吳有元 趙虎 任超玉 王錦邦 梁江波

摘要：某型發(fā)動(dòng)機(jī)由于中央傳動(dòng)桿花鍵齒面磨損，導(dǎo)致滑油光譜金屬（鐵）含量超標(biāo)故障頻發(fā)，嚴(yán)重影響試車合格率。因此，從故障現(xiàn)象上分析了中央傳動(dòng)桿花鍵副磨損特征，從結(jié)構(gòu)形式上分析和查找，提出下吊耳組件的固定問題是造成附件機(jī)匣微動(dòng)的重要因素，對(duì)此制定解決方案并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，最終順利排除了該故障。

關(guān)鍵詞：金屬含量;花鍵副;微動(dòng)磨損;下吊耳組件;精密螺栓

某型發(fā)動(dòng)機(jī)是我國自行研制的軍用雙轉(zhuǎn)子加力式渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)，主要裝備于國產(chǎn)第三代高性能戰(zhàn)斗機(jī)。該型發(fā)動(dòng)機(jī)大量服役后，滑油光譜金屬含量超標(biāo)故障頻發(fā)。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行分解檢查，發(fā)現(xiàn)該故障主要是由發(fā)動(dòng)機(jī)附件機(jī)匣內(nèi)的齒輪、軸承襯套磨損引起的。為解決滑油光譜金屬含量超標(biāo)故障，設(shè)計(jì)單位曾在齒輪、軸承襯套的材料變更等方面進(jìn)行了上百次更改，執(zhí)行更改后，外場滑油光譜金屬（鐵、鋁）含量超標(biāo)故障得到控制。但近期在廠內(nèi)進(jìn)行試車時(shí)，發(fā)現(xiàn)該型發(fā)動(dòng)機(jī)滑油光譜金屬（鐵）含量超標(biāo)故障再次頻發(fā)，嚴(yán)重影響試車合格率。

1故障現(xiàn)象及結(jié)構(gòu)分析

1.1故障現(xiàn)象

針對(duì)近期廠內(nèi)試車發(fā)動(dòng)機(jī)滑油光譜金屬含量超標(biāo)故障，分解檢查發(fā)動(dòng)機(jī)附件機(jī)匣，發(fā)現(xiàn)中央傳動(dòng)桿花鍵齒面磨損（見圖1），齒面有明顯的壓陷，深度約0.2mm;靠附件機(jī)匣一側(cè)花鍵副接觸表面及周圍產(chǎn)生大量的微小氧化物磨損粉末（見圖2）。

統(tǒng)計(jì)近期該故障的檢查情況，發(fā)現(xiàn)該故障現(xiàn)象集中表現(xiàn)為中央傳動(dòng)桿花鍵副磨損，磨損花鍵齒為靠附件機(jī)匣一側(cè)。檢查發(fā)現(xiàn)8件中央傳動(dòng)桿花鍵副磨損，其中4件中央傳動(dòng)桿花鍵齒因磨損嚴(yán)重報(bào)廢，與其配合的3件中心傳動(dòng)主動(dòng)錐齒輪內(nèi)花鍵齒因磨損嚴(yán)重報(bào)廢。

1.2結(jié)構(gòu)分析

中央傳動(dòng)桿位于中介機(jī)匣支板內(nèi)腔，傳動(dòng)桿兩端均為外花鍵，分別與中央傳動(dòng)從動(dòng)錐齒輪內(nèi)花鍵和中心傳動(dòng)主動(dòng)錐齒輪內(nèi)花鍵配合（圖3）。發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，高壓轉(zhuǎn)子軸通過一對(duì)裝在中央傳動(dòng)齒輪箱內(nèi)的中央傳動(dòng)主動(dòng)錐齒輪及與從動(dòng)錐齒輪配合的中央傳動(dòng)桿，將動(dòng)力傳遞給附件機(jī)匣內(nèi)的一對(duì)中心傳動(dòng)錐齒輪及一系列齒輪軸，最終帶動(dòng)各附件工作。該中央傳動(dòng)桿通過花鍵副在發(fā)動(dòng)機(jī)中央齒輪箱與附件機(jī)匣間傳遞扭矩，花鍵副之間相對(duì)靜止。

