肖雪萍 陳濤 陳洪 胡秀強(qiáng) 牟春妍/ 襄陽(yáng)航泰動(dòng)力機(jī)器廠 空裝駐襄陽(yáng)軍代表室

1 故障情況

Pn 薄膜安裝于某型發(fā)動(dòng)機(jī)燃油調(diào)節(jié)器，作用是保持轉(zhuǎn)速指令控制油腔的壓力穩(wěn)定。Pn 薄膜下腔通低壓油，上腔通轉(zhuǎn)速指令Pn 油壓。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增大時(shí)，離心飛重通過(guò)Pn杠桿使擋板活門關(guān)小，回油減小，Pn 薄膜上腔的油壓增大；發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速減小時(shí)，擋板活門開(kāi)口增大，回油增大，Pn 薄膜上腔的油壓減小。擋板活門的開(kāi)度和發(fā)動(dòng)機(jī)高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速一一對(duì)應(yīng)，薄膜上下腔油壓差△Pn 和高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的關(guān)系一一對(duì)應(yīng)。Pn 杠桿上的凸臺(tái)工作時(shí)與Pn 薄膜相接觸，Pn杠桿控制擋板活門的開(kāi)度一定，在轉(zhuǎn)速指令控制油腔中，油量的動(dòng)態(tài)變化不影響Pn 油壓的穩(wěn)定，這就要求Pn 薄膜有較好的回彈性。

從2018 年11 月起，外場(chǎng)多次發(fā)生在冬季低溫條件下發(fā)動(dòng)機(jī)試車時(shí)起動(dòng)不成功故障，故障表現(xiàn)為發(fā)動(dòng)機(jī)首次試車時(shí)空氣起動(dòng)機(jī)脫開(kāi)轉(zhuǎn)速低，分解發(fā)現(xiàn)Pn薄膜出現(xiàn)異常變形情況（見(jiàn)圖1）。

2 原材料選型分析

2.1 織物選型分析

Pn 薄膜由氫化丁腈橡膠與115 棉織物硫化而成，薄膜再與壓板和壓板座進(jìn)行粘接。正常工作時(shí)，Pn 薄膜的有效工作面積決定了其反饋的Pn 壓力指令能否滿足控制精度要求。當(dāng)有效工作面積不符合設(shè)計(jì)要求時(shí)，將造成Pn 指令壓力無(wú)法與轉(zhuǎn)速形成對(duì)應(yīng)關(guān)系，將出現(xiàn)一定的偏差，從而造成斷開(kāi)起動(dòng)機(jī)準(zhǔn)高速偏差。

為了讓薄膜變形后的有效面積接近設(shè)計(jì)要求，應(yīng)盡量減少薄膜的變形。分析薄膜結(jié)構(gòu)可知，骨架層的主要作用是增加薄膜的強(qiáng)度并限制過(guò)大的位移變形，因此改進(jìn)需從薄膜骨架材料入手。查閱相關(guān)資料，常用的薄膜骨架織物材料有棉布織物和錦綸織物，兩種骨架織物的特性對(duì)比見(jiàn)表1。

纖維的初始模量表征為對(duì)小延伸的抵抗力，或表征施加一定的負(fù)荷給纖維時(shí)纖維產(chǎn)生形變的大小。纖維的初始模量值越高，斷裂伸長(zhǎng)率越小，在施加同樣大小負(fù)荷時(shí)產(chǎn)生的變形越小，即尺寸穩(wěn)定性較好。由于薄膜主要通過(guò)骨架材料進(jìn)行增強(qiáng)，因此相比棉布骨架，以錦綸織物為骨架的薄膜在受同樣負(fù)荷的情況下更容易產(chǎn)生變形，尺寸穩(wěn)定性差。因于薄膜的受力狀態(tài)與薄膜的面積變化相關(guān)，尺寸穩(wěn)定性好的薄膜在受力狀態(tài)下變形較小，工作時(shí)容積效果變化不明顯，因此應(yīng)用于壓力油時(shí)的工作穩(wěn)定性好。

