滑油泵流量不合格排故研究

韓 寧 ，王 凱 ，趙鐵軍，史華勛

（中航工業沈陽黎明航空發動機（集團）有限責任公司，沈陽 110043）

滑油泵流量不合格排故研究

韓 寧 ，王 凱 ，趙鐵軍，史華勛

（中航工業沈陽黎明航空發動機（集團）有限責任公司，沈陽 110043）

為排除某型航空發動機滑油泵在使用1個發動機壽命期后流量不合格的故障，根據滑油泵工作原理，分析了滑油溫度和滑油泵間隙（端面間隙、凸臺間隙和徑向間隙）等因素對其流量的影響。結果表明，溫度對滑油泵流量性能影響較大，其影響主要是在滑油溫度改變后，端面、凸臺和徑向間隙泄漏量變化而產生的；滑油泵端面間隙對流量的影響較大，端面間隙縮小0.01mm，流量可以提高1L/min左右，將滑油泵凸臺間隙調整至-0.01～0.01mm和0～0.02mm區間，流量可提高2～3L/min。通過試驗驗證給出了提高滑油泵流量的措施，從而排除了多臺某型發動機滑油泵流量不合格故障。

滑油泵；流量；端面間隙；凸臺間隙；航空發動機

0 引言

應用于航空發動機上的滑油泵主要用于軸承和傳動齒輪部分潤滑油的輸送和回收，多選用容積式齒輪泵。齒輪泵分為外嚙合和內嚙合2種，在航空發動機上均有應用，本文主要介紹外嚙合容積式齒輪泵（以下簡稱滑油泵）。某發動機在使用1個壽命期后，部分滑油泵的流量性能有所衰減，流量試驗值達不到設計要求。如何提高滑油泵流量成為制約生產的主要難題之一。

本文通過分析滑油泵的工作原理和流量影響因素及試驗驗證，給出了提高滑油泵流量的幾項措施，并貫徹在實際生產中，排除了滑油泵在使用1個發動機壽命期后流量不合格故障。

1 滑油泵工作原理

滑油泵工作原理如圖1所示。滑油泵由2個尺寸相同的外嚙合齒輪和殼體、襯套、傳動軸等主要零組件構成。在齒輪嚙合處的兩側殼體上開有進口和出口。當齒輪旋轉時，在進口腔由于嚙合齒不斷地退出嚙合，齒谷中的空腔中壓力低于大氣壓，液體被吸入泵內齒谷的空腔中。齒輪繼續旋轉時，液體被帶到出口腔中，處在出口腔一面的齒進入嚙合，在1個齒輪的輪齒進入另1個齒輪的齒谷時，使齒谷的空腔容積逐漸減小，齒谷中的油被擠向出口。在齒輪不斷旋轉過程中，齒谷容積不斷交替地由增大到減小，則齒輪泵就可連續不斷地從低壓進油管路中吸油，并向高壓出油管路供油。

2 滑油泵流量計算公式[1]

2.1 理論流量的近似計算

可采用經驗公式計算理論流量QL

式中：d為齒輪的節圓直徑，d=mz，mm；m為齒輪的模數，2m為輪齒的高度，mm；b為齒輪的寬度，mm；n為齒輪泵轉速，r/min；z為齒輪的齒數。

2.2 實際流量

齒輪泵實際流量總是小于理論流量。因為在高壓出口腔中，一部分液體通過齒輪泵內各相對運動件間的間隙向低壓進口腔泄漏，泄漏造成的流量損失稱為泄漏損失。此外，還由于種種原因，會使泵在進口腔中，液體向齒谷的充填不足，所造成流量損失稱為充填損失。因此，泵的實際流量為理論流量減去這2部分流量損失。通常用容積效率ηv表示他們之間的關系