顯然，中央傳動(dòng)桿兩端的錐齒輪沒有裝配在一個(gè)機(jī)匣內(nèi)，因而很難保證兩個(gè)錐齒輪上內(nèi)花鍵之間的同軸度，因此設(shè)計(jì)時(shí)在兩對(duì)花鍵的配合位置均留有較大的間隙，使中央傳動(dòng)桿處于浮動(dòng)狀態(tài)，提高傳動(dòng)桿對(duì)兩個(gè)錐齒輪內(nèi)花鍵同軸度狀況的適應(yīng)性。

附件機(jī)匣位于中介機(jī)匣上方，靠4點(diǎn)定位固定在發(fā)動(dòng)機(jī)上（見圖4），即與中介機(jī)匣后安裝邊連接的①、②兩個(gè)下吊耳組件，中介機(jī)匣支板接口處的止口③，以及附件機(jī)匣前端蓋與中介機(jī)匣前安裝邊上的中間支架④。4點(diǎn)定位增大了定位面，防止附件機(jī)匣在工作中擺動(dòng)。

2問題調(diào)查

故障中央傳動(dòng)桿靠附件機(jī)匣一側(cè)花鍵副接觸表面及周圍產(chǎn)生大量的微小氧化物磨損粉末，根據(jù)微動(dòng)磨損的相關(guān)理論和研究，該磨損符合微動(dòng)磨損特征，說明花鍵副之間有小振幅的相對(duì)振動(dòng)，花鍵副接觸部位有外界強(qiáng)加的微動(dòng)。

中央傳動(dòng)桿花鍵齒磨損，屬于微動(dòng)磨損特征，磨損的方向主要是附件機(jī)匣一側(cè)，說明附件機(jī)匣在工作過程中產(chǎn)生了擺動(dòng)，中央傳動(dòng)桿花鍵副對(duì)中和附件機(jī)匣固定存在問題。

2.1中央傳動(dòng)桿花鍵副對(duì)中問題

從結(jié)構(gòu)分析中可以看出，固定支點(diǎn)④對(duì)花鍵副對(duì)中有一定影響。檢查調(diào)整固定支點(diǎn)④下的調(diào)整墊圈，在極限安裝情況下，調(diào)整墊圈厚度的變化范圍為0.1mm，這個(gè)變化范圍與固定支點(diǎn)③處的間隙即中介機(jī)匣支板內(nèi)孔與附件機(jī)匣止口外徑的配合有關(guān)，目前該間隙已經(jīng)進(jìn)行過縮小更改，對(duì)花鍵角偏斜量的影響可以忽略。

2.2附件機(jī)匣固定存在問題

從結(jié)構(gòu)分析中可以看出，固定支點(diǎn)③④對(duì)花鍵角偏斜量有一定影響，經(jīng)分析和驗(yàn)證排除了該因素。

進(jìn)一步檢查固定支點(diǎn)①②發(fā)現(xiàn)，固定下吊耳組件的03型精密螺栓光桿部位露出中介機(jī)匣安裝邊的長度多數(shù)不足1mm，下吊耳組件螺栓孔邊有0.5×45°倒角，下吊耳組件裝配后，光孔與精密螺栓光桿配合長度不足0.5mm，配合部位基本為螺紋段（見圖5），結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性存在不足。

3問題驗(yàn)證

下吊耳組件光孔與精密螺栓光桿配合長度不足，是導(dǎo)致中央傳動(dòng)桿花鍵副磨損以致滑油光譜金屬含量超標(biāo)故障的原因，需要進(jìn)行試驗(yàn)證明。在征得設(shè)計(jì)部門的同意后，開展了驗(yàn)證工作。

3.1驗(yàn)證方案

為了解決下吊耳組件光孔與螺栓光桿配合長度不足的問題，擬用與裝配位置一致的精密螺栓04型代替03型使用，但前者光桿長度為17.2mm，比16mm的光孔總長度長，需要將光孔長度增加2mm，以保證螺栓能被拉緊。為此從該型發(fā)動(dòng)機(jī)裝機(jī)墊圈中挑選厚度2.6mm、內(nèi)徑φ7mm、外徑φ10mm的01型墊圈，進(jìn)行配裝。

