■ 李立恒 周罡/國營長虹機(jī)械廠

0 引言

供油機(jī)構(gòu)為某型渦噴發(fā)動機(jī)供油調(diào)節(jié)系統(tǒng)的執(zhí)行部件，其主要功能之一是將來自油箱的燃油增壓供給發(fā)動機(jī)，“供油增壓”功能通過內(nèi)部燃油泵實(shí)現(xiàn)（見圖1）。該燃油泵為外嚙合齒輪泵，通過齒輪嚙合容積的變化和齒的傳送，完成“吸—傳—壓”功能。齒輪泵運(yùn)轉(zhuǎn)的動力為發(fā)動機(jī)的渦輪輸出功，發(fā)動機(jī)渦輪轉(zhuǎn)子帶動附件機(jī)匣齒輪傳動組合，供油機(jī)構(gòu)通過其自身的傳動軸與附件機(jī)匣傳動組合連接，從而保證供油機(jī)構(gòu)與發(fā)動機(jī)按照一定傳動比運(yùn)轉(zhuǎn)。

為了減少燃油泵的滲漏損失，確保傳動軸與齒輪泵結(jié)合處的密封性，供油機(jī)構(gòu)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上利用傳動軸和殼蓋部件接觸部位125?的錐面來保證密封性能，并要求在其全壽命期內(nèi)錐面始終緊密貼合、無松動。

2016年8月，多臺供油機(jī)構(gòu)完成試驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)傳動軸出現(xiàn)異常松動。經(jīng)分析，傳動軸松動容易導(dǎo)致燃油泵內(nèi)腔燃油從錐面結(jié)合處滲漏，降低燃油泵的供油性能；同時(shí)傳動軸松動易偏斜，在發(fā)動機(jī)的高速運(yùn)轉(zhuǎn)下，可能因局部受力不均出現(xiàn)扭矩過大，造成零件接觸摩擦增大或斷裂，使零件耗損增快，縮短零件的壽命期，引發(fā)嚴(yán)重的災(zāi)難性事故。根據(jù)該故障情況，本文對傳動軸壓緊裝置結(jié)構(gòu)及組成進(jìn)行分析，并對傳動軸等零件進(jìn)行力學(xué)分析，以期找出傳動軸松動的原因。

圖1 供油機(jī)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

1 傳動軸壓緊裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

傳動軸壓緊裝置主要由石墨封嚴(yán)圈、彈簧和蓋板部件等組成，組件結(jié)構(gòu)如圖2所示。在8件彈簧的壓縮膨脹力作用下，傳動軸錐面與殼蓋部件緊密貼合，傳動軸可沿蓋板部件軸向移動。

由于傳動軸屬于高速運(yùn)轉(zhuǎn)部件，最高轉(zhuǎn)速約達(dá)5000r/min，因此傳動軸與彈簧之間不可直接接觸，需要一個(gè)傳遞介質(zhì)，該傳遞介質(zhì)應(yīng)具有較好的耐磨和密封性。根據(jù)材料學(xué)知識可知，石墨類材質(zhì)具有較好的耐磨性能，且經(jīng)精加工后表面質(zhì)量能夠滿足接觸密封要求，因此，傳動軸壓緊件采用了石墨封嚴(yán)圈。

圖2 傳動軸安裝結(jié)構(gòu)圖

解決了傳動軸壓緊件選材問題，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)還需要滿足蓋板部件與石墨封嚴(yán)圈間的密封性要求，為此通過在兩者之間安裝密封圈實(shí)現(xiàn)該功能。主要是利用密封圈的過盈壓縮膨脹力，使密封圈與石墨封嚴(yán)圈緊密貼合，因石墨封嚴(yán)圈沿蓋板部件軸線方向有一定的移動靈活性要求，石墨封嚴(yán)圈與密封圈的過盈量應(yīng)保持在一定范圍內(nèi)。否則，過盈量過大，石墨封嚴(yán)圈在蓋板部件上的移動摩擦阻力增大，影響石墨封嚴(yán)圈的移動靈活性；過盈量過小，密封圈與石墨封嚴(yán)圈之間的膨脹壓縮量小，容易漏油，密封性能差。

2 故障分析

根據(jù)傳動軸壓緊裝置結(jié)構(gòu)可知，傳動軸松動的原因是石墨封嚴(yán)圈未壓緊傳動軸，石墨封嚴(yán)圈與傳動軸處于懸離狀態(tài)。這說明石墨封嚴(yán)圈未能在彈簧力的作用下沿蓋板部件軸向移至壓緊位置，可能是受到外界較大阻力而卡滯不動。進(jìn)一步從結(jié)構(gòu)上分析，構(gòu)成阻力的可能是密封圈的摩擦阻力或在石墨封嚴(yán)圈移動方向上與其他零件間隙中有阻擋物。分解后檢查未發(fā)現(xiàn)有多余物，可見該阻力為密封圈的摩擦阻力。了解石墨封嚴(yán)圈移動卡滯的真實(shí)原因后，仍需搞清在什么情況下石墨封嚴(yán)圈由原先的壓緊位置移至懸離位置。下面主要通過力學(xué)知識對其進(jìn)行分析。

