某發(fā)動機減速機匣分油襯套異常磨損問題研究

石 峰

(海軍裝備部，湖南 長沙 410000)

航空發(fā)動機內(nèi)部運動部件多，相對運動部件之間常采用軸承或封嚴環(huán)連接。由于封嚴環(huán)不僅需承載一定壓力，還要在相對運動中起到阻隔油、氣等作用，這對封嚴環(huán)及其接觸的零件表面材質(zhì)和加工方法提出了很高的要求，也是容易發(fā)生故障的部件[1-2]。

某航空發(fā)動機減速機匣上安裝有2Cr18Ni8W2鋼制成的分油襯套，用以流通和分隔不同壓力的油。由于2Cr18Ni8W2鋼具有較大的線膨脹系數(shù)，在發(fā)動機工作時能與殼體保持一定的過盈量，使其保持氣密。分油襯套內(nèi)孔通過多道漲圈與槳軸外分油襯套相連，襯套內(nèi)表面進行氮化處理，以提高表面耐磨性能。

1 故障現(xiàn)象

某航空發(fā)動機試車后檢查發(fā)現(xiàn)，減速機匣分油襯套內(nèi)孔發(fā)生異常磨損，出現(xiàn)多道寬約4 mm的周向磨損痕跡，局部珩磨交叉紋路不清晰(見圖1)。對應的漲圈外表面及端面也出現(xiàn)磨損露出基體現(xiàn)象，后續(xù)多臺同型號發(fā)動機試車后檢查也發(fā)現(xiàn)類似故障，且磨損位置類似，都處于2#、3#、4#漲圈對應的分油襯套內(nèi)孔位置。

圖1 某發(fā)送機分油襯套異常磨損

對發(fā)動機減速機匣、漲圈、槳軸外分油襯套相關尺寸進行測量，除磨損部位外，其余未見明顯異常。對發(fā)動機減速機匣分油襯套內(nèi)孔非工作面，從上到下依次選取5個部位進行打樣膏計量粗糙度，計量結果見表1，減速機匣分油襯套內(nèi)孔的粗糙度局部偏大，最大約為Ra0.224 μm。

表1 減速機匣分油襯套內(nèi)孔粗糙度計量結果

2 原因分析

初步分析認為，分油襯套內(nèi)孔珩磨紋路局部不清晰，局部粗糙度偏大，在漲圈的彈力及漲圈軸向和周向運動作用下，分油襯套內(nèi)表面微觀突起或尖角毛刺易脫落成細小高點嵌入漲圈，導致襯套表面磨損[3-4]。擬采用400目油石對發(fā)動機分油襯套進行珩磨返修(原用320目油石)，降低襯套內(nèi)表面粗糙度，并保證珩磨紋路清晰后，進行試車驗證。

采用400目油石對其中2號發(fā)動機分油襯套內(nèi)表面進行補充珩磨，去除異常磨損痕跡后內(nèi)孔粗糙度測量為Ra0.1 μm，同時檢查內(nèi)孔表面存在珩磨交叉紋路，目視無毛刺等缺陷。但進行試車驗證后，分油襯套內(nèi)表面與漲圈接觸處異常磨損現(xiàn)象并未改善。

2.1 理化分析

為了進一步分析磨損原因，抽取有典型故障現(xiàn)象的1號、2號發(fā)動機減速機匣分油襯套及部分磨損的漲圈進行理化分析。

2.1.1 宏觀檢查

1號機減速機匣分油襯套內(nèi)表面上與2#和3#漲圈裝配部位存在周向磨損痕跡，整周磨損形貌及程度基本一致，兩道磨損帶軸向?qū)挾染s4 mm；2號機減速機匣分油襯套內(nèi)孔按要求珩磨至φ170.07 mm后仍存在周向磨損痕跡，且存在2條較深的劃痕。對1、2號機分油襯套磨損部位進行放大觀察，可見明顯周向磨痕及與磨損方向垂直的微裂紋和顯微剝落現(xiàn)象(見圖2)。

