某燃油泵斷軸故障分析

葉泳

摘 要：本文對某燃油泵斷軸故障進行介紹，通過建立故障樹詳細分析得出，齒輪泵傳動軸斷裂是由于間隙不合理導致傳動軸與主動齒輪發生偏斜而造成的。對燃油泵進行改進，將一體式傳動軸拆分為兩段，前段與附件機匣內花鍵相配合，后段與泵頭主動齒輪、機械密封等模塊配合，使前段傳動軸套變為浮動，可消除一定范圍內的齒輪泵傳動軸與泵調節器安裝止口出現的不同軸現象。對改進后的燃油泵進行試驗驗證，功能性能正常，改進措施有效，故障消除。

關鍵詞：燃油泵;斷軸;故障分析

1 引言

某燃油泵在運行過程中出現斷油現象，隨后再次啟動燃油泵仍無燃油供出。將燃油泵拆下后檢查，發現花鍵軸已斷軸，斷裂處位于傳動軸安全截面?6.3直徑處。

2 故障原因分析

燃油泵分解檢查情況如下：首先對故障泵的扭矩進行測量，測量工具為扭矩扳手，當測量力矩達到25N·m的扭矩上限時，傳動軸仍未轉動，該力矩大大超過了正常的1N·m扭矩，初步判定為泵內傳動部件已經卡死;拆掉機械密封、泵蓋等結構，露出兩個浮動軸承，測量浮動軸承圓周一圈相對端面的高度，測量結果超過了圖紙的要求，說明此時浮動軸承未壓緊，且已處于偏斜狀態;在拆掉浮動軸承后，發現主動齒輪有兩個齒出現崩齒現象;軸承端面出現了大量不均勻磨損，磨損位置集中在齒頂圓圓周附近和齒輪嚙合區附近，磨損部位已露涂層基體。殼體腔內有較多的碎屑污染物，殼體內孔低壓側發生了嚴重的掃膛現象[1-2]。

以燃油泵斷軸為頂事件開展故障樹分析，具體如下：

2.1輸入端過載

根據仔細分析及對試驗數據復查，該狀態下輸入端載荷不存在過載。

該項底事件可以排除。

2.2齒輪泵出口壓力異常升高

斷軸故障發生前，燃油泵泵后流量、泵后壓力均在正常范圍內，不存在出口壓力突增等異常現象。

該項底事件可以排除。

2.3污染物進入導致驅動扭矩過大

齒輪泵內部零部件配合精密，一旦污染物進入將會影響到齒輪泵的工作穩定性。污染物進入齒輪泵內部旋轉副，會使旋轉副瞬間卡滯，齒輪泵負載瞬時過大，傳動軸受到異常扭矩，導致傳動軸斷裂。結合故障泵分解檢查情況，齒輪泵軸承端面出現了大量不均勻磨損，磨損位置集中在齒頂圓圓周附近和齒輪嚙合區附近，磨損部位已露涂層基體。殼體腔內有較多的碎屑污染物，殼體內孔低壓側發生了嚴重的掃膛現象。所以不能排除污染物進入齒輪泵內部旋轉副引起驅動扭矩過大而導致的傳動軸斷裂。

該項底事件不可以排除。

2.4齒輪材料選用不當

主、從動齒輪設計時選用了2Cr3WMoV GJB2294-1995材料。2Cr3WMoV是一種珠光體型不銹鋼，有很好的滲碳性能和力學性能。滲碳后表面有高的硬度和好的耐磨能力，心部具有很好的強度與韌性的配合。該鋼主要用于制造尺寸精確、要求有高的耐磨性和疲勞強度的滲碳零件，如齒輪、螺栓、軸和轉子等。

該項底事件可以排除。

2.5齒輪熱處理要求不合理

齒輪設計圖紙技術要求：表面滲碳，深度（0.6～1.0）mm，表面硬度58～64HRC，心部硬度35～44HRC，尾部螺紋不允許有滲碳層。齒輪熱處理要求與同類型成熟產品保持一致。

該項底事件可以排除。

2.6齒輪材料缺陷

根據齒輪加工廠家復查，主、從動齒輪材料均為常州精錘供料鍛造，鋼材為撫順提供，復檢材料，無異常。

該項底事件可以排除。

2.7齒輪工藝流程不當

根據齒輪加工廠家復，查齒輪加工的工藝流程，從備料至最終清洗包裝入庫，共計33個工序。滾齒工序在齒輪加工工藝規程中，之后工序中進行了切試樣監測;磨齒、拋光工序之后，進行了燒傷檢查、磁粉檢驗，不允許有裂紋，只有探傷合格的件才能流轉到下一工序;另外通過對斷裂的齒面進行理化分析，斷口處也未見冶金缺陷。所以，可以排除齒輪工藝不當對傳動軸斷裂的影響。