式中：QS為實際流量，L/min；ΔQ為流量損失，L/min。因此，實際流量為

齒輪泵的容積效率一般為0.70～0.95，根據泵的工作壓力和構造形式選取，并通過試驗來驗證。

3 試驗設備及測試手段

3.1 試驗設備

試驗設備由直流電機、減速器、液壓油箱凈化臺、電控柜、滑油箱、補給箱、計量油箱、回油泵、斷油開關、調節閥門、滑油管路、調節開關、指示儀表和試驗臺電操縱系統組成，分別位于3個工作間：機器房、設備間和操縱間。直流電機、減速器、液壓油箱凈化臺和電控柜位于機器房。試驗時由直流電機輸出動力通過減速器（減速器共有7個不同速度和旋轉方向的輸出軸，以滿足不同型別滑油泵的流量試驗要求）傳遞給需要試驗的滑油泵，電機傳動軸上裝有感應式轉速表用以測量轉速。滑油箱、補給箱、計量油箱、回油泵、斷油開關、調節閥門和滑油管路位于設備間。滑油箱是存儲試驗用工作液的容器，容積為565dm3，操縱間內的透明玻璃計量刻度尺可方便讀取滑油箱油位，以便調整不同型別滑油泵進行流量試驗時油箱內的油位。滑油箱具有電加熱功能，工作液的溫度由電接觸壓力式溫度計檢驗和調節。補給箱用于保證滑油箱內的恒定油位，容積為400dm3，采用斷油開關來控制補給箱至滑油箱的油流。計量油箱用于測量滑油泵的流量，容積為160dm3，計量油箱側壁內焊入2個導管，并裝有透明玻璃計量刻度尺，可直接讀出流量值。計量油箱下方有回油泵，工作過的滑油由回油泵經過濾器輸送回滑油箱。調節開關、指示儀表和試驗臺電操縱系統位于操縱間，通過操縱間實現對滑油泵轉速、泵出口壓力和工作液溫度等參數的調節控制。

3.2 測試手段

試驗器工作液采用HP-8A GB 439-90滑油，并將滑油加熱至65～80℃進行試驗。先將滑油箱內油位調至比傳動軸軸線高100～150mm的位置，然后在試驗器上采用計量油箱容積法測量滑油泵流量。通過調整滑油泵出口截面積的方法將泵出口滑油壓力調至0.4±0.01MPa，分別將泵轉速調至4500和7250r/min以下，計時1min，通過讀取計量油箱內的可視玻璃刻度尺（即計量油箱容積法）得到滑油泵的流量。

4 滑油泵流量影響因素及試驗驗證

通過式（1）可以知道影響其理論流量的根本因素為齒輪的齒數z、模數m、齒寬b及轉速n。但這些因素是滑油泵初始設計時需考慮的，在滑油泵設計定型后均為恒定量。當其設計流量確定后，影響其流量的就是容積效率，容積效率主要取決于泄漏量的大小，而影響泄漏量的主要因素是滑油泵間隙，其次是溫度及其他影響因素。

4.1 滑油溫度影響

滑油溫度對滑油泵流量性能的影響主要是在滑油溫度改變后，經滑油泵齒輪嚙合擠壓后的滑油通過端面、凸臺和徑向間隙泄漏量變化而產生的。當滑油溫度升高，一方面，使滑油黏度減小，從而使滑油通過泵間隙的泄漏阻力減小，泄漏量增大，導致滑油泵流量減小；另一方面，滑油泵的殼體、襯套及齒輪材料不同，則其線膨脹系數不同，當溫度改變后，不同材料的膨脹量變化不一致，使得它們之間的間隙即泵間隙也隨之改變，泄漏量也相應改變，從而導致滑油泵流量改變。

為了驗證滑油溫度對滑油泵流量的影響程度，在試驗器上不同溫度下對某型發動機滑油增壓泵進行流量試驗，文件規定流量試驗溫度為65～80℃，于是，試驗分別在65、72.5、80℃下進行。經試驗證明，溫度對滑油泵流量性能影響較大，溫度相差15℃流量最大相差2.5L/min，具體數據見表1。

表1 某型發動機滑油增壓泵在不同溫度下流量試驗值

4.2 滑油泵間隙影響

為了保證滑油泵齒輪能在殼體、襯套之間平穩地運轉，又不能使擠壓后的滑油過多泄漏回滑油泵入口，則需要各機件間保持的間隙很小。某型發動機滑油泵間隙包括端面間隙、凸臺間隙和徑向間隙。

