挖掘机泵轴封渗油故障分析

党进+梁悦斌

摘要： 文中对挖掘机泵连接处进行三维建模，通过模态分析和谐响应分析发现动刚度是泵轴封渗油的主要原因。为了提高轴封机械结构的动刚度，文中提出5种方案，并对方案进行了分析和对比，最后得到了相对较优的方案。

关键词： 挖掘机；轴封渗油；模态分析；谐响应分析

中图分类号：TU621 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）24-0023-03

0 引言

挖掘机泵轴封渗油问题是困扰很多主机厂的问题，该故障现象多出现在1500-2000小时之间。由于泵的价值高、维修服务非常复杂，非常有必要从设计角度分析该故障的根本原因并找到解决对策。

1 模型建立

下面以玉柴重工某吨位挖掘机作为分析对象，在pro/e中建立零件几何模型，简化不影响结构强度性能的小圆孔、小倒角等细微特征，再按照工作状况进行装配创建组件模型，然后导入ANSYS Workbench中，接着采用10节点3自由度实体单元solid187进行网格划分。飞轮壳连接盘和液压泵的材料基本都是铸钢，它们的材料力学性能如表1所示。

2 模态分析

泵的模态分析需在安装孔面上施加固定约束（Fixed Support），泵体的质量有质量点控制。如图1所示。

求解泵模态分析前六阶的固有频率和振型如表2所示。

根据发动机转速和减速比，可算出泵的振动频率范围为150Hz～360Hz。计算结果表明，泵的一、二、三阶固有频率都处在其激振频域内，易发生共振现象，导致连接盘和液压泵主轴之间的较大串动。

3 谐响应分析

因泵的激振频率在150Hz～360Hz内，只需对该泵进行250Hz～360Hz的谐响应分析。谐响应分析载荷与约束如图2所示。

根据分析结构得知三阶固有频率时，驱动轴是前后摆动，对故障的影响不是很大，故重点观察泵的一、二阶固有频率。图3、图4分别是频率为285Hz、317Hz时泵驱动轴轴承油封处的位移云图。谐响应分析可知，泵一阶固有频率285.09Hz（转速1900rpm）时，易发生共振，导致驱动轴发生大位移跳动，驱动轴轴承油封处的位移是2.5～5.7mm，造成泵机构渗油。

4 结构优化方案及分析

4.1 结构优化方案

根据模态分析和谐响应分析结果可知原飞轮壳设计容易造成共振，驱动轴油封处存在大位移跳动，是造成泵轴封渗油的主要原因。针对这个问题，提出了以下几个方案：①飞轮壳连接盘厚度由原来的12mm增加到14mm；②增加飞轮壳连接盘厚度到16mm；③改变飞轮壳连接盘的结构，厚度不变；④连接盘外部加12条高度为3mm的加强筋；⑤连接盘外部加12条高度为5mm的加强筋，具体如图5所示各方案简图。

4.2 结构优化后的模态分析结果

求解优化后泵模态分析前四阶的固有频率和振型如表3所示。

计算结果表明，方案1、方案4、方案5的一、二阶固有频率都处在其激振频域（150Hz-360Hz）内，易发生共振现象。方案2和方案3的一阶固有频率落在激振频域内，二阶及二阶以上的固有频率均不在激振频域内。

4.3 结构优化后的谐响应分析

4.3.1 方案1谐响应分析。因泵的激振频率在150Hz～360Hz内，方案1的一阶、二阶固有频率分别为312Hz和350Hz，只需对该泵进行300Hz～360Hz的谐响应分析，如图6所示该方案泵驱动轴轴承油封的位移云图。

根据图6可知，方案1的泵一阶固有频率312Hz（转速2080rpm）时，驱动轴轴承油封处的位移是0.5～2.5mm；泵二阶固有频率350Hz（转速2333rpm）时，驱动轴轴承油封处的位移是0.002～0.01mm。增加连接盘2mm厚度虽然提高了泵机构的动态刚度，但位移量仍然较大，且2080rpm为发动机经常工作转速，所以该方案并没有彻底解决问题。

4.3.2 方案2谐响应分析。根据方案2的模态分析结果，系统的一阶固有频率359Hz落在激振频域内，只需要确定驱动轴轴承油封处在一阶发生位移的大小，如图7所示。

从图7云图可知，方案2泵一阶固有频率359Hz（转速2393rpm）时，驱动轴轴承处的位移是0.2～1mm。同时，由于2393rpm已是发动机转速的最大值，发动机很少在该转速下工作，所以加厚4mm连接盘厚度能够明显提高了泵机构的动态刚度。