該項底事件可以排除。

2.8齒輪偏斜運轉

當泵調節器正常工作時，傳動軸不發生彎曲。如燃油泵傳動軸與安裝止口間，不同軸度過大導致裝配在附件機匣上后，傳動軸軸線偏離附件機匣中心軸線，當偏離約等于間隙2時，傳動軸與主動齒輪發生接觸，傳動軸會發生輕微偏斜，這一位置為傳動軸發生彎曲的極限位置。如果傳動軸相對止口偏斜量過大，則傳動軸將繼續產生移動，帶動主動齒輪，改變其正常嚙合狀態。聯系主動齒輪兩個崩齒形式，主、從動齒輪非嚙合面異常磨損，軸承、殼體有偏磨痕跡，初步認為傳動軸帶動主動齒輪形成了不正常的偏斜運轉，導致主動齒輪傾斜，從而中心距離變化，導致齒輪局部無側隙嚙合，齒輪局部嚙合面和非嚙合面均產生嚙合痕跡，此項內容從齒輪的異常嚙合痕跡也可呈現[3]。

該項底事件不可以排除。

綜上所述，導致齒輪泵傳動軸斷裂的原因可能是由于間隙不合理導致傳動軸與主動齒輪發生偏斜而造成的。

3 機理分析

由于燃油泵殼體、泵蓋等零件尺寸存在超差，導致泵蓋安裝止口與傳動軸之間不同軸度過大，齒輪泵傳動軸與附件機匣內花鍵出現不同軸現象，使傳動軸連同主動齒輪承受額外的彎矩，傳動軸與主動齒輪承受彎扭復合載荷，造成主、從動齒輪的非正常嚙合。在嚴重偏載的交變載荷作用下，主動齒輪出現磨損高溫工況，兩齒崩裂卡死在齒輪腔中，最終導致傳動軸的過載斷裂[4]。

其次，基于故障件尺寸鏈分析過程進行設計復查，發現一體式傳動軸設計方法存在即使各個零件尺寸均在公差范圍內時，依然無法完全保證補償量能包融傳動軸與泵蓋安裝止口同軸度的情況。因此后續需要針對燃油泵傳動結構進行相關設計改進，以滿足各零件尺寸在極限位置時的偏斜情況。

4 糾正措施和驗證情況

主要改進如下：將原先的一體式傳動軸拆分為兩段，前段與附件機匣內花鍵相配合，后段與泵頭主動齒輪、機械密封等模塊配合。前后兩段以內外花鍵結構連接提供驅動扭矩。與原設計方案相比較，改進版設計增加了前段浮動傳動軸套，使得機匣輸入軸在傳遞扭矩時，增加一個徑向間隙補償量，可消除一定范圍內的齒輪泵傳動軸與泵調節器安裝止口出現的不同軸現象;嚴格控制燃油泵中尺寸鏈上各個零件尺寸公差（殼體、泵蓋、滑動軸承、主從動齒輪、傳動軸），以達到可包容的傳動軸不同軸度范圍。

目前，經過改進的燃油泵已完成60h試驗考核，功能性能正常。

5 結論

根據問題分析和排查，本次故障是由于泵調節器安裝止口，與傳動軸之間不同軸度過大，齒輪泵傳動軸與附件機匣內花鍵出現不同軸現象，使傳動軸連同主動齒輪承受額外的彎矩，傳動軸與主動齒輪承受彎扭復合載荷，造成主、從動齒輪的非正常嚙合。在嚴重偏載的交變載荷作用下，主動齒輪出現磨損高溫工況，兩齒崩裂卡死在齒輪腔中，最終導致傳動軸的過載斷裂。改進設計后，燃油泵經試驗驗證，工作正常，改進措施有效。

參考文獻：

[1]總編委會.航空發動機設計手冊[M].航空工業出版社，2001.

[2]賽義德. 可靠性工程[M]. 電子工業出版社， 2013.

[3]孫建國.現代航空動力裝置控制.北京：航空工業出版社，2001.

[4]濮良貴，紀名剛.機械設計[M].高等教育出版社.2001.