4.2.1 端面間隙影響

端面間隙即軸向間隙，是齒輪相對于殼體的軸向最大間隙。某型發動機滑油泵端面間隙結構如圖2所示。采用如下方法測量并計算，端面間隙=S+△S1+△S2，其值規定為0.03～0.06 mm。式中：S為調整墊厚度；△S1為帶凸臺襯套相對上殼體凹入（+）；或凸出（-）的尺寸；△S2為齒輪相對下殼體凹入（+）或凸出（-）的尺寸。

端面間隙對泄漏的影響最大，占總泄漏量的75%～80%，端面間隙每增加0.1mm，容積效率降低約20%。在滑油泵的流量不合格時，首先通過改變調整墊厚度、研磨殼體結合面、研磨齒輪端面或更換齒輪的方法來調整端面間隙。為驗證端面間隙對流量的影響程度，在其他裝配技術條件不變的情況下，選取6臺某型發動機滑油泵，對其端面間隙進行調整后，對比前后的流量，試驗數據見表2。

表2 端面間隙變化對應的流量值

在調整滑油泵端面間隙時，同時調整了間隙的高低點，試驗結果表明，端面間隙對流量的影響較大，端面間隙變化0.01mm，流量隨之變化1L/min左右。根據理論計算中端面間隙每增加0.1mm，容積效率降低約20%計算，當端面間隙增加0.01mm時，容積效率降低約2%。在低轉速n=4500r/min時，流量值變化約55×2%=1.1L/min。試驗結果與理論分析相符。

4.2.2 凸臺間隙影響

凸臺間隙也是軸向間隙的1種，是為滿足結構需要設計的1種帶凸臺的襯套。襯套的凸臺與齒輪的凹槽配合形成的小間隙，既能滿足齒輪平穩運轉的需要，又保證了滑油不會過多地從此處泄漏。某型發動機滑油泵帶凸臺的襯套結構如圖3所示。凸臺總長約1/2圓周，出口端凸臺長為進口端的3倍，分別約為3/8圓周和1/8圓周，其目的是為了有效阻止滑油泵出口端的滑油倒流回進口端。某型發動機滑油泵凸臺間隙結構如圖4所示。在圖中，H1為齒輪的凹槽深度，H2為襯套的凸臺高度，凸臺間隙H=H1-H2，其值規定為0.01～0.04mm。凸臺間隙僅是1種測量計算間隙，并不代表實際工作間隙。局部帶凸臺部位的實際工作間隙為：端面間隙+凸臺間隙。

為掌握凸臺間隙對滑油泵流量的影響規律，在其他裝配技術條件不變情況下，對某型發動機滑油泵，分別改變其凸臺間隙重新裝配后進行流量試驗。通過對襯套凸臺端面噴涂銅合金來改變凸臺高度，分別將凸臺間隙調整至 -0.01～0.01mm、0.01～0.04mm、0.04～0.08mm 3個區間內進行流量試驗.低轉速下對應的流量分別為56.5、54.0、52.0L/min，變化比較明顯，表明凸臺間隙越大流量越小。通過試驗還得出以下結論：當凸臺間隙大于0.04mm時，從0.04mm調整至0.08mm甚至更大，試驗的滑油泵流量值基本不變，說明當凸臺間隙大于0.04mm時，凸臺間隙再進一步增大，通過凸臺間隙的泄漏量沒有變化。

由此可見凸臺間隙為-0.01～0.04mm區間內對流量影響較大。依據上述試驗結果，分別將多臺流量不合格的滑油泵凸臺間隙調整至-0.01～0.01mm和0～0.02mm區間，滑油泵流量均提高到了合格范圍內。流量試驗后對滑油泵進行分解和故檢表明，襯套片、齒輪、殼體配合表面均沒有異常。由上述試驗可以得出，在一定范圍內減小凸臺間隙對提高滑油泵流量比較有效。