4.3.3 方案3谐响应分析。方案3是对飞轮壳连接盘的结构进行了改变，泵的一阶固有频率328Hz处在其激振频域内，对该方案下的泵进行320Hz～330Hz的谐响应分析，如图8所示。谐响应分析结果表明方案3泵一阶固有频率328Hz（转速2187rpm）时，驱动轴轴承处的位移是0.3～1.3mm，说明此种连接盘结构较好地提高了泵机构的动态刚度。

4.3.4 方案4谐响应分析。方案4在连接盘外部加12条高度为3mm的加强筋，系统的一阶、二阶固有频率分别为303Hz和338Hz，均落在激振频域，易发生共振现象，导致连接盘和液压泵主轴之间的较大串动。

只需对该泵进行300Hz～360Hz的谐响应分析，如图9、10所示谐响应分析云图，从图中可知泵一阶固有频率303Hz（转速2020rpm）时，驱动轴轴承处的位移是0.8～4mm。相对原设计，增加3毫米的加强筋能够改善结构的动态刚度，但是2020rpm为发动机常用转速，且4mm位移偏大，改善的效果有限。

4.3.5 方案5谐响应分析。方案5在连接盘外部加12条高度为5mm的加强筋，一阶固有频率落在激振频域内，只需对该泵进行300Hz～360Hz的谐响应分析。

如图11所示，结果表明方案55泵一阶固有频率343.19Hz（转速2288rpm）时，驱动轴轴承处的位移是0.5～2.4mm，说明连接盘加筋条明显提高了泵机构的动态刚度。

结合发动机的常用工作转速，表4对五种方案的谐响应分析结果进行了统计，从表中可以看出方案2和方案3为最优选，方案5其次。

5 结论

本文以玉柴重工某吨位的挖掘机轴封渗油问题作为研究对象，进行了模态分析和谐响应分析，分析结果表明原飞轮壳连接盘在一阶固有频率285.09Hz（转速1900rpm）时，驱动轴轴承油封处的动态位移达到2.5～5.7mm，其发生的共振及驱动轴轴承油封处大位移跳动能够引起泵机构的渗油。为了提高结构的动态刚度，文中提出了增加飞轮壳连接板厚度、改变连接盘结构以及增加加强筋等5种方案，并通过模态分析和谐响应分析了每种方案的改善效果，结果表明方案2的将壁厚增加4mm和方案3的新型飞轮壳连接盘结构能够很好地改善结构的动态刚度，有效解决泵轴封渗油的问题，目前方案2已在玉柴重工应用推广。

参考文献：

[1]朱传宝，涂晓丹，邓园.液压挖掘机节能控制系统研究[J].建设机械技术与管理，2011（05）.

[2]李艳杰，于安才，姜继海.挖掘机节能液压控制系统分析与应用[J].液压与气动，2010（08）.

[3]苏长力，于占华.泵轴机械密封的失效分析[J].中华纸业， 2007（01）.

摘要： 文中对挖掘机泵连接处进行三维建模，通过模态分析和谐响应分析发现动刚度是泵轴封渗油的主要原因。为了提高轴封机械结构的动刚度，文中提出5种方案，并对方案进行了分析和对比，最后得到了相对较优的方案。

关键词： 挖掘机；轴封渗油；模态分析；谐响应分析

中图分类号：TU621 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）24-0023-03

0 引言

挖掘机泵轴封渗油问题是困扰很多主机厂的问题，该故障现象多出现在1500-2000小时之间。由于泵的价值高、维修服务非常复杂，非常有必要从设计角度分析该故障的根本原因并找到解决对策。

1 模型建立

下面以玉柴重工某吨位挖掘机作为分析对象，在pro/e中建立零件几何模型，简化不影响结构强度性能的小圆孔、小倒角等细微特征，再按照工作状况进行装配创建组件模型，然后导入ANSYS Workbench中，接着采用10节点3自由度实体单元solid187进行网格划分。飞轮壳连接盘和液压泵的材料基本都是铸钢，它们的材料力学性能如表1所示。

2 模态分析

泵的模态分析需在安装孔面上施加固定约束（Fixed Support），泵体的质量有质量点控制。如图1所示。

求解泵模态分析前六阶的固有频率和振型如表2所示。

根据发动机转速和减速比，可算出泵的振动频率范围为150Hz～360Hz。计算结果表明，泵的一、二、三阶固有频率都处在其激振频域内，易发生共振现象，导致连接盘和液压泵主轴之间的较大串动。

