某航空發(fā)動(dòng)機(jī)滑油位異常下降故障分析

屈衍靜，曹麗娜，欒 旭，宋冠麟，史妍妍，楊 杰

（1.中國航發(fā)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，沈陽110015；2.山東工業(yè)職業(yè)學(xué)院 山東淄博,256414）

0 引言

潤滑系統(tǒng)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵系統(tǒng)之一，保證航空發(fā)動(dòng)機(jī)承力和傳動(dòng)部件的正常潤滑和冷卻，對發(fā)動(dòng)機(jī)的工作可靠性起著決定性的作用[1]。近年來，國內(nèi)開始對潤滑系統(tǒng)研究進(jìn)行重視并建立專門的科研基地，但潤滑系統(tǒng)的發(fā)展仍然落后于發(fā)動(dòng)機(jī)大部件的改進(jìn)。隨著高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用和發(fā)展，軍方對發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性和耐久性更加關(guān)注，對潤滑系統(tǒng)也提出易損性低、質(zhì)量輕和可靠性高的新要求[2-3]。因此，為降低和減少發(fā)動(dòng)機(jī)在外場使用和研制中的經(jīng)費(fèi)損失，潤滑系統(tǒng)需不斷通過提高設(shè)計(jì)水平和排除故障來提高其可靠性[3]。

微/納多級結(jié)構(gòu)TiO2涂層的制備及生物學(xué)性能······顧靜萍 謝有桃 黃利平 賀延昌 趙 君 鄭學(xué)斌 李 紅 孫晉良 (1,44)

本文針對某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)在外場飛行使用時(shí)連續(xù)出現(xiàn)多起滑油位異常下降情況，進(jìn)行故障排查分析，確定了故障位置及原因，并制定相應(yīng)改進(jìn)措施以提高發(fā)動(dòng)機(jī)安全性和可靠性，為促進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)快速成熟提供技術(shù)支撐。

1 故障現(xiàn)象描述

在2015年下半年，某型發(fā)動(dòng)機(jī)在外場交付使用階段連續(xù)發(fā)生多起滑油箱油位異常下降故障，故障現(xiàn)象具體描述如下：

某發(fā)動(dòng)機(jī)在完成地面開車后檢查滑油箱油位為14 L，停放數(shù)日后，機(jī)場機(jī)務(wù)檢查發(fā)現(xiàn)滑油箱滑油量不足，使用油標(biāo)尺檢測不到油位，然后補(bǔ)加滑油至14.5 L后地面開車，發(fā)現(xiàn)有滑油從高空活門處噴出，停車后檢查滑油箱油位為15 L，飛附機(jī)匣約有5 L滑油。發(fā)動(dòng)機(jī)停放3天后檢查滑油箱液位下降至13 L，繼續(xù)停放10天后，滑油箱油位下降至不可測量。

對發(fā)現(xiàn)的滑油箱油位異常下降相關(guān)現(xiàn)象特點(diǎn)，可以總結(jié)歸納：

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)在靜態(tài)停放時(shí)，滑油箱液位下降明顯，油標(biāo)尺無法檢測到油位；

式中：Ps、Pg分別為顆粒相、氣相壓力；Pfs、Pfg分別為顆粒相、氣相脈動(dòng)應(yīng)力；Es、Eg分別為顆粒相、氣相粘性應(yīng)力；β為顆粒相與氣相相間曳力系數(shù)；g為重力加速度；其余參數(shù)含義同質(zhì)量連續(xù)方程。

皮碗安裝在滑油泵組內(nèi)增壓泵與回油泵之間的級間殼體內(nèi)，其作用是將增壓泵與回油泵隔離，防止在發(fā)動(dòng)機(jī)停車后滑油通過泵軸與殼體間隙流至其他部位[12]。在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，該皮碗的工作環(huán)境溫度約為190℃、泵軸轉(zhuǎn)速為 3960 r/min、唇口線速度3.3 m/s，結(jié)構(gòu)尺寸按照GB/T 9877《液壓傳動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸唇形密封圈設(shè)計(jì)規(guī)范》設(shè)計(jì)如圖8所示。

（3）發(fā)動(dòng)機(jī)外部管路、附件表面檢查無明顯漏油痕跡。

2 故障問題分析

2.1 故障定位

某型發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑系統(tǒng)供、回油流路原理如圖1所示。從圖中可見，增壓泵從滑油箱吸油，供給發(fā)動(dòng)機(jī)各滑油腔，回油泵將發(fā)動(dòng)機(jī)各滑油腔的滑油抽回滑油箱，起動(dòng)機(jī)則由滑油箱直接供油。

