某型供油機構傳動軸松動故障研究

■ 李立恒 周罡/國營長虹機械廠

0 引言

供油機構為某型渦噴發動機供油調節系統的執行部件，其主要功能之一是將來自油箱的燃油增壓供給發動機，“供油增壓”功能通過內部燃油泵實現（見圖1）。該燃油泵為外嚙合齒輪泵，通過齒輪嚙合容積的變化和齒的傳送，完成“吸—傳—壓”功能。齒輪泵運轉的動力為發動機的渦輪輸出功，發動機渦輪轉子帶動附件機匣齒輪傳動組合，供油機構通過其自身的傳動軸與附件機匣傳動組合連接，從而保證供油機構與發動機按照一定傳動比運轉。

為了減少燃油泵的滲漏損失，確保傳動軸與齒輪泵結合處的密封性，供油機構在結構設計上利用傳動軸和殼蓋部件接觸部位125?的錐面來保證密封性能，并要求在其全壽命期內錐面始終緊密貼合、無松動。

2016年8月，多臺供油機構完成試驗后，發現傳動軸出現異常松動。經分析，傳動軸松動容易導致燃油泵內腔燃油從錐面結合處滲漏，降低燃油泵的供油性能；同時傳動軸松動易偏斜，在發動機的高速運轉下，可能因局部受力不均出現扭矩過大，造成零件接觸摩擦增大或斷裂，使零件耗損增快，縮短零件的壽命期，引發嚴重的災難性事故。根據該故障情況，本文對傳動軸壓緊裝置結構及組成進行分析，并對傳動軸等零件進行力學分析，以期找出傳動軸松動的原因。

圖1 供油機構內部結構圖

1 傳動軸壓緊裝置結構及工作原理

傳動軸壓緊裝置主要由石墨封嚴圈、彈簧和蓋板部件等組成，組件結構如圖2所示。在8件彈簧的壓縮膨脹力作用下，傳動軸錐面與殼蓋部件緊密貼合，傳動軸可沿蓋板部件軸向移動。

由于傳動軸屬于高速運轉部件，最高轉速約達5000r/min，因此傳動軸與彈簧之間不可直接接觸，需要一個傳遞介質，該傳遞介質應具有較好的耐磨和密封性。根據材料學知識可知，石墨類材質具有較好的耐磨性能，且經精加工后表面質量能夠滿足接觸密封要求，因此，傳動軸壓緊件采用了石墨封嚴圈。

圖2 傳動軸安裝結構圖

解決了傳動軸壓緊件選材問題，根據其結構特點還需要滿足蓋板部件與石墨封嚴圈間的密封性要求，為此通過在兩者之間安裝密封圈實現該功能。主要是利用密封圈的過盈壓縮膨脹力，使密封圈與石墨封嚴圈緊密貼合，因石墨封嚴圈沿蓋板部件軸線方向有一定的移動靈活性要求，石墨封嚴圈與密封圈的過盈量應保持在一定范圍內。否則，過盈量過大，石墨封嚴圈在蓋板部件上的移動摩擦阻力增大，影響石墨封嚴圈的移動靈活性；過盈量過小，密封圈與石墨封嚴圈之間的膨脹壓縮量小，容易漏油，密封性能差。

2 故障分析

根據傳動軸壓緊裝置結構可知，傳動軸松動的原因是石墨封嚴圈未壓緊傳動軸，石墨封嚴圈與傳動軸處于懸離狀態。這說明石墨封嚴圈未能在彈簧力的作用下沿蓋板部件軸向移至壓緊位置，可能是受到外界較大阻力而卡滯不動。進一步從結構上分析，構成阻力的可能是密封圈的摩擦阻力或在石墨封嚴圈移動方向上與其他零件間隙中有阻擋物。分解后檢查未發現有多余物，可見該阻力為密封圈的摩擦阻力。了解石墨封嚴圈移動卡滯的真實原因后，仍需搞清在什么情況下石墨封嚴圈由原先的壓緊位置移至懸離位置。下面主要通過力學知識對其進行分析。