最終確定的驗(yàn)證方案為：對(duì)試車后發(fā)生中央傳動(dòng)桿花鍵磨損或滑油光譜金屬含量超標(biāo)的發(fā)動(dòng)機(jī)，裝配左、右下吊耳組件時(shí)將03型精密螺栓更換為04型精密螺栓，并匹配01型墊圈以保證螺母擰緊到位（見圖6）。

3.2前期驗(yàn)證

根據(jù)04型精密螺栓數(shù)量決定在6臺(tái)故障發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行前期驗(yàn)證，安裝驗(yàn)證情況見表1。

5號(hào)附件機(jī)匣更換04型精密螺栓固定后，振動(dòng)值從試車表現(xiàn)上差別不大，但光譜鐵含量降低程度非常明顯，對(duì)比結(jié)果見圖7、圖8。

6號(hào)附件機(jī)匣更換04型精密螺栓固定后，振動(dòng)值、光譜鐵含量均降低明顯，對(duì)比結(jié)果見圖9、圖10。

從6臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的驗(yàn)證情況來看，附件機(jī)匣下吊耳組件固定螺栓的改變，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)滑油光譜金屬含量及附件機(jī)匣振動(dòng)有一定的影響。其中，3臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)試車合格，1臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)附件機(jī)匣振動(dòng)增大，1臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)附件機(jī)匣振動(dòng)降低，2臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)滑油光譜金屬含量超標(biāo)。

4問題驗(yàn)證分析和再驗(yàn)證

4.1分析

從表1結(jié)果來看，第2、4項(xiàng)不合格或與精密螺栓的數(shù)量和擰緊力矩有關(guān)，驗(yàn)證時(shí)對(duì)精密螺栓的安裝數(shù)量和擰緊力矩沒有統(tǒng)一的規(guī)定和要求。而第2、5、6項(xiàng)驗(yàn)證情況表明，發(fā)動(dòng)機(jī)附件機(jī)匣的固定問題，是導(dǎo)致附件機(jī)匣零組件磨損的原因之一，但由于試驗(yàn)樣本數(shù)少，尚不能給出決定性的結(jié)論。

4.2再驗(yàn)證

為落實(shí)問題，通過安裝8根04型精密螺栓固定下吊耳組件，并使用04型精密螺栓擰緊力矩，對(duì)7臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行廠內(nèi)試車驗(yàn)證，驗(yàn)證情況見表2。

5問題驗(yàn)證結(jié)論

通過分兩個(gè)階段，前后進(jìn)行了13臺(tái)次的試車驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果顯示涉及的10臺(tái)附件機(jī)匣均已試車合格，滑油光譜金屬含量超標(biāo)故障得到有效遏制。這說明發(fā)動(dòng)機(jī)滑油光譜金屬含量超標(biāo)故障主要由發(fā)動(dòng)機(jī)附件機(jī)匣故障引起，附件機(jī)匣故障的原因主要是齒輪、軸承襯套及花鍵副磨損。中央傳動(dòng)桿花鍵副磨損，會(huì)引起發(fā)動(dòng)機(jī)滑油光譜金屬含量超標(biāo)故障。中央傳動(dòng)桿花鍵副磨損的重要因素為附件機(jī)匣下吊耳組件的固定方式剛性不足，工作中易引起機(jī)匣微動(dòng)，即故障模式是微動(dòng)磨損。

后續(xù)又使用04型精密螺栓固定下吊耳組件進(jìn)行了20臺(tái)次的試車，均未出現(xiàn)中央傳動(dòng)桿花鍵副磨損和滑油光譜金屬含量超標(biāo)故障。

參考文獻(xiàn)

[1]周仲榮.關(guān)于微動(dòng)磨損與微動(dòng)疲勞的研究[J].中國機(jī)械工程，2000，11（10）.

[2]陳聰慧.航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械系統(tǒng)常見故障[M].北京：航空工業(yè)出版社，2013 12.

[3]王海濤，崔永紅，董雪蓮.漸開線花鍵聯(lián)接磨損特征研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2016（15）.