圖1 潤滑系統(tǒng)原理

根據(jù)故障現(xiàn)象特點(diǎn)結(jié)合潤滑系統(tǒng)工作原理進(jìn)行初步分析可知，滑油箱油位下降問題與潤滑系統(tǒng)內(nèi)部漏油有關(guān)，與外部管路、附件無關(guān)，以停車后滑油箱油位異常下降為頂事件，分析頂事件發(fā)生的全部可能性底事件，建立故障樹如圖2所示。

圖2 滑油箱油位異常下降故障樹

針對該故障樹列出了8個(gè)可能發(fā)生故障原因的底事件，并逐一排查確認(rèn)，其排查措施和結(jié)果見表1。

皮碗橡膠材料選用氟橡膠FX-4，其質(zhì)量符合GJB251A-2001標(biāo)準(zhǔn)，主要特點(diǎn):耐油、耐熱、耐腐蝕，工作溫度為-25～250℃，該材料能夠滿足發(fā)動(dòng)機(jī)使用要求。由此可排除底事件X5橡膠材料選取不合理。

表1 故障原因排查

通過對上述部位排查分析，最終確定滑油泵皮碗密封失效（底事件E112），為導(dǎo)致滑油箱油位異常下降的原因，其他底事件均可排除。將滑油泵組分解檢查，皮碗裂紋故障件如圖3所示。從圖中可見，約在3/5圓周處的皮碗密封唇口沿金屬骨架內(nèi)圈從皮碗主體斷開。

將通油孔連通增壓泵出口后直接影響了皮碗的承載壓力，該壓力與滑油供油壓力相當(dāng)，約為0.6 MPa。較大的油壓可將皮碗腰部推向軸面，并導(dǎo)致膠圈變形甚至出現(xiàn)密封失效問題。由此分析底事件X1：封嚴(yán)壓力過大為導(dǎo)致皮碗裂紋的主要因素。

員工績效評價(jià)在科研院所項(xiàng)目管理中的作用……………………………………………史 華 盛佳佳 楊 光（8.16）

圖3 皮碗裂紋故障件

2.2 滑油箱油位下降故障機(jī)理

某型發(fā)動(dòng)機(jī)滑油箱的位置高于滑油泵，當(dāng)滑油泵內(nèi)增壓泵與回油泵之間的皮碗出現(xiàn)裂紋時(shí)，在位勢差的作用下，滑油從油箱通過皮碗裂紋處流至回油泵，然后經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的附件機(jī)匣（發(fā)附機(jī)匣）的回油管流至飛機(jī)的附件機(jī)匣（飛附機(jī)匣）腔內(nèi)。飛附機(jī)匣與發(fā)附機(jī)匣的回油泵由回油管路相連，且相對于發(fā)附機(jī)匣處于較低位置，發(fā)附機(jī)匣中的滑油可經(jīng)飛附回油泵組流至飛附機(jī)匣腔內(nèi)，最終導(dǎo)致飛附機(jī)匣內(nèi)大量積油。若機(jī)務(wù)在試車前未發(fā)現(xiàn)滑油位異常下降，對滑油箱補(bǔ)加滑油的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后飛附機(jī)匣內(nèi)積油被抽回至滑油箱，油箱油位過滿導(dǎo)致大量滑油從通風(fēng)管路流向飛附機(jī)匣的油氣分離器，飛附機(jī)匣的回油泵來不及抽回油氣分離器中過多的滑油，部分滑油隨空氣從高空活門處噴出。此種故障模式下的滑油流路如圖4所示。

3.5.2 泵軸與皮碗裝配過盈量

圖4 滑油泵皮碗故障漏油流路

3 皮碗裂紋故障分析

3.1 皮碗裂紋故障樹分析

為進(jìn)一步確認(rèn)皮碗裂紋的故障原因，綜合設(shè)計(jì)、加工、裝配、使用等多方面因素，列出滑油泵組皮碗裂紋故障樹[4-6]，如圖5所示。

成果轉(zhuǎn)化服務(wù)人才隊(duì)伍建設(shè)方面存在的問題 科技成果轉(zhuǎn)化往往需要資金和市場，轉(zhuǎn)化需要包括技術(shù)研發(fā)、技術(shù)經(jīng)紀(jì)、技術(shù)市場把握、與企業(yè)溝通談判等在內(nèi)的團(tuán)隊(duì)協(xié)同工作，從目前的情況分析來看，江蘇師范大學(xué)要不斷地加大比較熟悉市場且懂得相應(yīng)技術(shù)的中介人才隊(duì)伍的建設(shè)，從而推動(dòng)學(xué)校專利成果轉(zhuǎn)化。

