某航空發動機輸出軸卡滯問題分析

李欣

（海裝駐常州地區軍事代表室，江蘇常州213022）

0 引 言

某航空發動機大修交付外場后，進行地面調整試車時，發動機達到空中慢車轉速穩定后拉回地面慢車轉速停留約2 min，停車后，盤轉輸出軸轉子有輕微卡滯，并有異常響聲；發動機冷卻后盤轉輸出軸無異常。發動機在前兩次地面調整試車時均無異常。

為進一步檢查發動機工作情況，后續又對該發動機進行了3次地面試車，其中前2次檢查均正常。第3次地面試車時，發動機在空中慢車轉速附近停留10 min，拉回地面慢車轉速轉速穩定2 min左右,停車后立即反向盤轉該發動機和另一臺發動機輸出軸，另一臺發動機無異常，該發動機有輕微卡滯，增加盤轉力后卡滯現象消失。輸出軸停止轉動后重新盤轉，無卡滯現象。

1 問題定位

1.1 發動機有關結構

某型渦軸發動機自由渦輪部分主要包括兩級自由渦輪及與其相連的減速器，還有將燃氣排向大氣的排氣管。自由渦輪轉子支承在減速器機匣的兩個滾動軸承上，前端由篦齒和篦齒封嚴環保證封嚴油氣，少量漏到篦齒封嚴環中間腔的油氣將經通氣管接至滑油箱。由篦齒封嚴環來封嚴沿軸線方向流動的燃氣。一個套齒固定在渦輪軸上，套齒把轉矩傳給自由渦輪減速器。減速器位于發動機的后部，在其后面驅動輸出軸，在前面帶動附件傳動盒內的傳動機構。

1.2 建立故障樹

結合以往發動機卡滯故障分析的有關經驗，分析發動機結構，輸出軸輕微卡滯可能與轉子、靜子刮磨有關，也可能與篦齒刮磨或軸承有關，或者與某些齒輪、花鍵間隙過大導致輸出軸轉動滯后有關。按照裝備質量問題處理的有關要求，采用故障樹分析方法，列出發動機輸出軸卡滯現象底事件，如圖1所示。

圖1 輸出軸卡滯故障樹

發動機工作過程中，自由渦輪一級導向器可能與一、二級轉子葉尖刮磨；自由渦輪二級導向器上的篦齒可能與轉子圓弧端齒外徑刮磨；篦齒封嚴環可能與自由渦輪軸刮磨，如圖2所示；從動齒輪上的擋油環及篦齒封嚴環可能與后蓋刮磨，如圖3所示。

1.3 發動機返廠后進行的工作

1.3.1 臺架試車及檢查

發動機返廠后盤轉自由渦輪轉子，自由渦輪轉子與自由渦輪一級、二級導向器之間無卡滯或異響。測量自由渦輪二級轉子與一級導向器徑向間隙，符合發動機裝配要求。

圖2 篦齒封嚴環與自由渦輪配合示意圖

圖3 從動齒輪配合示意圖

發動機上臺架進行試車，在地面慢車轉速和空中慢車轉速分別停留2 min，再將發動機轉速提高1000 r/min并停留15 min，拉回油門桿至地面慢車轉速，停留1 min后停車，發動機試車過程中工作正常，燃氣渦輪轉子自轉時間符合指標要求，停車后立即盤轉自由渦輪轉子，無卡滯現象。

1.3.2 分解檢查

1）分解發動機后段，取出自由渦輪轉子，轉子葉尖無任何刮磨痕跡，自由渦輪軸與篦齒封嚴環相配合的軸徑有輕微刮磨痕跡，沿周向約1/4圓周，未見深度。2）分解取出篦齒封嚴環，發現大篦齒封嚴環無刮磨痕跡，兩處篦齒封嚴環均有刮磨痕跡，部分篦齒表面見輕微金屬色。3）分解取出后蓋、封嚴篦齒、擋油環，發現后蓋與封嚴篦齒、擋油環均有刮磨痕跡；后蓋半邊內環內孔與封嚴篦齒刮磨，另外半邊外環面與擋油環內孔刮磨。4）分解取出后段所有軸承，軸承轉動靈活，軸承游隙均合格。5）軸承與其余零部件目視檢查未見異常。