表1 Pn薄膜兩種骨架織物特性對(duì)比

從表1 可知，錦綸在受同樣大小負(fù)荷情況下更容易產(chǎn)生變形，即尺寸穩(wěn)定性不好；在斷裂伸長(zhǎng)率方面，棉纖維為10.8%～18%，錦綸為25%～65%，表明在同樣受力情況下錦綸會(huì)產(chǎn)生更高的塑性變形，變形后的回彈性差，不能正常復(fù)位。由此可知，以錦綸為骨架的薄膜的尺寸穩(wěn)定性差，塑性變形較大，這對(duì)薄膜的穩(wěn)定工作不利。因此，錦綸織物不能滿足使用要求。

2.2 膠料選型分析

以往的Pn 薄膜材料為普通丁腈橡膠，長(zhǎng)期的工程應(yīng)用表明，丁腈橡膠的使用壽命不能滿足使用要求。通過(guò)多方面的考核驗(yàn)證，最終選定各項(xiàng)性能更好的氫化丁腈橡膠作為Pn 薄膜的材料。

氫化丁腈橡膠經(jīng)過(guò)選擇性氫化處理后，在丁腈橡膠結(jié)構(gòu)中的1，4-丁二烯鏈節(jié)部分被加氫飽和，但仍有少量雙鍵存在；1，2-鏈節(jié)的丁二烯全部被飽和。分子結(jié)構(gòu)式中飽和的亞甲基鏈?zhǔn)箯椥泽w具有較好的耐熱、低溫和耐磨性，殘留的雙鍵可作為硫黃硫化的交聯(lián)點(diǎn)，氰基可提供膠料良好的耐油性。由于氫化丁腈橡膠分子結(jié)構(gòu)中不飽和鍵數(shù)量減少，其氧化穩(wěn)定性比普通丁腈橡膠提高1000倍，在氮?dú)夂涂諝庵袩峤到鉁囟缺绕胀ǘ‰嫦鹉z提高30 ～40℃，因而氫化丁腈橡膠耐熱性和耐臭氧性能比普通丁腈橡膠好得多。

圖2 半成品薄膜

3 仿真性能分析

3.1 膜片HBM2-01 應(yīng)力應(yīng)變性能

取半成品膜片HBM2-01（圖2 中的A）按照GB/T 528 《硫化橡膠或熱塑性橡膠拉伸應(yīng)力應(yīng)變性能的測(cè)定》進(jìn)行裁剪（圖2 中的B），完成氫化丁腈材料應(yīng)力應(yīng)變性能試驗(yàn)，得到材料應(yīng)力應(yīng)變曲線圖（見(jiàn)圖3）。

3.2 Pn 薄膜不同粘接狀態(tài)和不同工況的有限元分析

1）比較Pn 薄膜正常狀態(tài)（φ18 不涂膠）、φ20 不涂膠和完全不涂膠狀態(tài)的差異。

2）比較Pn 薄膜在頂桿有預(yù)壓和沒(méi)有預(yù)壓情況下的差異。

3）測(cè)算薄膜在位移變化0.5mm 時(shí)需要的油壓值。

選用φ20 不粘狀態(tài)與正常狀態(tài)的Pn 薄膜，分別對(duì)有預(yù)壓和無(wú)預(yù)壓的應(yīng)力進(jìn)行比對(duì)。通過(guò)反向計(jì)算，測(cè)算在位移變化0.5mm 時(shí)需要的油壓值，仿真數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

從表2 可以看出，正常狀態(tài)下，有預(yù)壓比無(wú)預(yù)壓的位移變小，應(yīng)力變??；φ20 不粘狀態(tài)下，有預(yù)壓比無(wú)預(yù)壓的位移變小，應(yīng)力略增大；完全不粘狀態(tài)下，有預(yù)壓和無(wú)預(yù)壓無(wú)差別，應(yīng)力比其他狀態(tài)都小；行程為0.497mm 和0.494mm 時(shí)，需要的油壓均為0.4MPa。總結(jié)來(lái)說(shuō)，有預(yù)壓比無(wú)預(yù)壓的應(yīng)力小，有預(yù)壓有利于工況；φ20 不粘比正常狀態(tài)的應(yīng)力小，φ20 不粘狀態(tài)有利于工況。

