李瑞宣 蔣一博 簡欣 李繼安／四達(dá)機(jī)械制造公司

1 故障情況

某型燃油泵調(diào)節(jié)器性能復(fù)試過程中，當(dāng)操縱軸調(diào)整轉(zhuǎn)速進(jìn)入慢車狀態(tài)（1700 ～2300r/min）時(shí)，燃油泵調(diào)節(jié)器發(fā)生振動，隨著操縱軸調(diào)整轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升至2700r/min，振動消失。分解檢查燃油泵調(diào)節(jié)器，無異?，F(xiàn)象。

2 故障分析

根據(jù)燃油泵調(diào)節(jié)器故障情況，分析可能造成該故障的原因，列出如圖1 所示的故障樹。初步分析，燃油泵調(diào)節(jié)器慢車轉(zhuǎn)速狀態(tài)振動值大主要由與轉(zhuǎn)速相關(guān)的零組件引起，主要有轉(zhuǎn)子組件、斜盤組件、轉(zhuǎn)速傳感器及傳動軸等。分解油泵組件進(jìn)行檢查，未發(fā)現(xiàn)異常，測量相關(guān)數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)子柱塞的配合間隙符合工藝要求，因此排除轉(zhuǎn)子和柱塞間隙超差的可能。該型燃油泵調(diào)節(jié)器在修理中部分零件結(jié)構(gòu)陸續(xù)進(jìn)行了改進(jìn)，可能出現(xiàn)新舊兩種結(jié)構(gòu)形式，為此更換為原廠新品斜盤和傳感器組件，按工藝裝配后進(jìn)行試驗(yàn)，故障復(fù)現(xiàn)，因此排除斜盤殼體新舊結(jié)構(gòu)差異和轉(zhuǎn)速傳感器傳動失效的可能。對傳動軸進(jìn)行故障檢查，花鍵傳動齒未發(fā)現(xiàn)異常，因此排除傳動軸花鍵傳動失效的可能。采取逐項(xiàng)零組件更換的試驗(yàn)，在更換傳動軸進(jìn)行裝配試驗(yàn)后故障現(xiàn)象消失，因此故障原因定位在傳動軸。

3 傳動軸檢查情況

發(fā)動機(jī)附件傳動機(jī)匣與傳動軸齒輪嚙合，根據(jù)發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)，通過傳動軸帶動燃油泵調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)子組件轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)子端面與分油盤相對高速運(yùn)轉(zhuǎn)，通過柱塞孔容積的改變，完成燃油的吸入和擠出，從而實(shí)現(xiàn)燃油流量的調(diào)節(jié)功能。

依據(jù)工藝規(guī)程對傳動軸進(jìn)行再次檢查。通過10 倍放大鏡目視檢查，傳動軸無硬化、碰傷、銹蝕；傳動軸與轉(zhuǎn)子尾桿以及發(fā)動機(jī)傳動機(jī)匣嚙合的方向未出現(xiàn)磨損、點(diǎn)蝕或壓傷。檢查結(jié)果均符合工藝要求。

圖1 故障樹

查閱相關(guān)文獻(xiàn)，傳動軸自身的對中性不好，在工作過程中可能引發(fā)此類振動現(xiàn)象[1-4]。但是，故檢工藝規(guī)程中并沒有給出傳動軸的直線輪廓檢查要求，且該傳動軸為原廠零件，無相關(guān)圖紙說明，造成該傳動軸的直線輪廓故檢項(xiàng)目未被納入工藝檢查要求中。

采用輪廓測量儀測量該傳動軸中間區(qū)域60cm 長度的直線度輪廓（見圖2），現(xiàn)場選擇3 件在修的傳動軸進(jìn)行測量對比，結(jié)果如表1 所示，發(fā)現(xiàn)故障傳動軸的對中性不好，傳動軸彎曲最高點(diǎn)與中心軸線的距離（撓度）為0.0057mm，而其他3 件傳動軸的平均測量值為0.003mm。更換故障傳動軸后故障現(xiàn)象消失，因此傳動軸發(fā)生微量彎曲是引起上述故障的主要原因。

圖2 輪廓測量儀檢查傳動軸

表1 測量結(jié)果

4 傳動軸彎曲分析

傳動軸一端與發(fā)動機(jī)后附件傳動機(jī)匣的花鍵嚙合，另一端與燃油泵調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)子組件的花鍵嚙合，傳動軸受后附件傳動機(jī)匣驅(qū)動，在發(fā)動機(jī)不同的工作狀態(tài)下帶動燃油泵調(diào)節(jié)器工作。故障傳動軸可能因個(gè)體制造質(zhì)量，在長期使用以及傳動交變扭力等作用下，其中部出現(xiàn)微量變形，導(dǎo)致軸的對中性變差，產(chǎn)生了彎曲撓度。

