发现铝合金壳体端盖紧固螺孔沿轴向方向裂开有一长约100mm、宽约2mm的贯通裂缝，该裂缝位于齿轮泵高压油腔一侧。针对问题的现象，从以下几个方面对问题产生的原因进行了分析。
(1)材质及铸造质量分析。液压泵的壳体材料为ZL111铝合金，采用铸造的方法制造毛坯，采用镗、研磨等工序加工而成。如果壳体材质不合格或者在铸造过程中有夹渣、气泡或者加工过程中有裂纹等缺陷，在承受高压载荷的情况下会产生局部应力集中，导致爆裂。为验证该泵壳体是否满足要求，将爆裂的泵壳进行化学成分分析和力学性能测试。
结果表明：实测材料抗拉强度为315MPa，符合标准要求；壳体材料的化学成分符合GB/T1173-1995的要求；依据GB/T 9438-1988低倍检验未见直径大于0.5mm的气泡或夹渣，铸造质量符合要求；泵壳断口处断面形状为韧性撕裂状断口，无陈旧性裂纹，这说明壳体加工过程中未造成裂纹或者使用过程中没有疲劳性裂纹产生。这说明齿轮泵壳体材质及铸造质量符合要求。
(2)齿轮泵壳体有限元分析。采用有限元分析首先要构建实体模型（该过程亦称实体建模），其方法一般有自底向上和白顶向下两种。自底向上时通过定义关键点，再用这些关键点定义较高级的图元，这种由点到线、由线到面、由面到体、由低级到高级的建模方法称为自底向上法。另一种是自顶向下法，它从高级图元开始建模，低级图元直接生成。根据壳体结构比较复杂的特点，采用自底向上的建模方法。
 壳体实体模型建立好之后，对其进行了网格的划分，图M为壳体实体在有限元软件ANSYS中通过网格划分后的有限元模型。在对壳体施加边界约束时，考虑到端盖在功能上与壳体一起形成低压油腔与高压油腔；在约束关系上，端盖通过壳体的8个连接螺栓孔对壳体的自由度进行约束，因而对安装固定螺孔内部施加全约束(ALL DOF)，在壳体的8个连接螺栓孔施加UX、UY、UZ三个方向的约束。考虑到齿轮泵内腔中以外啮合齿轮的中心线为界，分成高压油腔区和低压油腔区，低压油腔区的压力为负压（以吸油）。因而加载时只在高压油腔及高压油出口通道内壁施加31.5MPa的压力载荷(溢流阀的最高调整值为31.5MPa)，模拟齿轮泵在31.5MPa压力载荷下的工况，仿真结果如图N所示。
 从图N中可以看出壳体最大应点位于泵壳端盖紧固螺栓孔处（图中MX处），同发生爆裂的实际位置相吻合，这是壳体最薄弱的地方。该处的最大应力值为77MPa，小于壳体材料的抗拉强度值( 315MPa)。计算结果说明泵壳设计的强度完全能满足使用要求。
(3)压力调节系统分析。图O为该弹药运输车液压系统的部分原理图。其中，上车压力的微调阀5控制着液控溢流阀4控油口K的压力大小，即决定着溢流阀4的开启压力值。
多路换向阀2的作用是：选择给上车系统供油还是选择给下车支腿油路供油，两者只能选其一。
当选择向上装系统供油时，液压油经溢流阀1控制．通过多路换向阀进入上车系统，又经溢流阀4的控制后去执行某个动作，此时可以由液压指示表3得知整个系统工作的压力值。
 选择向上装系统供油时，溢流阀1和4在整个液压系统中处于并联关系，起作用的只是开启压力值较低的一个，如果上车（或下车）溢流阀产生故障，则只调高下车（或上车）溢流阀的开启压力，压力指示表的示值仍为溢流阀4(或1)的开启值。调试两个溢流阀的开启压力时，一般采用的方法为；先将其中一个溢流阀微调，若压力表指示仍达不到规定值再调另一个。
由于上车溢流阀4发生故障，操作人员虽经过多次调高下车溢流阀的开启压力值，并已超过齿轮泵的最高压力值，但液压指示表3的示值仍为溢流阀4的开启值。此时选择向下车系统供油并收起支腿，由于支腿收到位时系统液压升高，但溢流阀不能及时开启，系统液压迅速升高超过齿轮泵的最高压力值造成壳体爆裂。
由上述分析可以看出，齿轮泵爆裂主要由液压系统设计不完善，系统液压压力调整不当所造成。同时，操作规范中也没有明确的压力调整方法，以指导操作人员。
3．措施
通过分析，查明了产生原因，为了保证液压设备的正常工作，今后避免再发生类似的事故，采取了以下几个措施。
(1)完善液压系统。一种方法是在下车液压系统加装液压指示表，但下车溢流阀调整的次数不多，加装液压指示表既增加成本，也并非必须。另一种方法是改进下车溢流阀阀体结构，限定其开启压力调整值范围为3～23MPa，即使压力调整螺栓拧到最大，溢流阀依然能开启，且压力为23MPa，这样既能满足使用要求，又不超过齿轮泵的额定压力值(25MPa)。经过专家评审最终选择第二种方法。
(2)完善总装调试文件。将上述的调试方法加入总装调试工艺及作业指导书中，并对相关人员进行培训，使之按规定的程序调试和作业。
落实以上措施后，对后续产品及已交付部队使用的产品改进、试验、跟踪，无类似事故出现。这说明原因分析全面，措施到位，效果良好。
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