某型發(fā)動機燃油泵尾軸花鍵套異常磨損分析與預(yù)防

趙靜云，顧雪波，江建東

（1.中國航發(fā)西控科技，陜西 西安，710077；2.空裝駐南昌地區(qū)軍事代表室，江西 南昌，330024）

0 引言

漸開線花鍵副因其具有承載力高、定心性能好，結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點，在現(xiàn)代航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)用廣泛。在實際工作過程中，航空漸開線花鍵由于受載形式特殊，工作環(huán)境苛刻，在交變載荷和振動作用下工作[1]，導(dǎo)致其對聯(lián)接可靠性要求高，一旦出現(xiàn)問題，會降低航空傳動系統(tǒng)的可靠性。某型發(fā)動機燃油泵在使用中，發(fā)生了因尾軸花鍵套嚴(yán)重磨損，傳動失效，導(dǎo)致發(fā)動機非正常停車故障。針對此故障，本文從該型燃油泵花鍵副結(jié)構(gòu)特點、受力分析、故障件形貌分析等方面著手，定位故障原因并制定了相應(yīng)預(yù)防措施。

1 問題描述

某型渦扇發(fā)動機在最大狀態(tài)工作11 秒時，自動停車，操縱人員隨即收發(fā)動機油門手柄至停車位置。對飛機、發(fā)動機檢查無異常，檢查燃油泵時，發(fā)現(xiàn)其尾軸花鍵套與主動齒輪傳動失效。

對該型燃油泵進(jìn)行檢查時發(fā)現(xiàn)：

1）花鍵套已偏離正常位置，往燃油泵側(cè)方向移動了約2.5mm，擋圈從擋圈槽內(nèi)脫出，移到了主動齒輪花鍵齒齒頂部，花鍵套內(nèi)花鍵與主動齒輪外花鍵嚙合區(qū)向泵側(cè)移到了距離擋圈槽約2.5mm 的區(qū)域（具體見圖1 和圖2）；

圖1 尾軸花鍵套正常裝配位置

圖2 花鍵套異常裝配位置示意

2）花鍵套內(nèi)花鍵齒已基本磨平，外花鍵齒側(cè)嚴(yán)重磨損（見圖3～圖4）；主動齒輪與內(nèi)花鍵嚙合的外花鍵工作面嚴(yán)重磨損，齒頂端面磨損翻邊，部分齒在靠近擋圈槽附近被磨掉（見圖5）。

圖3 花鍵套外花鍵磨損形貌

圖4 花鍵套內(nèi)花鍵磨損形貌

圖5 主動齒輪外花鍵部分齒斷裂或磨損

2 問題分析

2.1 結(jié)構(gòu)特點

在航空動力傳輸系統(tǒng)中，按工作狀態(tài)，花鍵副可分為固定式和浮動式兩種。固定式花鍵副的兩個零件在軸向相對固定不動，以便傳遞兩個零件的轉(zhuǎn)矩。在這種情況下，零件靠圓柱形配合表面定心，并用專用的螺母通過壓板將一個零件的端面壓緊到另一個零件的臺肩上。浮動式花鍵副在傳遞轉(zhuǎn)矩的同時，允許一個零件相對另一個零件有一定的角向和軸向位移。此時須采用齒側(cè)定心，花鍵副應(yīng)具有一定的齒側(cè)間隙，以便花鍵端部在所要求的角向位移內(nèi)不被卡住。浮動式花鍵副的許用擠壓應(yīng)力明顯小于固定式花鍵副的許用擠壓應(yīng)力[1]。

該型發(fā)動機附件傳動系統(tǒng)裝在分流機匣中，其中燃油泵通過安裝座與分流機匣連接，由分流機匣下水平齒輪帶動燃油泵主動齒輪轉(zhuǎn)動。尾軸花鍵套裝配于燃油泵主動齒輪傳動軸花鍵和發(fā)動機下水平齒輪軸內(nèi)花鍵之間（見圖6），屬于典型的浮動式結(jié)構(gòu)。