3 谐响应分析

因泵的激振频率在150Hz～360Hz内，只需对该泵进行250Hz～360Hz的谐响应分析。谐响应分析载荷与约束如图2所示。

根据分析结构得知三阶固有频率时，驱动轴是前后摆动，对故障的影响不是很大，故重点观察泵的一、二阶固有频率。图3、图4分别是频率为285Hz、317Hz时泵驱动轴轴承油封处的位移云图。谐响应分析可知，泵一阶固有频率285.09Hz（转速1900rpm）时，易发生共振，导致驱动轴发生大位移跳动，驱动轴轴承油封处的位移是2.5～5.7mm，造成泵机构渗油。

4 结构优化方案及分析

4.1 结构优化方案

根据模态分析和谐响应分析结果可知原飞轮壳设计容易造成共振，驱动轴油封处存在大位移跳动，是造成泵轴封渗油的主要原因。针对这个问题，提出了以下几个方案：①飞轮壳连接盘厚度由原来的12mm增加到14mm；②增加飞轮壳连接盘厚度到16mm；③改变飞轮壳连接盘的结构，厚度不变；④连接盘外部加12条高度为3mm的加强筋；⑤连接盘外部加12条高度为5mm的加强筋，具体如图5所示各方案简图。

4.2 结构优化后的模态分析结果

求解优化后泵模态分析前四阶的固有频率和振型如表3所示。

计算结果表明，方案1、方案4、方案5的一、二阶固有频率都处在其激振频域（150Hz-360Hz）内，易发生共振现象。方案2和方案3的一阶固有频率落在激振频域内，二阶及二阶以上的固有频率均不在激振频域内。

4.3 结构优化后的谐响应分析

4.3.1 方案1谐响应分析。因泵的激振频率在150Hz～360Hz内，方案1的一阶、二阶固有频率分别为312Hz和350Hz，只需对该泵进行300Hz～360Hz的谐响应分析，如图6所示该方案泵驱动轴轴承油封的位移云图。

根据图6可知，方案1的泵一阶固有频率312Hz（转速2080rpm）时，驱动轴轴承油封处的位移是0.5～2.5mm；泵二阶固有频率350Hz（转速2333rpm）时，驱动轴轴承油封处的位移是0.002～0.01mm。增加连接盘2mm厚度虽然提高了泵机构的动态刚度，但位移量仍然较大，且2080rpm为发动机经常工作转速，所以该方案并没有彻底解决问题。

4.3.2 方案2谐响应分析。根据方案2的模态分析结果，系统的一阶固有频率359Hz落在激振频域内，只需要确定驱动轴轴承油封处在一阶发生位移的大小，如图7所示。

从图7云图可知，方案2泵一阶固有频率359Hz（转速2393rpm）时，驱动轴轴承处的位移是0.2～1mm。同时，由于2393rpm已是发动机转速的最大值，发动机很少在该转速下工作，所以加厚4mm连接盘厚度能够明显提高了泵机构的动态刚度。

4.3.3 方案3谐响应分析。方案3是对飞轮壳连接盘的结构进行了改变，泵的一阶固有频率328Hz处在其激振频域内，对该方案下的泵进行320Hz～330Hz的谐响应分析，如图8所示。谐响应分析结果表明方案3泵一阶固有频率328Hz（转速2187rpm）时，驱动轴轴承处的位移是0.3～1.3mm，说明此种连接盘结构较好地提高了泵机构的动态刚度。

4.3.4 方案4谐响应分析。方案4在连接盘外部加12条高度为3mm的加强筋，系统的一阶、二阶固有频率分别为303Hz和338Hz，均落在激振频域，易发生共振现象，导致连接盘和液压泵主轴之间的较大串动。

只需对该泵进行300Hz～360Hz的谐响应分析，如图9、10所示谐响应分析云图，从图中可知泵一阶固有频率303Hz（转速2020rpm）时，驱动轴轴承处的位移是0.8～4mm。相对原设计，增加3毫米的加强筋能够改善结构的动态刚度，但是2020rpm为发动机常用转速，且4mm位移偏大，改善的效果有限。

4.3.5 方案5谐响应分析。方案5在连接盘外部加12条高度为5mm的加强筋，一阶固有频率落在激振频域内，只需对该泵进行300Hz～360Hz的谐响应分析。

如图11所示，结果表明方案55泵一阶固有频率343.19Hz（转速2288rpm）时，驱动轴轴承处的位移是0.5～2.4mm，说明连接盘加筋条明显提高了泵机构的动态刚度。