根據(jù)故障現(xiàn)象及故障樹，通過故障件斷口分析、設(shè)計(jì)復(fù)查、裝配工藝復(fù)查等工作，以確定故障原因。

3.2 故障件斷口分析

圖5 皮碗裂紋分析故障樹

多次故障的皮碗斷口位置相同，均為沿金屬骨架邊緣斷開，斷口處剖面如圖6所示，從圖中可見，裂紋沿金屬骨架內(nèi)邊緣并貫穿皮碗底部橡膠，在唇口邊緣無明顯磨損痕跡。

將裂紋區(qū)域放大如圖7所示，從圖中可見，斷口起源于圖中箭頭所示的皮碗彈簧槽內(nèi)壁，并整體大致沿箭頭方向擴(kuò)展，整個(gè)斷口形貌大致分為2部分，靠近彈簧槽處為斷口區(qū)域1，該區(qū)域裂紋呈粗大的棱狀分布，擴(kuò)展方向與皮碗軸向方向平行，裂紋起源于該處；遠(yuǎn)離彈簧槽處為斷口區(qū)域2，表面粗糙，有一定的斜紋，是裂紋的快速擴(kuò)展階段[7-8]。

圖6 故障皮碗斷口剖面

圖7 斷口放大

通過以上斷口分析認(rèn)為，在滑油泵組工作過程中，皮碗內(nèi)側(cè)唇口部位受力發(fā)生變形，在軸向油壓反復(fù)作用下，橡膠與鋼骨架外邊緣接觸部位萌生裂紋并逐漸擴(kuò)展斷裂。據(jù)此判斷，底事件X1皮碗封嚴(yán)壓力過大是導(dǎo)致故障可能原因之一。

3.3 橡膠材質(zhì)分析

從故障件切取皮碗橡膠進(jìn)行材質(zhì)分析，符合FX-4材料標(biāo)準(zhǔn)要求[9-10]，且膠料產(chǎn)品驗(yàn)收合格，無讓步使用情況，由此可排除底事件X10:橡膠材料不合格的因素。

3.4 故障件尺寸測量

對皮碗裂紋故障件進(jìn)行實(shí)物尺寸測量，故障件皮碗除內(nèi)徑變形無法測量外，其余尺寸均合格?；究膳懦资录7：皮碗尺寸加工超差。

對滑油泵組與皮碗存在配合關(guān)系的泵軸和級間殼體主要尺寸進(jìn)行測量，其結(jié)果均合格，由此可排除底事件X3、X8、X9的故障因素。泵軸軸端有倒角，泵軸表面經(jīng)磨削后光滑無毛刺，且皮碗安裝座端面有倒角[11]，因此皮碗與泵軸和級間殼體正常裝配時(shí)不會發(fā)生碰磨劃傷現(xiàn)象，由此可排除底事件X6。

結(jié)合斷口分析結(jié)果，皮碗唇口邊緣無明顯磨損痕跡，因此泵軸表面粗糙度低不是導(dǎo)致皮碗裂紋的原因，由此可排除底事件X2因素。

3.5 設(shè)計(jì)復(fù)查

教材中安排了學(xué)生自己動(dòng)手來完成青霉和匍枝根霉的培養(yǎng)和觀察，使學(xué)生掌握真菌的主要特征。然而，在課堂教學(xué)實(shí)踐中，學(xué)生按照教材的操作提示能看到饅頭和橘皮發(fā)霉，但由于混有雜菌，學(xué)生難以觀察到典型的青霉和匍枝根霉的形態(tài)結(jié)構(gòu)。且青霉分生孢子梗上成串的孢子容易碰落，菌絲容易斷裂，蓋蓋玻片時(shí)要特別小心，既緩慢又不能移動(dòng)位置，給教學(xué)帶來了一定的難度。本文嘗試制作青霉與匍枝根霉模型，可以讓學(xué)生觀察到清晰、完整的青霉和匍枝根霉的形態(tài)，不僅能很好地詮釋教學(xué)難點(diǎn)，還能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

