某型發(fā)動機附件機匣固定問題探討

吳有元 趙虎 任超玉 王錦邦 梁江波

摘要：某型發(fā)動機由于中央傳動桿花鍵齒面磨損，導(dǎo)致滑油光譜金屬（鐵）含量超標(biāo)故障頻發(fā)，嚴(yán)重影響試車合格率。因此，從故障現(xiàn)象上分析了中央傳動桿花鍵副磨損特征，從結(jié)構(gòu)形式上分析和查找，提出下吊耳組件的固定問題是造成附件機匣微動的重要因素，對此制定解決方案并進(jìn)行了試驗驗證，最終順利排除了該故障。

關(guān)鍵詞：金屬含量;花鍵副;微動磨損;下吊耳組件;精密螺栓

某型發(fā)動機是我國自行研制的軍用雙轉(zhuǎn)子加力式渦輪風(fēng)扇發(fā)動機，主要裝備于國產(chǎn)第三代高性能戰(zhàn)斗機。該型發(fā)動機大量服役后，滑油光譜金屬含量超標(biāo)故障頻發(fā)。對發(fā)動機進(jìn)行分解檢查，發(fā)現(xiàn)該故障主要是由發(fā)動機附件機匣內(nèi)的齒輪、軸承襯套磨損引起的。為解決滑油光譜金屬含量超標(biāo)故障，設(shè)計單位曾在齒輪、軸承襯套的材料變更等方面進(jìn)行了上百次更改，執(zhí)行更改后，外場滑油光譜金屬（鐵、鋁）含量超標(biāo)故障得到控制。但近期在廠內(nèi)進(jìn)行試車時，發(fā)現(xiàn)該型發(fā)動機滑油光譜金屬（鐵）含量超標(biāo)故障再次頻發(fā)，嚴(yán)重影響試車合格率。

1故障現(xiàn)象及結(jié)構(gòu)分析

1.1故障現(xiàn)象

針對近期廠內(nèi)試車發(fā)動機滑油光譜金屬含量超標(biāo)故障，分解檢查發(fā)動機附件機匣，發(fā)現(xiàn)中央傳動桿花鍵齒面磨損（見圖1），齒面有明顯的壓陷，深度約0.2mm;靠附件機匣一側(cè)花鍵副接觸表面及周圍產(chǎn)生大量的微小氧化物磨損粉末（見圖2）。

統(tǒng)計近期該故障的檢查情況，發(fā)現(xiàn)該故障現(xiàn)象集中表現(xiàn)為中央傳動桿花鍵副磨損，磨損花鍵齒為靠附件機匣一側(cè)。檢查發(fā)現(xiàn)8件中央傳動桿花鍵副磨損，其中4件中央傳動桿花鍵齒因磨損嚴(yán)重報廢，與其配合的3件中心傳動主動錐齒輪內(nèi)花鍵齒因磨損嚴(yán)重報廢。

1.2結(jié)構(gòu)分析

中央傳動桿位于中介機匣支板內(nèi)腔，傳動桿兩端均為外花鍵，分別與中央傳動從動錐齒輪內(nèi)花鍵和中心傳動主動錐齒輪內(nèi)花鍵配合（圖3）。發(fā)動機工作時，高壓轉(zhuǎn)子軸通過一對裝在中央傳動齒輪箱內(nèi)的中央傳動主動錐齒輪及與從動錐齒輪配合的中央傳動桿，將動力傳遞給附件機匣內(nèi)的一對中心傳動錐齒輪及一系列齒輪軸，最終帶動各附件工作。該中央傳動桿通過花鍵副在發(fā)動機中央齒輪箱與附件機匣間傳遞扭矩，花鍵副之間相對靜止。

顯然，中央傳動桿兩端的錐齒輪沒有裝配在一個機匣內(nèi)，因而很難保證兩個錐齒輪上內(nèi)花鍵之間的同軸度，因此設(shè)計時在兩對花鍵的配合位置均留有較大的間隙，使中央傳動桿處于浮動狀態(tài)，提高傳動桿對兩個錐齒輪內(nèi)花鍵同軸度狀況的適應(yīng)性。

附件機匣位于中介機匣上方，靠4點定位固定在發(fā)動機上（見圖4），即與中介機匣后安裝邊連接的①、②兩個下吊耳組件，中介機匣支板接口處的止口③，以及附件機匣前端蓋與中介機匣前安裝邊上的中間支架④。4點定位增大了定位面，防止附件機匣在工作中擺動。

2問題調(diào)查

故障中央傳動桿靠附件機匣一側(cè)花鍵副接觸表面及周圍產(chǎn)生大量的微小氧化物磨損粉末，根據(jù)微動磨損的相關(guān)理論和研究，該磨損符合微動磨損特征，說明花鍵副之間有小振幅的相對振動，花鍵副接觸部位有外界強加的微動。

中央傳動桿花鍵齒磨損，屬于微動磨損特征，磨損的方向主要是附件機匣一側(cè)，說明附件機匣在工作過程中產(chǎn)生了擺動，中央傳動桿花鍵副對中和附件機匣固定存在問題。