4.2.3 徑向間隙影響

徑向間隙是齒輪齒頂和殼體內壁配合處的間隙，采用塞尺來測量，某型發動機滑油泵徑向間隙規定為0.06～0.14。增壓后的滑油經徑向間隙泄漏的途徑長、阻力大，且齒輪相對殼體運動的方向和油液泄漏的方向相反，齒輪的旋轉起了阻止泄漏的作用，因此通過徑向間隙泄漏量較少。依據經驗數據，徑向間隙每增加0.1mm，容積效率僅降低約0.25%，對滑油泵流量幾乎無影響。對某型發動機滑油泵進行改變徑向間隙試驗來對比流量變化。在滑油泵殼體內壁與齒輪齒頂配合處噴涂ВАП-2涂層，厚度為0.025mm，經試驗對比，噴涂涂層前后滑油泵的流量無明顯變化，說明徑向間隙對滑油泵流量的影響較小。

4.3 其他影響因素

4.3.1 滑油泵殼體出油孔倒角

為了減小滑油出口阻力，對滑油泵殼體的出油孔進行修磨以增大倒角，將出油孔處的尖角修成R1～R2的圓角，并將帶凸臺襯套靠近出油口處修成圓角，試驗表明，滑油泵流量提高了0.5L/min，效果不明顯。

4.3.2 滑油泵殼體

在使用1個發動機壽命期后，滑油泵殼體可能會發生局部變形，從而影響滑油泵流量性能。在修理某型發動機滑油泵時，在調整間隙無效的情況下以通過更換新品滑油泵殼體的方法，在一定程度上也可提高滑油泵流量。

4.3.3 葉輪彎角

某型發動機滑油泵齒輪組件由齒輪和葉輪組成，葉輪起輔助抽吸滑油的作用，可有效填充進口處的滑油，以提高滑油泵進口壓力，從而提高滑油泵流量。修理滑油泵時發現齒輪組件上的葉輪彎角區別較大，彎角大小不同影響收油效率從而影響滑油泵流量。在修理滑油泵時也可采用更換帶葉輪的齒輪組件的方法來提高滑油泵流量。

5 結論

（1）滑油溫度改變后，端面、凸臺和徑向間隙泄漏量發生變化，從而對滑油泵流量性能產生較大影響，溫度相差15℃，其流量最大相差2.5L/min。

（2）滑油泵端面間隙對流量的影響較大，端面間隙縮小0.01mm，流量可以提高1L/min左右。

（3）將滑油泵凸臺間隙調整至-0.01～0.01mm和0～0.02mm區間，滑油泵流量均提高到了合格范圍內。

（4）徑向間隙和滑油泵殼體出油孔倒角對滑油泵流量的影響較小。

（5）在調整間隙無效的情況下，可以通過更換新品滑油泵殼體或帶葉輪的齒輪組件的方法提高滑油泵流量。

采取上述有效措施后，排除了多臺某型發動機滑油泵流量不合格故障。

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Failure Elimination Investigation of Flow Disqualification for Lubrication Pump

HAN Ning，WANG Kai，ZHAO Tie-Jun，SHI Hua-Xun
（AVIC Shenyang Liming Aero Engine（Group）Ltd，Shenyang 110043，China）

To eliminate flow disqualification failure for an aeroengine lubrication pump after a life cycle,the influence of the lubrication temperature and lubrication pump clearance（the end clearance,shroud clearance and radial clearance）on the flow of lubrication pump were analyzed based on the operation principle.The results show that the influence of temperature on flow is more obvious,which come from the leak rate variation of the end,shroud and radial clearance after the lubrication temperature change.The infucence of end clearance on flow is more obvious.The flow can increase about 1L/min when the clearance reduce 0.01mm.The flow can increase 2～3L/min when the shroud clearance is-0.01～0.01mm and 0～0.02mm.The increasing flow measures are obtained by the test verification to eliminate the flow disqualification of many lubrication pumps.

lubrication pump;flow;end clearance;shroud clearance;aeroengine

韓寧（1979），女，高級工程師，從事航空發動機潤滑系統設計工作。