針對所研究的問題，只進(jìn)行沿蓋板部件軸向上的力學(xué)分析，其他方向的受力情況在此暫不作具體分析。

1） 供油機(jī)構(gòu)性能試驗(yàn)時(shí)，檢驗(yàn)傳動軸壓緊裝置密封良好性的漏油量指標(biāo)合格，證明傳動軸與殼蓋部件處于壓緊狀態(tài)，石墨封嚴(yán)圈相對傳動軸靜止，可視兩者整體為受力對象。因受力對象沿軸向速度為零，那么受力對象受力平衡，受力對象受到彈簧的壓縮膨脹力F彈、殼蓋部件軸向支撐力F支撐（軸）、密封圈的摩擦阻力F阻和油壓力F油（軸）（見圖3），它們的平衡關(guān)系式為：F彈= F油＋F阻+ F支撐，受力對象無位移。

通過平衡公式可知，要使受力對象產(chǎn)生一定的速度沿殼蓋部件軸向移動，必須打破平衡狀態(tài)，即有加速度a的形成。由于F阻和F支撐屬于從動變量，因此只有當(dāng)F油（軸）增大時(shí)才會打破平衡。當(dāng)試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，F(xiàn)油減小，因此排除試驗(yàn)過程及結(jié)束受力對象產(chǎn)生位移的可能性。

2）供油機(jī)構(gòu)下臺架時(shí)，若沿傳動軸的軸向進(jìn)行受力分解，可視傳動軸與試驗(yàn)臺接觸摩擦阻力為零，則平衡關(guān)系不變。當(dāng)分解過程中上下晃動傳動軸，由于傳動軸與殼蓋部件之間有一定空隙，傳動軸沿軸線偏斜，給石墨封嚴(yán)圈一個(gè)與偏擺方向反向的作用力F分，使石墨封嚴(yán)圈與傳動軸產(chǎn)生相對運(yùn)動。取石墨封嚴(yán)圈為受力對象，石墨封嚴(yán)圈受到彈簧的壓縮膨脹力F彈、密封圈的摩擦阻力F阻和傳動軸的支撐力F分（軸）（見圖4），受力平衡被打破，即F分（軸）＞F彈＋F阻，并產(chǎn)生加速度，使石墨封嚴(yán)圈與傳動軸分離。

圖3 石墨封嚴(yán)圈與傳動軸整體受力分析示意圖

圖4 石墨封嚴(yán)圈受力分析圖

供油機(jī)構(gòu)分解下來后，F(xiàn)分為零，當(dāng)F彈＞F阻，石墨封嚴(yán)圈復(fù)位與傳動軸精密貼合，傳動軸無松動；若F彈＜F阻，石墨封嚴(yán)圈未回至原位即與傳動軸緊密貼合狀態(tài)?？梢姰?dāng)同時(shí)滿足石墨封嚴(yán)圈與密封圈摩擦阻力過大以及傳動軸受到外界作用力與石墨封嚴(yán)圈產(chǎn)生相對位移兩個(gè)條件時(shí)，就會出現(xiàn)石墨封嚴(yán)圈卡滯于傳動軸未壓緊位置，最終導(dǎo)致傳動軸松動。

3 處理措施及效果

根據(jù)摩擦阻力公式F阻=μF正可知（適用于動摩擦和最大靜摩擦），影響摩擦阻力的因素除了密封圈的壓縮膨脹力外，還與摩擦因素μ即石墨封嚴(yán)圈內(nèi)孔表面粗糙度有關(guān)。為此，對故障件的石墨封嚴(yán)圈內(nèi)孔表面使用顆粒度不大于W1的細(xì)砂紙拋光，并重新選配密封圈，使石墨封嚴(yán)圈與傳動軸過盈量趨于中限值0.25mm附近后再裝配、試驗(yàn)，未發(fā)現(xiàn)傳動軸松動情況，說明故障排除方式可靠、有效。

4 預(yù)防措施

為了提高供油機(jī)構(gòu)的工作可靠性與安全性，降低傳動軸的松動故障率，在對傳動軸壓緊裝置的安裝和試驗(yàn)結(jié)束下臺架時(shí)需注意以下幾點(diǎn)：

1） 嚴(yán)格控制石墨封嚴(yán)圈與密封圈的過盈量，使其保持在0.15～0.3mm范圍內(nèi)。

2） 保證石墨封嚴(yán)圈內(nèi)孔表面光滑。

3） 密封圈應(yīng)在使用有效期內(nèi)，確保其耐油性和溶脹率符合技術(shù)要求。

4） 石墨封嚴(yán)圈組裝后，從傳動軸與齒輪泵連接端按壓，檢查傳動軸應(yīng)浮動靈活，能夠順暢復(fù)位。

5） 下臺架時(shí)，避免晃動傳動軸，應(yīng)沿傳動軸軸線方向順暢受力分解。