金忠凱1，張銀濤2，王成1，彭莘宇3，王坤1，吳蔚1（ ）

中圖分類號：V232.2 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2025.06.002

文章編號：1006-0316（2025）06-0008-07

Research on Wear of Aeroengine Parts Based on Archard Theory

IIN Zhongkai1， ZHANG Yintao2，WANG Cheng1， PENG Shenyu3，WANG Kun1，WU Wei1 （ Chengdu Holy Industry amp; Commerce （Group） Co.， Ltd.， Chengdu 611937， China; 2.Wuhan Vocational College of Software and Engineering，Wuhan 430205， China; 3. AVIC Chengdu Aircraft Industrial （Group） Co.， Ltd.， Chengdu 610092， China ）

Abstract ：Aiming at solving the problem of large amounts of wear on the rolerand roller shaft parts of the main fuel pump acelerator controller of the aeroengine during use，a relative wear model is established based on Archard wear theory.The MATLAB simulation results are consistent with the experimental results，verifying the accuracy of the wear model.The orthogonal analysis method is used to study the influence of diffrent factors such as diferent initial gaps，relative rotationspeeds and forces on the wear amount of the model，and the lawof wear amount and time changes is analyzed.The research results show that there is a certain amount of wear on the rolers and rolershafts during work.The amount of wear has little todo with the working time，but is mainly related to excessive relative speed， excessive load and excessive initial clearance. Among the wear factors， relative rotational speed has the greatest impact，and initial clearance has the smalest impact.However，when the initial clearance exceeds 0.15mm ，the amount of wear under heavy load and high-speed conditions will increase sharply， so the standard initial clearance should be controlled within 0.15mm

Key words ∵ aeroengine ;wear of parts ; Archard theory ; orthogonal analysis method ; wear pattern

渦扇航空發(fā)動機主燃油泵調(diào)節(jié)器中的加速控制器用于控制發(fā)動機供油量，能根據(jù)發(fā)動機的工作狀態(tài)和飛行條件，自動調(diào)節(jié)燃油泵的輸出壓力和流量，以保證發(fā)動機的穩(wěn)定和高效運行[1]。航空發(fā)動機燃油泵加速控制器工作時其承力結構的滾輪和滾輪軸零件易互相磨損，導致磨損間隙過大。

國內(nèi)外諸多學者針對機械磨損展開了各種理論和試驗研究。李華杰等[2利用接觸寬度變化計算的曲率半徑外推法，建立磨損仿真模型，分析機構的磨損動力學變化趨勢，得到銷軸的受力、磨損和動力學規(guī)律，揭示了系統(tǒng)功能退化的規(guī)律。張輝等3采用Archard磨損理論，對閘片磨損進行有限元計算，研究了閘片的磨損分布和演變規(guī)律。宿月文等[4-應用數(shù)值仿真方法，建立滑動磨損過程中預測模型，探析了摩擦的影響相關因素。桑得雨等[7-10]對圓柱滾子軸承的磨損進行了研究與優(yōu)化。豆東陽等[11對銷軸滑動磨損導致的極限承載力變化進行數(shù)值模擬研究，分析了銷軸的極限承載力演變規(guī)律。李奕賢等[12-14]分析了速度和載荷對磨損行為的影響，并探討了磨損機制。陳德明等[15-16]對磨損的壽命進行了研究。

渦扇航空發(fā)動機主燃油泵加速控制器承力結構的磨損間隙是修理時常見的故障類型。間隙較大會導致位移傳遞不準確，進而導致轉速控制信號與實際輸出不相符，最終出現(xiàn)轉速擺動甚至推油門轉速不跟隨的問題[17-18]。目前航空發(fā)動機主燃油泵加速控制器滾輪和滾輪軸的修理過程存在無間隙控制標準的問題，只能通過經(jīng)驗判斷進行更換，但更換不準確及時，在下一使用周期磨損量將繼續(xù)增大，導致間隙進一步增大，引起主調(diào)起動加速階段出現(xiàn)擺動乃至轉速不上升問題，帶來巨大的安全隱患[19-20]。因此亟需研究航空發(fā)動機滾輪式承力結構在使用過程中的磨損狀況，并制定相應控制標準，以保證飛行安全性。本文以故障率高的某航空發(fā)動機主燃油泵加速控制器綜合桿處滾輪和滾輪軸作為研究對象，運用正交分析法對航空發(fā)動機零件進行磨損規(guī)律研究，探析不同因素對發(fā)動機零件磨損量變化的影響規(guī)律。