圖2 1號機分油襯套內(nèi)表面與漲圈接觸磨損部位微觀形貌

對1號機3#漲圈和2號機2#、3#漲圈外表面進行顯微觀察發(fā)現(xiàn)，磨損嚴重的金屬粘接區(qū)部位存在較多粘附物，其余磨損部位存在少量分散的細小顆粒狀粘附物，粘附物經(jīng)能譜分析為不銹鋼，與分油襯套材料基本一致。

2.1.2 金相檢查

在1、2號機分油襯套磨損部位及遠離磨損區(qū)域的正常部位取樣進行金相檢查，滲氮層深度及磨損深度具體情況見表2。

表2 1、2號機分油襯套滲氮層深度及磨損深度

分油襯套內(nèi)表面磨損部位氮化層局部存在微裂紋(見圖3)。磨損附近氮化層未見裂紋及剝落現(xiàn)象，磨損部位及其余部位滲層組織基本一致，心部組織正常。

圖3 1號、2號機分油襯套磨損部位表面組織

對漲圈磨損部位進行剖切檢查，發(fā)現(xiàn)漲圈外表面磨損嚴重，均存在灰色嵌入物，嵌入物最大尺寸約為0.3 mm×0.1 mm(見圖4)。經(jīng)能譜分析，嵌入物成分與分油襯套材料基本一致。

圖4 漲圈外表面磨損部位表面組織和心部組織

2.1.3 硬度檢查

對1、2號機漲圈成分進行化學定量分析、能譜分析，對分油襯套硬度和氮化層脆性、漲圈硬度進行檢測，均符合相關要求。

2.2 原因分析

根據(jù)理化分析結果以及漲圈封嚴結構原理，列出分油襯套內(nèi)孔異常磨損所有可能原因，并逐一排查。

2.2.1 材質(zhì)缺陷

若漲圈、分油襯套材質(zhì)不合格，含有夾雜物，可引起分油襯套磨損[5]。而理化分析結果表明，漲圈、分油襯套材材質(zhì)及冶金質(zhì)量符合相關技術條件要求，因此可排除該因素。

2.2.2 熱處理缺陷

若因熱處理的原因?qū)е聺q圈硬度不合格，則漲圈不耐磨，也會引起分油襯套磨損[6-7]。漲圈理化分析結果表明，漲圈硬度滿足要求，且同批次漲圈安裝在其他發(fā)動機上未出現(xiàn)類似故障，因此排除該原因。

若因熱處理的原因?qū)е路钟鸵r套氮化層深度、硬度不合格，則分油襯套本身易被磨損。而經(jīng)襯套理化分析，結果表明氮化層深度及硬度符合要求。

2.2.3 加工質(zhì)量缺陷

若漲圈彈力值不合格，工作過程中不能緊貼分油襯套內(nèi)表面，易發(fā)生周向轉(zhuǎn)動，引起分油襯套磨損[8]。但經(jīng)復測漲圈彈力值，均在設計范圍內(nèi)。

若漲圈尺寸不合格，工作過程中發(fā)生異常轉(zhuǎn)動，也可引起分油襯套磨損。經(jīng)復查故障發(fā)動機漲圈加工質(zhì)量記錄和部分漲圈的尺寸，均無異常且滿足設計要求。

若槳軸外分油襯套漲圈槽存在銳邊，易刮傷漲圈端面并引起漲圈發(fā)生周向轉(zhuǎn)動。經(jīng)現(xiàn)場檢查故障發(fā)動機槳軸外分油襯套漲圈槽加工情況，未發(fā)現(xiàn)銳邊、毛刺等，排除該原因。

若分油襯套內(nèi)孔粗糙度偏大，內(nèi)孔局部存在細小高點，在發(fā)動機工作過程中，分油襯套與漲圈存在著相對運動，細小高點易被磨損后會鑲嵌到漲圈的外表面，最終磨損分油襯套。通過2號發(fā)動機使用400目油石補充珩磨后，粗糙度降低到Ra0.1 μm，但試車分解驗證后仍出現(xiàn)異常磨損故障，因此這也不是異常磨損的原因。

