燃油增壓泵燃油潤(rùn)滑油摻混故障的分析

□ 楊紅英

西安航空動(dòng)力控制科技有限公司 西安 710077

1 故障現(xiàn)象

某燃油增壓泵隨發(fā)動(dòng)機(jī)在部隊(duì)及發(fā)動(dòng)機(jī)廠試飛、試車過(guò)程中,十多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)合漏油收集器有大量油液漏出,現(xiàn)場(chǎng)判斷為燃油潤(rùn)滑油摻混。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步排查,確定燃油增壓泵發(fā)生漏油故障,產(chǎn)品返回承制廠檢查分析。

2 故障定位

按燃油增壓泵出廠前的要求檢查密封性,漏油量均合格。模擬發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際試車轉(zhuǎn)速,對(duì)燃油增壓泵進(jìn)行燃油常溫密封性檢查,漏油量全部合格。模擬發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際試車轉(zhuǎn)速下的80～90 ℃燃油溫度條件,對(duì)燃油增壓泵進(jìn)行高溫燃油漏油量檢查,漏油量超標(biāo),檢查結(jié)果見(jiàn)表1。當(dāng)燃油溫度下降到55 ℃以下時(shí),漏油現(xiàn)象消失。

由以上檢查結(jié)果可知,燃油增壓泵在常溫下漏油量合格,高溫條件下漏油量不合格,說(shuō)明在高溫條件下出現(xiàn)故障,后續(xù)將主要針對(duì)高溫條件展開(kāi)故障排查和分析。

3 機(jī)械密封結(jié)構(gòu)分析

機(jī)械密封作為泵類產(chǎn)品的常用密封方式,容易出現(xiàn)故障。燃油增壓泵機(jī)械密封組件由彈簧片、石墨環(huán)、前動(dòng)環(huán)、后動(dòng)環(huán)、靜環(huán)座等組成,如圖1所示。燃油增壓泵有左右兩個(gè)機(jī)械密封組件,左機(jī)械密封組件密封燃油,右機(jī)械密封組件密封潤(rùn)滑油系統(tǒng)的油霧和噴射潤(rùn)滑軸承的潤(rùn)滑油。

表1 高溫燃油漏油量檢查結(jié)果

▲圖1 機(jī)械密封組件結(jié)構(gòu)

機(jī)械密封原理如圖2所示。采用機(jī)械密封,在動(dòng)環(huán)和石墨環(huán)光潔密封面上作用一個(gè)預(yù)緊合力Fr,使密封面油膜壓力在d1處與環(huán)境壓力保持一致[1]。在油液壓力保持不變的情況下,預(yù)緊合力Fr越大,密封效果越好,但油膜的厚度也就越薄,密封面的磨損也就越快[2]。設(shè)計(jì)過(guò)程中,根據(jù)油液的壓力和動(dòng)、靜環(huán)的材料,以及轉(zhuǎn)動(dòng)線速度的大小綜合考慮機(jī)械密封的工作能力值,進(jìn)而確定預(yù)緊合力Fr。

▲圖2 機(jī)械密封原理

機(jī)械密封中向左的力包括彈簧力Ft、介質(zhì)壓力所產(chǎn)生的作用力Fp、石墨環(huán)對(duì)動(dòng)環(huán)端面的最終預(yù)緊合力Fr,向右的力包括油膜反力Fm、摩擦力Ff,Ff在正常情況幾乎為零[3]。

所以預(yù)緊合力Fr為:

Fr=Ft+Fp-Fm-Ff

(1)