（2）飛附機(jī)匣內(nèi)部大量積油；

式中，因變量Scitechemys是企業(yè)年報(bào)中披露的技術(shù)人員；Tangibility代表無形資產(chǎn)占總資產(chǎn)比例；Employee是企業(yè)年報(bào)中披露的員工數(shù)量；其他變量定義參見表2。

圖8 皮碗剖面

首先，將上述三種類型的ERA-Interim 6小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)處理成日值降水?dāng)?shù)據(jù)，并對三種類型降水?dāng)?shù)據(jù)按照年份計(jì)算其1979—2016年的總降雨量.其次，將1979—2016年全球三種類型降雨量的均值記為氣候態(tài)均值，同時(shí)采用三種類型年際降雨量總和、距平和距平百分位三個(gè)指標(biāo)，利用氣候傾向率的方法診斷三種類型降雨的絕對變化趨勢和相對變化趨勢[9].最后，采用變異系數(shù)的方法刻畫三種不同類型年際降雨量的波動(dòng)特征，該方法是衡量一組數(shù)據(jù)中各觀測值變異程度的一個(gè)統(tǒng)計(jì)量，是標(biāo)準(zhǔn)差與平均數(shù)的比值，可以避免不同地區(qū)降雨均值差異較大的影響[3].在本文中，變異系數(shù)越大，表明降雨波動(dòng)性越大；反之亦然.

國防科技工業(yè)主要是指從事武器科研裝備生產(chǎn)、研發(fā)工作的相關(guān)工業(yè)產(chǎn)業(yè)，具體包括航空、航天、核能、電子、船舶等多個(gè)部門，其對于我國國防事業(yè)的建設(shè)與發(fā)展有著直接的影響。在計(jì)劃經(jīng)濟(jì)時(shí)期，軍工企業(yè)本身所存在的競爭壓力非常之小，同時(shí)國家的資金支持力度也比較大，因而對于自身的競爭優(yōu)勢以及經(jīng)濟(jì)收益問題并不重視［1］。然而隨著市場經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，軍工企業(yè)要想生存并長期發(fā)展下去，就必須要尊重市場規(guī)律，參與到市場競爭中來，不斷提升自身的核心競爭力，而市場導(dǎo)向下的軍民融合發(fā)展策略則恰恰能夠幫助軍工企業(yè)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。因此，軍工企業(yè)的軍民融合發(fā)展，在很大程度上也是為了滿足市場經(jīng)濟(jì)環(huán)境下國防科技工業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展需求。

滑油泵皮碗裝配過盈量要求如圖9所示，按照GB/T 9877要求，φ16泵軸與皮碗過盈量為0.7～1.0 mm，但滑油泵圖紙中對泵軸與皮碗裝配過盈量未作要求，而實(shí)測裝配過盈量為1.3～1.5 mm，該過盈量偏大。由此可判斷底事件X4是導(dǎo)致裂紋的可能因素之一。

圖9 滑油泵皮碗裝配過盈量要求

3.5.3 級間殼體通油孔設(shè)計(jì)

皮碗安裝在滑油泵級間殼體上，在級間殼體的增壓泵出油區(qū)一端設(shè)計(jì)有φ1通油孔，該孔可將滑油引入皮碗密封腔，對皮碗起潤滑作用，如圖10所示。

歐陽鋒說事的時(shí)候呂凌子正拿一把水果刀漫不經(jīng)心地削蘋果，削著削著雙手就停止了動(dòng)作。若非歐陽鋒親口所說，她簡直不敢相信自己的耳朵。臉上掛滿懺悔的歐陽鋒多么希望妻子將自己痛罵一頓，罵個(gè)狗血淋頭。呂凌子緘口不語，或許是因?yàn)橄胝f的太多，反倒無話可說，她將削了一半的蘋果放在茶幾上，狠狠地將其切成數(shù)瓣。

3.5.1 皮碗設(shè)計(jì)復(fù)查

圖10 級間殼體通油孔位置

3.6 皮碗裝配工藝復(fù)查

某型發(fā)動(dòng)機(jī)滑油泵皮碗裝配工藝規(guī)程完善，并明確采用壓裝工具，裝配過程嚴(yán)格按照工藝規(guī)程執(zhí)行，可排除底事件X11、X12。裝配車間操作臺零件、工具擺放整齊、衛(wèi)生條件良好，泵軸、級間殼體以及工裝無污物[13]，裝配過程防護(hù)合理，可排除底事件X13。

