某型發動機燃油調節器Pn 薄膜異常變形故障分析

肖雪萍 陳濤 陳洪 胡秀強 牟春妍/ 襄陽航泰動力機器廠 空裝駐襄陽軍代表室

1 故障情況

Pn 薄膜安裝于某型發動機燃油調節器，作用是保持轉速指令控制油腔的壓力穩定。Pn 薄膜下腔通低壓油，上腔通轉速指令Pn 油壓。發動機轉速增大時，離心飛重通過Pn杠桿使擋板活門關小，回油減小，Pn 薄膜上腔的油壓增大；發動機轉速減小時，擋板活門開口增大，回油增大，Pn 薄膜上腔的油壓減小。擋板活門的開度和發動機高壓轉子轉速一一對應，薄膜上下腔油壓差△Pn 和高壓轉子轉速的關系一一對應。Pn 杠桿上的凸臺工作時與Pn 薄膜相接觸，Pn杠桿控制擋板活門的開度一定，在轉速指令控制油腔中，油量的動態變化不影響Pn 油壓的穩定，這就要求Pn 薄膜有較好的回彈性。

從2018 年11 月起，外場多次發生在冬季低溫條件下發動機試車時起動不成功故障，故障表現為發動機首次試車時空氣起動機脫開轉速低，分解發現Pn薄膜出現異常變形情況（見圖1）。

2 原材料選型分析

2.1 織物選型分析

Pn 薄膜由氫化丁腈橡膠與115 棉織物硫化而成，薄膜再與壓板和壓板座進行粘接。正常工作時，Pn 薄膜的有效工作面積決定了其反饋的Pn 壓力指令能否滿足控制精度要求。當有效工作面積不符合設計要求時，將造成Pn 指令壓力無法與轉速形成對應關系，將出現一定的偏差，從而造成斷開起動機準高速偏差。

為了讓薄膜變形后的有效面積接近設計要求，應盡量減少薄膜的變形。分析薄膜結構可知，骨架層的主要作用是增加薄膜的強度并限制過大的位移變形，因此改進需從薄膜骨架材料入手。查閱相關資料，常用的薄膜骨架織物材料有棉布織物和錦綸織物，兩種骨架織物的特性對比見表1。

纖維的初始模量表征為對小延伸的抵抗力，或表征施加一定的負荷給纖維時纖維產生形變的大小。纖維的初始模量值越高，斷裂伸長率越小，在施加同樣大小負荷時產生的變形越小，即尺寸穩定性較好。由于薄膜主要通過骨架材料進行增強，因此相比棉布骨架，以錦綸織物為骨架的薄膜在受同樣負荷的情況下更容易產生變形，尺寸穩定性差。因于薄膜的受力狀態與薄膜的面積變化相關，尺寸穩定性好的薄膜在受力狀態下變形較小，工作時容積效果變化不明顯，因此應用于壓力油時的工作穩定性好。

表1 Pn薄膜兩種骨架織物特性對比

從表1 可知，錦綸在受同樣大小負荷情況下更容易產生變形，即尺寸穩定性不好；在斷裂伸長率方面，棉纖維為10.8%～18%，錦綸為25%～65%，表明在同樣受力情況下錦綸會產生更高的塑性變形，變形后的回彈性差，不能正常復位。由此可知，以錦綸為骨架的薄膜的尺寸穩定性差，塑性變形較大，這對薄膜的穩定工作不利。因此，錦綸織物不能滿足使用要求。

2.2 膠料選型分析

以往的Pn 薄膜材料為普通丁腈橡膠，長期的工程應用表明，丁腈橡膠的使用壽命不能滿足使用要求。通過多方面的考核驗證，最終選定各項性能更好的氫化丁腈橡膠作為Pn 薄膜的材料。

氫化丁腈橡膠經過選擇性氫化處理后，在丁腈橡膠結構中的1，4-丁二烯鏈節部分被加氫飽和，但仍有少量雙鍵存在；1，2-鏈節的丁二烯全部被飽和。分子結構式中飽和的亞甲基鏈使彈性體具有較好的耐熱、低溫和耐磨性，殘留的雙鍵可作為硫黃硫化的交聯點，氰基可提供膠料良好的耐油性。由于氫化丁腈橡膠分子結構中不飽和鍵數量減少，其氧化穩定性比普通丁腈橡膠提高1000倍，在氮氣和空氣中熱降解溫度比普通丁腈橡膠提高30 ～40℃，因而氫化丁腈橡膠耐熱性和耐臭氧性能比普通丁腈橡膠好得多。