機(jī)械密封的密封面壓力分布如圖3所示。通常情況下,機(jī)械密封最典型的故障是密封面磨損,導(dǎo)致油膜壓力分布為圖3中④號(hào)線,引起漏油。在動(dòng)環(huán)、石墨環(huán)密封面沒(méi)有磨損的情況下,機(jī)械密封失效最可能的原因是預(yù)緊合力Fr減小。密封面的油膜壓力分布會(huì)從正常情況下的①號(hào)線向②號(hào)線、③號(hào)線、④號(hào)線發(fā)展,油膜反力Fm增大,預(yù)緊合力Fr減小,當(dāng)預(yù)緊合力Fr減小,密封面的油膜壓力分布為④號(hào)線時(shí),密封面失效。油膜反力Fm增大,預(yù)緊合力Fr減小至零,繼續(xù)發(fā)展到預(yù)緊合力Fr方向向右時(shí),石墨環(huán)和動(dòng)環(huán)的接合面將被推開(kāi)一個(gè)細(xì)小的縫隙,漏油量急劇增大[4]。

4 故障樹(shù)分析

故障樹(shù)分析如圖4所示。按照故障樹(shù)分析路徑對(duì)故障燃油增壓泵進(jìn)行排查,排查結(jié)果發(fā)現(xiàn),石墨環(huán)和靜環(huán)座的間隙偏小與本次故障的相關(guān)性無(wú)法排除,相關(guān)測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表2、表3。

▲圖3 機(jī)械密封密封面壓力分布

石墨環(huán)和靜環(huán)座的間隙為0.02～0.062 mm,由于靜環(huán)座線膨脹系數(shù)大于石墨環(huán)線膨脹系數(shù),因此燃油溫度升高時(shí),石墨環(huán)內(nèi)徑與靜環(huán)座外徑會(huì)由初始的間隙配合變?yōu)檫^(guò)盈配合[5]。經(jīng)理論計(jì)算可得,當(dāng)燃油溫度升高至80 ℃時(shí),石墨環(huán)內(nèi)徑與靜環(huán)座外徑可能存在過(guò)盈配合,且溫度越高,配合間隙越小,過(guò)盈量越大,詳細(xì)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

5 高溫漏油分析

漏油故障大多發(fā)生在發(fā)動(dòng)機(jī)慢車至節(jié)流狀態(tài),主泵調(diào)節(jié)器大量回油,燃油系統(tǒng)燃油溫度快速升高,實(shí)測(cè)燃油增壓泵出口燃油溫度為70～80 ℃。

▲圖4 故障樹(shù)分析

表2 故障件1石墨環(huán)與靜環(huán)座間隙測(cè)量結(jié)果

表3 故障件2石墨環(huán)與靜環(huán)座間隙測(cè)量結(jié)果

表4 石墨環(huán)與靜環(huán)座間隙計(jì)算結(jié)果

當(dāng)燃油增壓泵石墨環(huán)內(nèi)徑與靜環(huán)座外徑間隙偏下限值時(shí),高的燃油溫度使石墨環(huán)與靜環(huán)座間隙變小,摩擦力Ff增大,預(yù)緊合力Fr減小,密封面的油膜壓力分布會(huì)從①號(hào)線向②號(hào)線、③號(hào)線、④號(hào)線發(fā)展。當(dāng)預(yù)緊合力Fr減小至臨界點(diǎn)時(shí),密封面就會(huì)失效,產(chǎn)生漏油。預(yù)緊合力Fr繼續(xù)減小,密封面油膜的壓力梯度會(huì)繼續(xù)變緩,漏油量會(huì)繼續(xù)增大[6]。由熱狀態(tài)間隙理論計(jì)算可知,當(dāng)石墨環(huán)內(nèi)徑和靜環(huán)座外徑間隙為下限0.02 mm,燃油溫度為80℃時(shí),間隙配合會(huì)變?yōu)檫^(guò)盈配合,石墨環(huán)和靜環(huán)座出現(xiàn)卡滯,引起燃油泄漏故障。

6 故障復(fù)現(xiàn)

6.1 復(fù)現(xiàn)情況

根據(jù)高溫漏油分析結(jié)果,對(duì)石墨環(huán)內(nèi)徑和靜環(huán)座外徑的間隙為0.022～0.03 mm的燃油增壓泵進(jìn)行高溫燃油漏油量檢查,漏油量超標(biāo),故障復(fù)現(xiàn)。