4 實(shí)物性能驗(yàn)證

圖3 應(yīng)力應(yīng)變曲線

表2 仿真數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

表3 Pn壓力數(shù)據(jù)表

根據(jù)仿真試驗(yàn)結(jié)論，加工φ22 不涂膠、φ20 不涂膠、φ18 不涂膠、完全不涂膠4 種狀態(tài)的Pn 薄膜進(jìn)行脈沖試驗(yàn)，測(cè)試在不同轉(zhuǎn)速狀態(tài)下Pn 壓力、起動(dòng)脫開(kāi)轉(zhuǎn)速的性能，兩次試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。試驗(yàn)條件為-30℃冰凍24h 后。

從以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出，4 種狀態(tài)的Pn 薄膜的性能與仿真試驗(yàn)分析的結(jié)論相吻合，φ20 不涂膠的性能有利于工況。該研究結(jié)論作為參考借鑒，本文按照設(shè)計(jì)圖樣涂膠（φ18），提高粘接工藝質(zhì)量。

5 粘接工藝改進(jìn)

Pn 薄膜組件的結(jié)構(gòu)是兩面涂膠與壓板和壓板座進(jìn)行粘接，由于Pn 薄膜外形為矩形，且Pn 薄膜組件的4 個(gè)安裝孔為沖壓成型，存在毛口和銳邊現(xiàn)象，這些瑕疵有一定概率割裂并撕裂織物和橡膠，同時(shí)若壓緊時(shí)受力不均勻，部分過(guò)度壓緊部位薄膜的橡膠材料會(huì)產(chǎn)生不可逆的變形而凸進(jìn)膜片的工作區(qū)域，造成薄膜的工作特性偏離設(shè)計(jì)狀態(tài)。因此，結(jié)合故障件變形情況即Pn 薄膜的工作面均有較大變形，決定增加4 個(gè)安裝孔及外廓涂膠工藝，不僅提高Pn 薄膜受力的均勻性，還能提高Pn 薄膜工作的穩(wěn)定性，同時(shí)外廓涂膠可以提高壓板、壓板座和Pn 薄膜的粘接強(qiáng)度，防止因壓板和壓板座產(chǎn)生錯(cuò)位導(dǎo)致的骨架材料損傷問(wèn)題，從整體上提高Pn 薄膜組件工作穩(wěn)定性。

工裝夾具改進(jìn)方面，一是薄膜打磨工藝要求使用壓板座固定打磨，操作者設(shè)計(jì)了專用打磨工裝和沖子工裝，并用膠帶保護(hù)非涂膠區(qū)域。二是涂膠作業(yè)時(shí)按順序進(jìn)行涂膠，為保證涂第一遍和第二遍的干燥時(shí)間相同，制作帶序號(hào)鋼板，保證涂膠干燥時(shí)間一致。三是組合壓緊時(shí)將薄膜組合件放入專用工裝壓緊，增加固定銷，防止偏移。四是改進(jìn)碾壓工裝，防止?jié)L壓10 次出現(xiàn)不均勻。固化XY502 膠黏劑攪拌方法、固化薄膜打磨轉(zhuǎn)速，增加吹砂壓力和砂粒粒度要求。

6 結(jié)論

該P(yáng)n 薄膜異常變形由多方面因素共同影響造成。按照本文方法加工Pn薄膜后，自2019 年11 月至今，薄膜發(fā)生異常變形故障共5 起，其中2020 年3 起，2021 年1 起，2022 年 初 至11 月零起，改進(jìn)效果明顯。建議：若薄膜在15℃ 以下低溫貯存，裝配前應(yīng)整體回溫至20℃左右；若發(fā)動(dòng)機(jī)在10℃ 以下存放，起動(dòng)前用熱風(fēng)預(yù)熱。