2.1中央傳動桿花鍵副對中問題

從結(jié)構(gòu)分析中可以看出，固定支點④對花鍵副對中有一定影響。檢查調(diào)整固定支點④下的調(diào)整墊圈，在極限安裝情況下，調(diào)整墊圈厚度的變化范圍為0.1mm，這個變化范圍與固定支點③處的間隙即中介機匣支板內(nèi)孔與附件機匣止口外徑的配合有關(guān)，目前該間隙已經(jīng)進(jìn)行過縮小更改，對花鍵角偏斜量的影響可以忽略。

2.2附件機匣固定存在問題

從結(jié)構(gòu)分析中可以看出，固定支點③④對花鍵角偏斜量有一定影響，經(jīng)分析和驗證排除了該因素。

進(jìn)一步檢查固定支點①②發(fā)現(xiàn)，固定下吊耳組件的03型精密螺栓光桿部位露出中介機匣安裝邊的長度多數(shù)不足1mm，下吊耳組件螺栓孔邊有0.5×45°倒角，下吊耳組件裝配后，光孔與精密螺栓光桿配合長度不足0.5mm，配合部位基本為螺紋段（見圖5），結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性存在不足。

3問題驗證

下吊耳組件光孔與精密螺栓光桿配合長度不足，是導(dǎo)致中央傳動桿花鍵副磨損以致滑油光譜金屬含量超標(biāo)故障的原因，需要進(jìn)行試驗證明。在征得設(shè)計部門的同意后，開展了驗證工作。

3.1驗證方案

為了解決下吊耳組件光孔與螺栓光桿配合長度不足的問題，擬用與裝配位置一致的精密螺栓04型代替03型使用，但前者光桿長度為17.2mm，比16mm的光孔總長度長，需要將光孔長度增加2mm，以保證螺栓能被拉緊。為此從該型發(fā)動機裝機墊圈中挑選厚度2.6mm、內(nèi)徑φ7mm、外徑φ10mm的01型墊圈，進(jìn)行配裝。

最終確定的驗證方案為：對試車后發(fā)生中央傳動桿花鍵磨損或滑油光譜金屬含量超標(biāo)的發(fā)動機，裝配左、右下吊耳組件時將03型精密螺栓更換為04型精密螺栓，并匹配01型墊圈以保證螺母擰緊到位（見圖6）。

3.2前期驗證

根據(jù)04型精密螺栓數(shù)量決定在6臺故障發(fā)動機上進(jìn)行前期驗證，安裝驗證情況見表1。

5號附件機匣更換04型精密螺栓固定后，振動值從試車表現(xiàn)上差別不大，但光譜鐵含量降低程度非常明顯，對比結(jié)果見圖7、圖8。

6號附件機匣更換04型精密螺栓固定后，振動值、光譜鐵含量均降低明顯，對比結(jié)果見圖9、圖10。

從6臺發(fā)動機的驗證情況來看，附件機匣下吊耳組件固定螺栓的改變，對發(fā)動機滑油光譜金屬含量及附件機匣振動有一定的影響。其中，3臺發(fā)動機試車合格，1臺發(fā)動機附件機匣振動增大，1臺發(fā)動機附件機匣振動降低，2臺發(fā)動機滑油光譜金屬含量超標(biāo)。

4問題驗證分析和再驗證

4.1分析

從表1結(jié)果來看，第2、4項不合格或與精密螺栓的數(shù)量和擰緊力矩有關(guān)，驗證時對精密螺栓的安裝數(shù)量和擰緊力矩沒有統(tǒng)一的規(guī)定和要求。而第2、5、6項驗證情況表明，發(fā)動機附件機匣的固定問題，是導(dǎo)致附件機匣零組件磨損的原因之一，但由于試驗樣本數(shù)少，尚不能給出決定性的結(jié)論。

4.2再驗證

為落實問題，通過安裝8根04型精密螺栓固定下吊耳組件，并使用04型精密螺栓擰緊力矩，對7臺發(fā)動機進(jìn)行廠內(nèi)試車驗證，驗證情況見表2。

5問題驗證結(jié)論

通過分兩個階段，前后進(jìn)行了13臺次的試車驗證，驗證結(jié)果顯示涉及的10臺附件機匣均已試車合格，滑油光譜金屬含量超標(biāo)故障得到有效遏制。這說明發(fā)動機滑油光譜金屬含量超標(biāo)故障主要由發(fā)動機附件機匣故障引起，附件機匣故障的原因主要是齒輪、軸承襯套及花鍵副磨損。中央傳動桿花鍵副磨損，會引起發(fā)動機滑油光譜金屬含量超標(biāo)故障。中央傳動桿花鍵副磨損的重要因素為附件機匣下吊耳組件的固定方式剛性不足，工作中易引起機匣微動，即故障模式是微動磨損。

后續(xù)又使用04型精密螺栓固定下吊耳組件進(jìn)行了20臺次的試車，均未出現(xiàn)中央傳動桿花鍵副磨損和滑油光譜金屬含量超標(biāo)故障。

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