5 傳動軸臨界轉(zhuǎn)速分析

當(dāng)傳動軸的轉(zhuǎn)速接近其固有振動頻率時(shí)，傳動軸振幅急劇增加，會產(chǎn)生共振現(xiàn)象，此時(shí)的轉(zhuǎn)速為傳動軸的臨界轉(zhuǎn)速。如果傳動軸的轉(zhuǎn)速停滯在臨界轉(zhuǎn)速附近，軸的變形會迅速增大，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致傳動軸斷裂，從而造成嚴(yán)重后果。

根據(jù)傳動軸的工作狀態(tài)建立雙鉸支軸模型，如圖3 所示。

假設(shè)傳動軸質(zhì)量為m，材料不均勻或制造有誤差且未經(jīng)平衡，其質(zhì)心c 與軸線間的偏心距為e。當(dāng)該傳動軸以角速度ω轉(zhuǎn)動時(shí)，由于離心力而產(chǎn)生撓度y，則旋轉(zhuǎn)時(shí)的離心力為[5]：

與離心力對抗的就是傳動軸彎曲變形后產(chǎn)生的彈性反力。當(dāng)軸的撓度為y時(shí)，此彈性反力為：

式中，k為傳動軸的彎曲剛度。根據(jù)平衡條件得：

可求得軸的撓度：

當(dāng)傳動軸的角速度ω由0 逐漸增大時(shí)，式（4）的分母隨之減小，故y值隨ω的增大而增大。在沒有阻尼的情況下，當(dāng)k/mω2趨近于1 時(shí)，則撓度y趨近于無窮大。這就意味著軸會產(chǎn)生極大的變形而導(dǎo)致破壞。此時(shí)對應(yīng)的角速度稱為軸的臨界角速度，以ωc表示：

式（5）右側(cè)恰為軸的自振角頻率，表明軸的臨界角速度等于其自振角頻率。由式（5）可知，軸的臨界角速度只與軸的剛度k和質(zhì)量m有關(guān)，而與偏心距e值無關(guān)。

軸的剛度：

式（6）中，g為重力加速度，y0為軸的靜撓度，臨界角速度又可以寫為：

由式（7）可求得雙鉸支軸不計(jì)軸質(zhì)量的一階臨界轉(zhuǎn)速：

由公式（7）和（8）可知，臨界轉(zhuǎn)速與撓度成反比關(guān)系，即臨界轉(zhuǎn)速

根據(jù)圖4 可以得出，傳動軸彎曲產(chǎn)生撓度后，隨著撓度的增加，傳動軸自身的臨界轉(zhuǎn)速n減小。由檢查情況可知，故障傳動軸最大彎曲測量結(jié)果為0.0057mm，高于在修的其他傳動軸，因此該故障傳動軸的臨界速度較低。

6 結(jié)論

1）正常情況下，當(dāng)傳動軸彎曲變形的程度（撓度）較小時(shí)，其自身的臨界轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)高于工作轉(zhuǎn)速；但因故障導(dǎo)致傳動軸彎曲變形程度（撓度）增大，傳動軸臨界轉(zhuǎn)速可能減小到1700 ～2300r/min 區(qū)間，當(dāng)燃油泵調(diào)節(jié)器工作轉(zhuǎn)速達(dá)到1700r/min 時(shí)，傳動軸會帶動燃油泵調(diào)節(jié)器開始振動，當(dāng)達(dá)到2300r/min 附近時(shí)傳動軸的振幅急劇增加，此時(shí)燃油泵調(diào)節(jié)器的振動達(dá)到最大，隨著轉(zhuǎn)速的繼續(xù)增加，振動現(xiàn)象消失。

2）傳動軸因個(gè)體制造質(zhì)量以及受傳動交變扭力作用，發(fā)生了彎曲變形，撓度增大，導(dǎo)致傳動軸臨界轉(zhuǎn)速降低，最終使燃油泵調(diào)節(jié)器出現(xiàn)振動。如果傳動軸長時(shí)間工作在該轉(zhuǎn)速附近，將造成軸的彎曲變形更加明顯，嚴(yán)重時(shí)可能造成傳動軸斷裂。

圖3 雙鉸支軸模型

圖4 臨界轉(zhuǎn)速n與撓度y反比關(guān)系

3）對現(xiàn)場在修的多臺燃油泵調(diào)節(jié)器進(jìn)行檢查，均未出現(xiàn)此故障，傳動軸直線輪廓測量值均小于0.004mm。后續(xù)對對燃油泵調(diào)節(jié)器的傳動軸進(jìn)行針對性測量檢查，如果發(fā)現(xiàn)傳動軸直線輪廓測量值大于0.004mm 的，將進(jìn)行換件。未來將繼續(xù)收集、統(tǒng)計(jì)與振動相關(guān)的附件轉(zhuǎn)速范圍和傳動軸直線輪廓數(shù)據(jù)，以做進(jìn)一步的研究。