1主燃油泵加速控制器滾輪與滾輪軸零件的結構受力

1結構原理

主燃油泵加速控制器是航空發(fā)動機主燃油泵調(diào)節(jié)器的重要組成部分，其通過感受高壓壓氣機轉速、高壓壓氣機壓力和發(fā)動機進口溫度，控制加速階段的供油量。某航空發(fā)動機主燃油泵綜合桿的結構如圖1所示，其承力結構中的滾輪和滾輪軸零件結構位于綜合桿的上端。

航空發(fā)動機主燃油泵加速控制器工作運轉時，主要受力的機械部件有綜合桿。當活塞受高壓壓氣機壓力控制時，帶動凸輪轉動，凸輪作用于綜合桿上端滾輪，當凸輪感受壓氣機轉速和發(fā)動機進口溫度時，帶動頂桿移動，頂桿作用于綜合桿下端?？煞治龅贸?，滾輪工作時受到凸輪往復壓力及滾動摩擦力。

當滾輪和滾輪軸磨損量過大時，會導致壓力空氣傳來的信號產(chǎn)生偏差、傳遞至反饋杠桿的壓力產(chǎn)生偏差，使得計量活門實際打開量與控制信號不一致，出現(xiàn)轉速擺動現(xiàn)象，嚴重時甚至會出現(xiàn)滾輪卡滯，導致推油門轉速不上升。

2受力分析

加速控制器工作時，當活塞左右壓差最大時，產(chǎn)生的作用力最大。結合航空發(fā)動機加速控制器的實測參數(shù)，可計算分析得到工作時活塞的受力，如表1所示。

進而可得：

式中： F_n 為滾輪處的最大受力。

計算得： F_n=710N

滾輪運動時，其所受的最小力為 0 滾輪處的受力隨著運動變化不斷改變，為交變載荷。

2滾輪與滾輪軸磨損理論模型

2.1Archard磨損分析數(shù)學模型

本文采用Archard磨損模型的推廣計算磨損深度。設接觸滑動時相接觸部分半徑均為 a 可得接觸部分的面積為 πa² 。當兩個觸點中心的間距達到 2a 時，可認為兩個接觸微凸體分離，被磨損的部分為球體的一半，被磨損的體積均為 2πa³/3 。推算得到：

P=δ_sπa²n

式中： V 為磨損量； s 為磨損位移； n 為接觸點數(shù)； P 為接觸面的總載荷： δ_s 為材料的抗壓屈服極限； δ_sπa² 為接觸點所承受的力。

實際工作中，零件接觸位置相對運動時只有部分點會摩擦導致磨損，這在公式中用產(chǎn)生磨損的概率系數(shù) K 表示， K 的大小與材料、接觸面的粗糙度以及接觸面的潤滑情況有關。則聯(lián)立式（2）、式（3）可得：

在實際應用中，磨損深度更容易測量，且更能具體形象地體現(xiàn)磨損情況，因此將磨損體積轉變?yōu)槟p深度進行計算。令：

式中： k 為磨損系數(shù)。

將式（5）代入式（4），并對兩端同時除以名義接觸面積，再對時間求導，然后對時間積分，即可得到關于磨損深度的磨損方程為：

式中： h 為磨損深度； p（t） 為接觸壓力隨時間的變化函數(shù) ;t 為時間； t₁ 、 t₂ 分別為接觸面某具體點開始接觸和脫離接觸的時間點 為接觸點相對轉速。