结合发动机的常用工作转速，表4对五种方案的谐响应分析结果进行了统计，从表中可以看出方案2和方案3为最优选，方案5其次。

5 结论

本文以玉柴重工某吨位的挖掘机轴封渗油问题作为研究对象，进行了模态分析和谐响应分析，分析结果表明原飞轮壳连接盘在一阶固有频率285.09Hz（转速1900rpm）时，驱动轴轴承油封处的动态位移达到2.5～5.7mm，其发生的共振及驱动轴轴承油封处大位移跳动能够引起泵机构的渗油。为了提高结构的动态刚度，文中提出了增加飞轮壳连接板厚度、改变连接盘结构以及增加加强筋等5种方案，并通过模态分析和谐响应分析了每种方案的改善效果，结果表明方案2的将壁厚增加4mm和方案3的新型飞轮壳连接盘结构能够很好地改善结构的动态刚度，有效解决泵轴封渗油的问题，目前方案2已在玉柴重工应用推广。

参考文献：

[1]朱传宝，涂晓丹，邓园.液压挖掘机节能控制系统研究[J].建设机械技术与管理，2011（05）.

[2]李艳杰，于安才，姜继海.挖掘机节能液压控制系统分析与应用[J].液压与气动，2010（08）.

[3]苏长力，于占华.泵轴机械密封的失效分析[J].中华纸业， 2007（01）.

摘要： 文中对挖掘机泵连接处进行三维建模，通过模态分析和谐响应分析发现动刚度是泵轴封渗油的主要原因。为了提高轴封机械结构的动刚度，文中提出5种方案，并对方案进行了分析和对比，最后得到了相对较优的方案。

关键词： 挖掘机；轴封渗油；模态分析；谐响应分析

中图分类号：TU621 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）24-0023-03

0 引言

挖掘机泵轴封渗油问题是困扰很多主机厂的问题，该故障现象多出现在1500-2000小时之间。由于泵的价值高、维修服务非常复杂，非常有必要从设计角度分析该故障的根本原因并找到解决对策。

1 模型建立

下面以玉柴重工某吨位挖掘机作为分析对象，在pro/e中建立零件几何模型，简化不影响结构强度性能的小圆孔、小倒角等细微特征，再按照工作状况进行装配创建组件模型，然后导入ANSYS Workbench中，接着采用10节点3自由度实体单元solid187进行网格划分。飞轮壳连接盘和液压泵的材料基本都是铸钢，它们的材料力学性能如表1所示。

2 模态分析

泵的模态分析需在安装孔面上施加固定约束（Fixed Support），泵体的质量有质量点控制。如图1所示。

求解泵模态分析前六阶的固有频率和振型如表2所示。

根据发动机转速和减速比，可算出泵的振动频率范围为150Hz～360Hz。计算结果表明，泵的一、二、三阶固有频率都处在其激振频域内，易发生共振现象，导致连接盘和液压泵主轴之间的较大串动。

3 谐响应分析

因泵的激振频率在150Hz～360Hz内，只需对该泵进行250Hz～360Hz的谐响应分析。谐响应分析载荷与约束如图2所示。

根据分析结构得知三阶固有频率时，驱动轴是前后摆动，对故障的影响不是很大，故重点观察泵的一、二阶固有频率。图3、图4分别是频率为285Hz、317Hz时泵驱动轴轴承油封处的位移云图。谐响应分析可知，泵一阶固有频率285.09Hz（转速1900rpm）时，易发生共振，导致驱动轴发生大位移跳动，驱动轴轴承油封处的位移是2.5～5.7mm，造成泵机构渗油。

4 结构优化方案及分析

4.1 结构优化方案

根据模态分析和谐响应分析结果可知原飞轮壳设计容易造成共振，驱动轴油封处存在大位移跳动，是造成泵轴封渗油的主要原因。针对这个问题，提出了以下几个方案：①飞轮壳连接盘厚度由原来的12mm增加到14mm；②增加飞轮壳连接盘厚度到16mm；③改变飞轮壳连接盘的结构，厚度不变；④连接盘外部加12条高度为3mm的加强筋；⑤连接盘外部加12条高度为5mm的加强筋，具体如图5所示各方案简图。