為驗(yàn)證燃油高溫時(shí)石墨環(huán)與靜環(huán)座間隙對(duì)漏油量的影響,將一臺(tái)已出現(xiàn)故障的燃油增壓泵石墨環(huán)內(nèi)徑補(bǔ)充加工至公差中限25.008～25.013 mm,將另一臺(tái)已出現(xiàn)故障的燃油增壓泵石墨環(huán)內(nèi)徑加工至公差上限25.014～25.02 mm,分別進(jìn)行常溫,以及50 ℃、70 ℃、80 ℃、110 ℃高溫狀態(tài)下密封性檢查,泄漏量合格。通過(guò)試驗(yàn)確認(rèn),石墨環(huán)與靜環(huán)座間隙在設(shè)計(jì)要求的公差中限及以上時(shí),常溫、高溫密封性均合格。

通過(guò)以上驗(yàn)證,說(shuō)明石墨環(huán)與靜環(huán)座間隙偏小是高溫漏油量超標(biāo)的直接原因。

6.2 故障范圍確定

測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)其它燃油增壓泵的石墨環(huán)內(nèi)徑及靜環(huán)座外徑,與故障燃油增壓泵進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果顯示,故障燃油增壓泵石墨環(huán)內(nèi)徑基本分布在公差下限,其它燃油增壓泵石墨環(huán)內(nèi)徑分布在公差中限或中上限,靜環(huán)座外徑基本分布在公差中上限。測(cè)量結(jié)果如圖5、圖6所示。

6.3 石墨環(huán)復(fù)查

▲圖5 石墨環(huán)內(nèi)徑測(cè)量結(jié)果▲圖6 靜環(huán)座外徑測(cè)量結(jié)果

6.4 靜環(huán)座復(fù)查

6.5 復(fù)查結(jié)論

通過(guò)對(duì)故障燃油增壓泵、現(xiàn)場(chǎng)燃油增壓泵、庫(kù)存零件的測(cè)量對(duì)比,確認(rèn)本次故障主要集中于15-1批次,共145件石墨環(huán)對(duì)應(yīng)的燃油增壓泵,且15-1批次石墨環(huán)內(nèi)徑尺寸基本分布在公差下限,其它批次石墨環(huán)尺寸基本分布在公差中限或中上限。15-1批次石墨環(huán)內(nèi)徑尺寸偏公差下限的原因是石墨環(huán)加工過(guò)程中石墨粉塵污染,引起測(cè)量工具三爪內(nèi)徑千分尺限力旋鈕力矩增大,導(dǎo)致測(cè)量值相比實(shí)際值偏大。

▲圖7 石墨環(huán)內(nèi)徑尺寸復(fù)查結(jié)果

▲圖8 靜環(huán)座外徑復(fù)查結(jié)果

另一方面,石墨材料本身較軟,所以直接接觸式測(cè)量不適用。

7 燃油潤(rùn)滑油摻混原因

當(dāng)燃油端和潤(rùn)滑油端機(jī)械密封同時(shí)失效時(shí),泄漏的燃油會(huì)通過(guò)潤(rùn)滑油端機(jī)械密封進(jìn)入潤(rùn)滑油系統(tǒng)。但是,經(jīng)過(guò)多臺(tái)故障燃油增壓泵的試驗(yàn)驗(yàn)證,潤(rùn)滑油端機(jī)械密封工作正常,排除燃油從潤(rùn)滑油端機(jī)械密封進(jìn)入潤(rùn)滑油系統(tǒng)的可能性。

于是針對(duì)燃油潤(rùn)滑油摻混故障,從發(fā)動(dòng)機(jī)漏油系統(tǒng)進(jìn)行整體分析。發(fā)動(dòng)機(jī)漏油系統(tǒng)管道連接情況如圖9所示。