由上述分析可推導得到滾輪和滾輪軸相對運動時，任意接觸點 F 的磨損深度為：

磨損系數(shù) k 的表征方法為[21]：

式中： M 為質(zhì)量磨損量； F_N 為接觸面所受垂向載荷； H^* 為等效硬度； H_r 和 H₂ 分別為接觸面兩零件材料硬度； R₁ 和 R₂ 分別為接觸面兩零件曲率半徑，R≤R。

磨損率用于表示零件磨損隨時間變化的規(guī)律。零件從磨合磨損到穩(wěn)定磨損，磨損率成指數(shù)降低，具體計算為：

w=（w₀-w_s）e^-bt+w_s

w_s=4.873h×10^-11

式中： w 為質(zhì)量磨損率； w₀ 為磨合階段的質(zhì)量磨損率； w_s 為穩(wěn)定階段的質(zhì)量磨損率； b 為磨合磨損系數(shù)。

由式（10）可以看出，當 t=0 時， w=w₀ ：當 t=∞ 時， w=w_s 。

對式（10）積分，且已知當 t=0 時， M=0 因此可得：

聯(lián)立式（8）和式（12），得到磨損系數(shù)隨時間的變化規(guī)律為：

2.2磨損模型MATLAB仿真分析

航空發(fā)動機零件滾輪與滾輪軸磨損模型工況的仿真參數(shù)如表2所示。

數(shù)值計算過程中，用分散的靜態(tài)磨損點代替連續(xù)磨損面，將動態(tài)磨損過程轉變?yōu)槿舾伸o態(tài)磨損工步。同時，因工步取值小，可認為一個磨損工步內(nèi)各狀態(tài)參數(shù)保持不變。每一個工步后，計算得到滾輪和滾輪軸在該工步的磨損量，并進行動態(tài)更新，動態(tài)間隙為初始間隙和磨損量之和。自定義的初始間隙加上每步計算得到的磨損量，即為間隙磨損規(guī)律。

根據(jù)推導得到的磨損計算公式以及磨損邏輯，通過MATLAB軟件編程對滾輪和滾輪軸的磨損量進行計算，仿真得到零件磨損規(guī)律。以16s為步長計算磨損量，并不斷迭代至后工步，得到不斷接觸磨損過程新的間隙參數(shù)及接觸狀態(tài)參數(shù)，從而動態(tài)計算滾輪和滾輪軸在整個工作過程中的磨損情況。程序的結構邏輯如圖2所示。

2.3Archard磨損模型的試驗驗證

對Archard磨損模型計算結果進行驗證，設置工況：相對速度 0.75m/s ，最大載荷 710N 初始間隙 0.010mm 對模型計算結果和實物試驗結果進行具體參數(shù)對比，如表3所示。其中，實物試驗選取三組綜合桿，間隙均為 0.010mm 在正常工況下（正常工況受力為 710N， ，相對速度為 ，與模型設置工況一致）往復工作340次，測量其磨損深度。

可以看出，試驗結果與模型仿真計算結果基本一致。因此，該磨損模型可準確仿真計算滾輪和滾輪軸的磨損量。

3結果分析

3.1磨損因素的正交分析

根據(jù)滾輪和滾輪軸的實際使用情況，設定模型的仿真計算步數(shù)為680，可通過程序計算得到不同工況下的磨損間隙。設置模型仿真的不同工況如表4所示。

采用正交法分析不同因素對磨損的影響，分析方案及結果如表5所示。

采用最大極差分析法，分析三種工況下不同因素對磨損量的影響規(guī)律，如表6所示?？梢钥闯?， 隙。由此可得，轉速對滾輪和滾輪軸磨損量影響最大，且遠高于載荷和間隙的影響，即推油門速度越快，起動加速過程中相關聯(lián)的三維凸輪的轉速越快，帶動滾輪相對滾輪軸轉速越快，磨損量越大。