4.2 结构优化后的模态分析结果

求解优化后泵模态分析前四阶的固有频率和振型如表3所示。

计算结果表明，方案1、方案4、方案5的一、二阶固有频率都处在其激振频域（150Hz-360Hz）内，易发生共振现象。方案2和方案3的一阶固有频率落在激振频域内，二阶及二阶以上的固有频率均不在激振频域内。

4.3 结构优化后的谐响应分析

4.3.1 方案1谐响应分析。因泵的激振频率在150Hz～360Hz内，方案1的一阶、二阶固有频率分别为312Hz和350Hz，只需对该泵进行300Hz～360Hz的谐响应分析，如图6所示该方案泵驱动轴轴承油封的位移云图。

根据图6可知，方案1的泵一阶固有频率312Hz（转速2080rpm）时，驱动轴轴承油封处的位移是0.5～2.5mm；泵二阶固有频率350Hz（转速2333rpm）时，驱动轴轴承油封处的位移是0.002～0.01mm。增加连接盘2mm厚度虽然提高了泵机构的动态刚度，但位移量仍然较大，且2080rpm为发动机经常工作转速，所以该方案并没有彻底解决问题。

4.3.2 方案2谐响应分析。根据方案2的模态分析结果，系统的一阶固有频率359Hz落在激振频域内，只需要确定驱动轴轴承油封处在一阶发生位移的大小，如图7所示。

从图7云图可知，方案2泵一阶固有频率359Hz（转速2393rpm）时，驱动轴轴承处的位移是0.2～1mm。同时，由于2393rpm已是发动机转速的最大值，发动机很少在该转速下工作，所以加厚4mm连接盘厚度能够明显提高了泵机构的动态刚度。

4.3.3 方案3谐响应分析。方案3是对飞轮壳连接盘的结构进行了改变，泵的一阶固有频率328Hz处在其激振频域内，对该方案下的泵进行320Hz～330Hz的谐响应分析，如图8所示。谐响应分析结果表明方案3泵一阶固有频率328Hz（转速2187rpm）时，驱动轴轴承处的位移是0.3～1.3mm，说明此种连接盘结构较好地提高了泵机构的动态刚度。

4.3.4 方案4谐响应分析。方案4在连接盘外部加12条高度为3mm的加强筋，系统的一阶、二阶固有频率分别为303Hz和338Hz，均落在激振频域，易发生共振现象，导致连接盘和液压泵主轴之间的较大串动。

只需对该泵进行300Hz～360Hz的谐响应分析，如图9、10所示谐响应分析云图，从图中可知泵一阶固有频率303Hz（转速2020rpm）时，驱动轴轴承处的位移是0.8～4mm。相对原设计，增加3毫米的加强筋能够改善结构的动态刚度，但是2020rpm为发动机常用转速，且4mm位移偏大，改善的效果有限。

4.3.5 方案5谐响应分析。方案5在连接盘外部加12条高度为5mm的加强筋，一阶固有频率落在激振频域内，只需对该泵进行300Hz～360Hz的谐响应分析。

如图11所示，结果表明方案55泵一阶固有频率343.19Hz（转速2288rpm）时，驱动轴轴承处的位移是0.5～2.4mm，说明连接盘加筋条明显提高了泵机构的动态刚度。

结合发动机的常用工作转速，表4对五种方案的谐响应分析结果进行了统计，从表中可以看出方案2和方案3为最优选，方案5其次。

5 结论

本文以玉柴重工某吨位的挖掘机轴封渗油问题作为研究对象，进行了模态分析和谐响应分析，分析结果表明原飞轮壳连接盘在一阶固有频率285.09Hz（转速1900rpm）时，驱动轴轴承油封处的动态位移达到2.5～5.7mm，其发生的共振及驱动轴轴承油封处大位移跳动能够引起泵机构的渗油。为了提高结构的动态刚度，文中提出了增加飞轮壳连接板厚度、改变连接盘结构以及增加加强筋等5种方案，并通过模态分析和谐响应分析了每种方案的改善效果，结果表明方案2的将壁厚增加4mm和方案3的新型飞轮壳连接盘结构能够很好地改善结构的动态刚度，有效解决泵轴封渗油的问题，目前方案2已在玉柴重工应用推广。

参考文献：

[1]朱传宝，涂晓丹，邓园.液压挖掘机节能控制系统研究[J].建设机械技术与管理，2011（05）.

[2]李艳杰，于安才，姜继海.挖掘机节能液压控制系统分析与应用[J].液压与气动，2010（08）.

[3]苏长力，于占华.泵轴机械密封的失效分析[J].中华纸业， 2007（01）.