4 故障機(jī)理分析

針對與故障相關(guān)的2個(gè)底事件，對皮碗裂紋故障原因具體分析如下。

當(dāng)天晚上，我便與葉靄玲見了面。約會地點(diǎn)選在了沙塘的湖心島。島是由清淤工程的污泥堆積而成，修了一條窄窄的棧橋與陸地相連。楊柳依依的岸邊，我與葉靄玲難以免俗地接了吻。沒有預(yù)料之中的那種激動(dòng)，葉靄玲的反應(yīng)好像也帶點(diǎn)兒表演性質(zhì)。我不由得有點(diǎn)兒泄氣，白天見到白麗筠的情形不由自主地浮現(xiàn)在眼前。

（1）皮碗封嚴(yán)壓力過大。由于通油孔與滑油增壓泵出口相連，導(dǎo)致滑油泵工作過程中皮碗承受的壓力過大，油壓將皮碗腰部推向軸面并產(chǎn)生嚴(yán)重變形，同時(shí)使皮碗與泵軸的接觸寬度和摩擦力增大，在彈簧槽內(nèi)側(cè)骨架邊緣應(yīng)力集中并逐步產(chǎn)生微裂紋[14-15]，最終形成貫穿性裂紋，進(jìn)而發(fā)生停車后漏油故障。因此，通油孔設(shè)計(jì)位置不合理導(dǎo)致皮碗承受油壓過大是引起該故障發(fā)生的主要原因。

利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)分析HIF-1α在胃癌中的預(yù)后意義…………………………………孫美濤，自加吉，陳 瑩，嚴(yán)長寶，戴莉萍，余 敏，熊 偉（32）

（2）唇口過盈量不合理。皮碗唇口與泵軸之間的實(shí)際過盈量為1.3～1.5 mm，相比GB/T 9877標(biāo)準(zhǔn)推薦值偏大。較大的過盈量會使皮碗安裝抱軸力增大，摩擦力也會增大[16]，從而促進(jìn)了裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展。

5 改進(jìn)措施及驗(yàn)證

針對故障原因及復(fù)查問題，制定排故措施如下：

T0時(shí)刻：根據(jù)風(fēng)力、光伏的出力預(yù)測，冷熱電等負(fù)荷需求預(yù)測，外部電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)、電力市場價(jià)格機(jī)制等，做出下一步的生產(chǎn)調(diào)度計(jì)劃。

（1）泄壓孔更改位置如圖11所示，從圖中可見，通過更改級間殼體通油孔位置，將該孔設(shè)計(jì)在增壓泵進(jìn)油區(qū)，從而降低皮碗承載壓力。

（2）增加皮碗安裝過盈量要求“裝配彈簧后，皮碗與軸的過盈量為0.7～1.0 mm”。

圖11 泄壓孔更改位置

（3）為進(jìn)一步提高滑油泵可靠性，將泵軸與皮碗配合處表面粗糙度Ra由1.6提高至 0.6。

將改進(jìn)后滑油泵換裝至多臺發(fā)動(dòng)機(jī)上，經(jīng)過大量的廠內(nèi)臺架試車驗(yàn)證以及外場試飛驗(yàn)證，均未再出現(xiàn)此類故障問題，證明這些改進(jìn)措施正確有效。

6 結(jié)束語

詳細(xì)分析了某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)滑油位異常下降的故障機(jī)理和皮碗裂紋的故障原因，并制定改進(jìn)措施，為避免此類故障再次發(fā)生，給出滑油泵皮碗密封設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及建議如下：

（1）在設(shè)計(jì)航空滑油泵時(shí)，可通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)來降低皮碗的承載油壓，有利于延長密封結(jié)構(gòu)件的壽命；

（2）要注意合理選取皮碗唇口與泵軸過盈量。過盈量大會增大箍緊力和摩擦力，加速皮碗唇口的磨損以及腰部的疲勞裂紋的產(chǎn)生；過盈量偏小則會因徑向壓力小而降低密封性；

（3）注重提高泵軸表面加工質(zhì)量，軸的表面粗糙度過大會加速皮碗唇口磨損，適當(dāng)?shù)拇植诙饶軌蚋纳泼芊庑阅芎吞岣呤褂脡勖?/p>

（4）影響皮碗使用壽命的因素很多，要從設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、裝配等多因素考慮，才能提高其密封性能和延長使用壽命，因此將設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及考慮因素納入航空滑油泵設(shè)計(jì)規(guī)范是避免類似故障再次發(fā)生的有效方法。

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