3.2滾輪與滾輪軸磨損變化規(guī)律的分析

在正常工作狀態(tài)下，一個工作周期（ （500h） 內(nèi)磨損量僅為 0.015mm ，此磨損量為正常磨損，不會對主調(diào)性能造成影響。滾輪與滾輪軸異常磨損主要是由磨損件之間的相對速度過大、沖擊載荷過高造成的，初始間隙對磨損深度也有一定影響。滾輪與滾輪軸磨損因素中，其相對的運動速度影響最大，沖擊載荷影響次之。因此需分析不同相對運動速度、載荷、初始間隙在一個使用周期內(nèi)對滾輪與滾輪軸磨損量的影響規(guī)律，確定磨損趨勢，制定標準，確保航空發(fā)動機下一個使用周期的工作性能要求。

為研究不同因素對磨損規(guī)律的影響，需分析不同工況下的磨損量。根據(jù)實物測量，正常工況時，滾輪與滾輪軸的相對轉速為 0.75m/s 平穩(wěn)推油門力時的載荷為 600N ，受力最大為710N ，初始間隙為 0.05mm 分析不同載荷下磨損量隨轉速的變化，選取 600N 為工況的最小載荷， 1400N 為工況的最大載荷，可模擬過載狀態(tài)的工作磨損狀況。考慮到特殊工況及安全值，初始間隙取為 0.10mm ，轉速最大值設定為正常轉速的3倍，即 2.25m/s

通過仿真計算，分別得到不同載荷下滾輪和滾輪軸磨損量隨轉速的變化規(guī)律，如圖3所示?？梢钥闯觯煌d荷下磨損量均隨相對轉速的增加而增大，最大載荷為 600N 時，當轉速從 增加到 ，磨損深度增加0.111mm， ，增大了7.4倍。高載荷條件下，磨損深度的增量也隨之增大，轉速為 2.25m/s 時，載荷為 1400N 時磨損量相對于載荷為 1000N 時的磨損量增加 53.5% ，而轉速為 0.75m/s 時，載荷為 1400N 時磨損量相對載荷為 1000N 時的磨損量僅增加 19.1‰ 因此，高載荷下轉速對滾輪和滾輪軸間磨損量的影響更嚴重。

分析不同初始間隙下磨損量隨轉速的變化，根據(jù)實際測量統(tǒng)計情況，考慮到特殊工況及安全值，載荷取為 1000N ，設定工況初始間隙設置最小值為 0.01mm ，最大值為 0.15mm 轉速最大值取為正常轉速的3倍，即 2.25m/s

計算分析得到不同初始間隙下，磨損深度隨轉速的變化情況，如圖4所示?？梢钥闯?，不同間隙下磨損深度均隨相對轉速的增大而增大。初始間隙為 0.05mm 時，不同轉速下磨損深度平均值為 0.066mm ；初始間隙為 0.10mm 時，不同轉速下磨損深度平均值為 0.077mm ：初始間隙為 0.15mm 時，不同轉速下磨損深度平均值為 0.105mm 。計算得出，當初始間隙在0.15～0.10mm 變化時，磨損量增長率為 36.4% ：當初始間隙在 0.10～0.05mm 變化時，磨損量增長率為 16.7‰ 當初始間隙超過 0.15mm 時，各轉速下滾輪和滾輪軸相對磨損加劇。

4結論

（1）基于Archard理論建立了航空發(fā)動機滾輪和滾輪軸零件的磨損數(shù)學模型，通過試驗驗證了Archard磨損模型的準確性，為其使用的可靠提供了理論依據(jù)。

（2）利用磨損模型計算了不同工況、不同工作周期下主燃油泵加速控制器綜合桿滾輪和滾輪軸的磨損量。仿真結果表明，航空發(fā)動機加速控制器的滾輪和滾輪軸在工作中產(chǎn)生的磨損量與工作時間關系相對較??；在正常工作狀態(tài)下，其滾輪和滾輪軸的全周期壽命可靠性是有保障的。

（3）滾輪和滾輪軸磨損主要是由相對轉速過大、載荷過大、初始間隙過大造成的。這三個主要影響因素中轉速的影響最大，初始間隙的影響最小。當初始間隙超過 0.15mm 時，在高載荷、高轉速下滾輪和滾輪軸的相對磨損量會陡增，因此滾輪與滾輪軸的標準初始間隙應控制在 0.15mm 內(nèi)。

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