發(fā)動(dòng)機(jī)漏油系統(tǒng)的聯(lián)合漏油收集器共連接三條漏油管道,1號(hào)管道收集燃油增壓泵、噴口油源泵、主燃油泵調(diào)節(jié)器的漏油,2號(hào)管道收集高壓作動(dòng)筒、轉(zhuǎn)換活門(mén)的漏油,3號(hào)管道單獨(dú)收集加力泵的漏油[7]。其中,在1號(hào)管道上,燃油增壓泵與噴口油源泵交匯于A點(diǎn),燃油增壓泵與主燃油泵調(diào)節(jié)器交匯于B點(diǎn)。

通過(guò)對(duì)漏油管道分析,當(dāng)燃油增壓泵燃油泄漏量較小時(shí),可通過(guò)聯(lián)合漏油收集器直接漏出。當(dāng)燃油增壓泵燃油泄漏量較大時(shí),泄漏的燃油可能通過(guò)主泵或噴口油源泵的漏油管道返流到發(fā)附機(jī)匣安裝座,通過(guò)皮碗密封結(jié)構(gòu)進(jìn)入潤(rùn)滑油系統(tǒng),發(fā)生燃油潤(rùn)滑油摻混,如圖10所示。

通過(guò)檢查、分析和試驗(yàn)驗(yàn)證,確定燃油增壓泵漏油故障原因?yàn)殪o環(huán)座與石墨環(huán)間隙偏小,工作條件下石墨環(huán)與靜環(huán)座的摩擦力增大,石墨環(huán)與動(dòng)環(huán)壓緊力減小,密封失效,造成燃油增壓泵漏油量超標(biāo)。

靜環(huán)座與石墨環(huán)間隙偏小的原因是石墨環(huán)內(nèi)徑尺寸偏小。石墨環(huán)加工過(guò)程中,石墨粉塵污染引起三爪內(nèi)徑千分尺限力旋鈕力矩增大,導(dǎo)致測(cè)量值相比實(shí)際值偏大。

▲圖9 發(fā)動(dòng)機(jī)漏油系統(tǒng)管道連接

▲圖10 燃油潤(rùn)滑油摻混示意圖

8 改進(jìn)措施

通過(guò)以上故障排查、原因分析和試驗(yàn)驗(yàn)證,燃油增壓泵靜環(huán)座與石墨環(huán)間隙偏小是燃油潤(rùn)滑油摻混故障的根本原因,所以增大靜環(huán)座與石墨環(huán)的間隙,并改進(jìn)測(cè)量方法,改用氣動(dòng)量?jī)x,可以從根本上杜絕故障。同時(shí)舉一反三,開(kāi)展石墨類零件復(fù)查,對(duì)11項(xiàng)石墨類零件的測(cè)量方法進(jìn)行了改進(jìn)。對(duì)識(shí)別出的安裝15-1批次145件石墨環(huán)的燃油增壓泵全部追回,實(shí)施改進(jìn)措施。

通過(guò)外場(chǎng)跟蹤,實(shí)施改進(jìn)措施后未再出現(xiàn)燃油潤(rùn)滑油摻混故障,本次故障定位準(zhǔn)確,原理清楚,改進(jìn)措施有效,舉一反三到位,故障得到徹底解決[8]。

9 結(jié)束語(yǔ)

燃油增壓泵是發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油增壓附件,在發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)中起向整個(gè)燃油系統(tǒng)增壓的作用[9]。機(jī)械密封作為泵類產(chǎn)品的常用密封方式,容易出現(xiàn)故障,故障模式通常為機(jī)械密封失效導(dǎo)致漏油,燃油潤(rùn)滑油摻混故障是漏油故障的一種[10]。筆者分析了燃油潤(rùn)滑油摻混故障的原因、燃油漏油量超標(biāo)的原因,通過(guò)故障再現(xiàn)試驗(yàn),驗(yàn)證了故障結(jié)論,提出了排除故障的方法和改進(jìn)措施,同時(shí)為燃油增壓泵同類故障的分析和處理提供了參考。