針對所研究的問題，只進行沿蓋板部件軸向上的力學分析，其他方向的受力情況在此暫不作具體分析。

1） 供油機構性能試驗時，檢驗傳動軸壓緊裝置密封良好性的漏油量指標合格，證明傳動軸與殼蓋部件處于壓緊狀態，石墨封嚴圈相對傳動軸靜止，可視兩者整體為受力對象。因受力對象沿軸向速度為零，那么受力對象受力平衡，受力對象受到彈簧的壓縮膨脹力F彈、殼蓋部件軸向支撐力F支撐（軸）、密封圈的摩擦阻力F阻和油壓力F油（軸）（見圖3），它們的平衡關系式為：F彈= F油＋F阻+ F支撐，受力對象無位移。

通過平衡公式可知，要使受力對象產生一定的速度沿殼蓋部件軸向移動，必須打破平衡狀態，即有加速度a的形成。由于F阻和F支撐屬于從動變量，因此只有當F油（軸）增大時才會打破平衡。當試驗結束時，F油減小，因此排除試驗過程及結束受力對象產生位移的可能性。

2）供油機構下臺架時，若沿傳動軸的軸向進行受力分解，可視傳動軸與試驗臺接觸摩擦阻力為零，則平衡關系不變。當分解過程中上下晃動傳動軸，由于傳動軸與殼蓋部件之間有一定空隙，傳動軸沿軸線偏斜，給石墨封嚴圈一個與偏擺方向反向的作用力F分，使石墨封嚴圈與傳動軸產生相對運動。取石墨封嚴圈為受力對象，石墨封嚴圈受到彈簧的壓縮膨脹力F彈、密封圈的摩擦阻力F阻和傳動軸的支撐力F分（軸）（見圖4），受力平衡被打破，即F分（軸）＞F彈＋F阻，并產生加速度，使石墨封嚴圈與傳動軸分離。

圖3 石墨封嚴圈與傳動軸整體受力分析示意圖

圖4 石墨封嚴圈受力分析圖

供油機構分解下來后，F分為零，當F彈＞F阻，石墨封嚴圈復位與傳動軸精密貼合，傳動軸無松動；若F彈＜F阻，石墨封嚴圈未回至原位即與傳動軸緊密貼合狀態。可見當同時滿足石墨封嚴圈與密封圈摩擦阻力過大以及傳動軸受到外界作用力與石墨封嚴圈產生相對位移兩個條件時，就會出現石墨封嚴圈卡滯于傳動軸未壓緊位置，最終導致傳動軸松動。

3 處理措施及效果

根據摩擦阻力公式F阻=μF正可知（適用于動摩擦和最大靜摩擦），影響摩擦阻力的因素除了密封圈的壓縮膨脹力外，還與摩擦因素μ即石墨封嚴圈內孔表面粗糙度有關。為此，對故障件的石墨封嚴圈內孔表面使用顆粒度不大于W1的細砂紙拋光，并重新選配密封圈，使石墨封嚴圈與傳動軸過盈量趨于中限值0.25mm附近后再裝配、試驗，未發現傳動軸松動情況，說明故障排除方式可靠、有效。

4 預防措施

為了提高供油機構的工作可靠性與安全性，降低傳動軸的松動故障率，在對傳動軸壓緊裝置的安裝和試驗結束下臺架時需注意以下幾點：

1） 嚴格控制石墨封嚴圈與密封圈的過盈量，使其保持在0.15～0.3mm范圍內。

2） 保證石墨封嚴圈內孔表面光滑。

3） 密封圈應在使用有效期內，確保其耐油性和溶脹率符合技術要求。

4） 石墨封嚴圈組裝后，從傳動軸與齒輪泵連接端按壓，檢查傳動軸應浮動靈活，能夠順暢復位。

5） 下臺架時，避免晃動傳動軸，應沿傳動軸軸線方向順暢受力分解。