1.3.3 計量情況

1）計量篦齒封嚴環、后蓋、封嚴篦齒等配合尺寸，均滿足發動機裝配要求。2）對發動機后段傳動零部件的進行計量，除主動齒輪與從動齒輪中心距比圖樣要求偏小0.005～0.028 mm、主動齒輪與齒輪軸中心距比圖樣要求偏小0.026 mm外，其余尺寸計量結果均合格。

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1.4 底事件排查

結合發動機臺架試車及分解檢查情況，通過計量等方法，對故障樹的15個底事件進行了全面的排查，自由渦輪軸與其配合的篦齒刮磨、后蓋與其配合的篦齒刮磨、后蓋與擋油環刮磨3個底事件無法排除。

通過目視檢查發現，自由渦輪軸與篦齒封嚴環產生的刮磨痕跡較輕，后蓋與封嚴篦齒、后蓋與擋油環產生的刮磨痕跡相對較重，且后蓋處的封嚴篦齒裝配在從動齒輪軸頸處，而從動齒輪通過內花鍵與輸出軸直接相連。此處刮磨更易引起輸出軸卡滯，因此分析認為后蓋與擋油環、封嚴篦齒刮磨是輸出軸卡滯的主要原因。

2 機理分析

2.1 故障機理

結合修理經驗，該型發動機后蓋與擋油環、封嚴篦齒經常存在不同程度的刮磨，根據發動機修理規范，這種刮磨是可接受的，只要相關尺寸符合要求，零件修理后可繼續使用。該發動機在上次返廠大修過程中自由渦輪軸處篦齒封嚴環、后蓋、后蓋處封嚴篦齒、擋油環均未更換，只進行了檢查及修理。

發動機工作時滑油溫度會升高，因后蓋材料的線膨脹系數大于擋油環的線膨脹系數，此時擋油環與后蓋間隙將會減小，100 ℃情況下單側間隙最小為0.056 mm，再加之零件存在形位公差，后蓋與擋油環在工作中極易刮磨且比后蓋與封嚴篦齒更易發生刮磨。

本次外場發生輸出軸卡滯問題時，發動機剛剛停車，此時內部溫度較高，后蓋與擋油環間隙較小，若輸出軸因不同軸稍有傾斜即有可能發生刮磨。

查看廠內其它返修發動機后蓋與擋油環的配合情況，發現也存在刮磨現象，由于刮磨導致后蓋局部變形并產生毛刺，從而產生刮磨后尺寸大于新件尺寸的情況。計量后蓋新件，尺寸在合格范圍內，因此可以推測外場使用環境較為嚴酷，發動機在工作過程中，后蓋與擋油環刮磨較為嚴重。

計量多臺返修發動機后蓋與擋油環配合間隙為0.31～0.46 mm，而圖樣要求為0.200～0.308 mm。可以看出，返修機后蓋刮磨后與擋油環間隙大于圖樣配合間隙，隨著使用時間的增加，后蓋與擋油環的間隙將逐漸增加，刮磨現象會逐漸消失。

根據底事件排查結果及分析可知，外場發生的發動機輸出軸卡滯的主要原因是后蓋與擋油環及封嚴篦齒刮磨。在廠內試車過程中，發動機經過磨合后轉子與靜子之間不會再發生刮磨并引起卡滯，但外場裝機后發動機剛剛停車時溫度相對較高，導致后蓋與擋油環之間間隙局部變小、刮磨并引起輸出軸轉動不靈活。

2.2 小結

某發動機外場輸出軸卡滯現象的主要原因是后蓋與封嚴篦齒、擋油環刮磨，產生刮磨的原因主要有以下兩點：1）發動機工作過程中后蓋與擋油環配合間隙較小，且有不同程度的線性膨脹，導致配合間隙進一步減小，導致刮磨嚴重；2）發動機工作過程中后蓋受熱局部變形，導致其與封嚴篦齒、擋油環間隙局部變小，引起刮磨。

根據外場使用經驗及發動機返廠分解檢查情況,刮磨不影響發動機外場使用安全。

3 后續措施

1）廠內發動機試車前后均盤轉輸出軸轉子，尤其是停車后立即檢查輸出軸的轉動靈活性，如有卡滯要及時處理。2）細化發動機修理技術規范，注意后蓋與擋油環的配合間隙，確保發動機出廠時輸出軸無任何卡滯。

4 結 語

完善修理要求后，經發動機臺架試車及外場使用驗證，未再有卡滯問題出現，證明該措施有效，可保證裝備的正常使用。