圖2 半成品薄膜

3 仿真性能分析

3.1 膜片HBM2-01 應力應變性能

取半成品膜片HBM2-01（圖2 中的A）按照GB/T 528 《硫化橡膠或熱塑性橡膠拉伸應力應變性能的測定》進行裁剪（圖2 中的B），完成氫化丁腈材料應力應變性能試驗，得到材料應力應變曲線圖（見圖3）。

3.2 Pn 薄膜不同粘接狀態和不同工況的有限元分析

1）比較Pn 薄膜正常狀態（φ18 不涂膠）、φ20 不涂膠和完全不涂膠狀態的差異。

2）比較Pn 薄膜在頂桿有預壓和沒有預壓情況下的差異。

3）測算薄膜在位移變化0.5mm 時需要的油壓值。

選用φ20 不粘狀態與正常狀態的Pn 薄膜，分別對有預壓和無預壓的應力進行比對。通過反向計算，測算在位移變化0.5mm 時需要的油壓值，仿真數據統計見表2。

從表2 可以看出，正常狀態下，有預壓比無預壓的位移變小，應力變小；φ20 不粘狀態下，有預壓比無預壓的位移變小，應力略增大；完全不粘狀態下，有預壓和無預壓無差別，應力比其他狀態都小；行程為0.497mm 和0.494mm 時，需要的油壓均為0.4MPa。總結來說，有預壓比無預壓的應力小，有預壓有利于工況；φ20 不粘比正常狀態的應力小，φ20 不粘狀態有利于工況。

4 實物性能驗證

圖3 應力應變曲線

表2 仿真數據統計

表3 Pn壓力數據表

根據仿真試驗結論，加工φ22 不涂膠、φ20 不涂膠、φ18 不涂膠、完全不涂膠4 種狀態的Pn 薄膜進行脈沖試驗，測試在不同轉速狀態下Pn 壓力、起動脫開轉速的性能，兩次試驗結果見表3。試驗條件為-30℃冰凍24h 后。

從以上試驗數據可以得出，4 種狀態的Pn 薄膜的性能與仿真試驗分析的結論相吻合，φ20 不涂膠的性能有利于工況。該研究結論作為參考借鑒，本文按照設計圖樣涂膠（φ18），提高粘接工藝質量。

5 粘接工藝改進

Pn 薄膜組件的結構是兩面涂膠與壓板和壓板座進行粘接，由于Pn 薄膜外形為矩形，且Pn 薄膜組件的4 個安裝孔為沖壓成型，存在毛口和銳邊現象，這些瑕疵有一定概率割裂并撕裂織物和橡膠，同時若壓緊時受力不均勻，部分過度壓緊部位薄膜的橡膠材料會產生不可逆的變形而凸進膜片的工作區域，造成薄膜的工作特性偏離設計狀態。因此，結合故障件變形情況即Pn 薄膜的工作面均有較大變形，決定增加4 個安裝孔及外廓涂膠工藝，不僅提高Pn 薄膜受力的均勻性，還能提高Pn 薄膜工作的穩定性，同時外廓涂膠可以提高壓板、壓板座和Pn 薄膜的粘接強度，防止因壓板和壓板座產生錯位導致的骨架材料損傷問題，從整體上提高Pn 薄膜組件工作穩定性。

工裝夾具改進方面，一是薄膜打磨工藝要求使用壓板座固定打磨，操作者設計了專用打磨工裝和沖子工裝，并用膠帶保護非涂膠區域。二是涂膠作業時按順序進行涂膠，為保證涂第一遍和第二遍的干燥時間相同，制作帶序號鋼板，保證涂膠干燥時間一致。三是組合壓緊時將薄膜組合件放入專用工裝壓緊，增加固定銷，防止偏移。四是改進碾壓工裝，防止滾壓10 次出現不均勻。固化XY502 膠黏劑攪拌方法、固化薄膜打磨轉速，增加吹砂壓力和砂粒粒度要求。

6 結論

該Pn 薄膜異常變形由多方面因素共同影響造成。按照本文方法加工Pn薄膜后，自2019 年11 月至今，薄膜發生異常變形故障共5 起，其中2020 年3 起，2021 年1 起，2022 年 初 至11 月零起，改進效果明顯。建議：若薄膜在15℃ 以下低溫貯存，裝配前應整體回溫至20℃左右；若發動機在10℃ 以下存放，起動前用熱風預熱。