若分油襯套內(nèi)孔加工珩磨紋路不清晰或紋路較淺，會影響襯套表面儲油、持油能力，不易使滑油在摩擦面形成動壓油膜，致使?jié)櫥瑮l件下降，出現(xiàn)干摩擦[9]。摩擦產(chǎn)生的細小顆粒會鑲嵌到漲圈的外表面，形成硬質(zhì)凸點，在工作過程中，硬質(zhì)點會加劇對分油襯套內(nèi)表面的磨損，而磨損物進一步鑲嵌到漲圈外表面，導致分油襯套內(nèi)表面的磨損不斷加劇。根據(jù)發(fā)動機分解檢查情況，該發(fā)動機減速機匣分油襯套前端內(nèi)表面珩磨加工紋路不清晰，后續(xù)2號機用400目油石珩磨后其交叉紋路較淺(見圖5)。因此該因素不能排除。

圖5 400目和320目油石加工后分油襯套

2.2.4 裝配質(zhì)量缺陷

若漲圈裝配時開口存在銳邊，工作時銳邊會將分油襯套氮化層刮傷，造成漲圈外表面和分油襯套磨損。檢查故障發(fā)動機漲圈切口，切口端面棱邊及棱角均符合要求。

若漲圈對象件分油襯套和槳軸外分油襯套有偏斜，帶動漲圈發(fā)生偏轉(zhuǎn)，工作時會產(chǎn)生異常磨損。通過復查故障件及相關零件制造符合性，未見異常。分解后復測對象件分油襯套內(nèi)孔圓柱度、同軸度和槳軸外分油襯套端面跳動、平行度，均符合設計要求，排除該因素。

2.2.5 工作條件異常

滑油壓差波動大，可造成漲圈在分油襯套內(nèi)異常往復運動。通過復查故障發(fā)動機試車記錄，其滑油壓力、油路壓力均正常，排除該因素。

3 問題解決

3.1 故障定位

3.2 機理分析

漲圈工作原理如圖6所示，分油襯套內(nèi)漲圈工作時，前后壓差ΔP將漲圈壓在槳軸外分油襯套漲圈槽側面，產(chǎn)生摩擦力矩M1；同時漲圈彈力和漲圈內(nèi)表面的滑油壓力使?jié)q圈外表面壓緊在分油襯套上，產(chǎn)生摩擦力矩M2。當M1>M2時，漲圈會隨槳軸外分油襯套轉(zhuǎn)動。槳軸外分油襯套上依次裝有多道漲圈，其中2#、3#漲圈用于隔開減速器潤滑油路與定距油路，在發(fā)動機試車時，定距油路滑油壓力會在0.1～3.8 MPa之間不斷變動，使得第2#、3#漲圈前后壓差ΔP變化比其他封嚴漲圈大，即間斷地增大了摩擦力矩M1，使2#、3#漲圈較其他漲圈更容易發(fā)生轉(zhuǎn)動，加之珩磨不良導致的減速機匣分油襯套內(nèi)表面布油能力差，致使故障發(fā)動機減速機匣分油襯套內(nèi)孔在2#、3#漲圈工作接觸處出現(xiàn)磨損。

圖6 漲圈工作原理圖

3.3 解決驗證

使用320目油石對減速機匣分油襯套進行返修，返修后分油襯套內(nèi)孔表面珩磨紋路清晰，重新進行試車驗證，減速機匣分油襯套均未發(fā)生磨損，問題得到解決。

4 結語

影響航空發(fā)動機等高精密設備環(huán)形滑動摩擦面磨損的因素很多，在以往的故障原因追朔時，易將故障歸因于零件尺寸超差、運行條件不穩(wěn)定、運動表面粗糙度不合格等[10]。珩磨工藝作為去除零件加工余量，提高零件尺寸精度和表面粗糙度的有效加工方法，大量應用于零件表面加工。在使用珩磨對環(huán)形滑動摩擦面進行加工時，應注意檢查珩磨工藝的有效性，以防止摩擦面磨損故障發(fā)生，提高設備運行可靠性。