圖6 燃油泵安裝示意圖

燃油泵傳動副結(jié)構(gòu)由尾軸花鍵套、主動齒輪軸、擋圈組成。正常情況下，擋圈浮動在花鍵套內(nèi)側(cè)擋圈槽和主動齒輪外花鍵擋圈槽之間，起軸向定位作用，保證尾軸花鍵套與主動齒輪軸的相對位置，具體見圖7。

圖7 主動齒輪與花鍵套/卡圈安裝示意圖

2.2 受力分析

花鍵副是相互聯(lián)結(jié)的同軸偶件，所以對于無誤差的花鍵聯(lián)結(jié)，在其無載荷狀態(tài)時（不計自重，下同），內(nèi)花鍵各齒槽的中心線（或?qū)ΨQ面）與外花鍵各鍵齒的中心線（或?qū)ΨQ面）是重合的；對無誤差的花鍵聯(lián)結(jié)，在其只傳遞轉(zhuǎn)矩T 而無壓軸力F 時，一側(cè)的各齒面在轉(zhuǎn)矩的作用下，彼此接觸、側(cè)隙相等，內(nèi)花鍵與外花鍵的兩軸線仍是同軸的，所有鍵齒傳遞轉(zhuǎn)矩，承受同樣大小的載荷[1]。

然而在實際工作中，由于發(fā)動機齒輪軸軸線和燃油泵主動齒輪軸線不完全同心，花鍵齒套在花鍵軸線長度上有一定的偏斜角，這使得每個垂直于軸線方向上的截面處的尾軸花鍵和主動齒輪軸之間的偏心量e 不同，不同的偏心量造成不同截面上尾軸花鍵套受到的壓軸力不同（見圖8、圖9），沿軸線不均勻的壓軸力分布造成該花鍵套在工作時除受到扭矩T、壓軸力F 作用外，在軸線方向還受到一個軸線的側(cè)向力，這也是要設(shè)置軸向防脫出擋圈的一個原因。

圖8 無側(cè)向壓軸力示意圖

圖9 有側(cè)向壓軸力示意圖

在正常時，當(dāng)各零組件及裝配均符合設(shè)計要求時，各個零組件均能滿足使用要求，但是有一個發(fā)生變化不滿足要求時，會造成花鍵聯(lián)接副受到異常的磨損，而該磨損會進(jìn)一步加劇花鍵套的偏移，繼續(xù)惡化該花鍵副的工作狀態(tài)，最終導(dǎo)致花鍵副傳動失效。

2.3 原因查找

根據(jù)上述分析，在發(fā)動機工作過程中，尾軸花鍵套在工作過程中受到很小的軸向力，此時設(shè)置了防止尾軸花鍵套軸向竄動的擋圈，因此尾軸花鍵套在工作時不會發(fā)生軸向位移，要使擋圈產(chǎn)生朝向燃油泵方向明顯的竄動必然是花鍵套受到了異常軸向力或者初始時該擋圈的軸向止擋力不足，因此需要從這兩方面進(jìn)行原因查找。

復(fù)查此燃油泵修理過程，在產(chǎn)品大修時，檢查帶擋圈的花鍵套在主動齒輪軸上的拆卸力合格，說明擋圈的軸向限位功能正常，且花鍵套、擋圈、主動齒輪軸均處于正常位置，可以排除燃油泵修理過程中發(fā)生花鍵套竄動問題。

燃油泵安裝時，由于安裝空間限制，視線被遮擋，花鍵套外花鍵與下水平齒輪軸內(nèi)花鍵安裝對位依靠人工經(jīng)驗，無法目視檢查裝配位置的正確性，這時有可能使花鍵套外花鍵與下水平齒輪軸內(nèi)花鍵發(fā)生碰撞或擠壓，進(jìn)而使花鍵套帶動擋圈產(chǎn)生軸向竄動，偏離正常的設(shè)計位置。

2.4 故障機理

正常情況下，燃油泵擋圈浮動在尾軸花鍵套內(nèi)側(cè)擋圈槽和主動齒輪外花鍵擋圈槽之間，起軸向定位作用，防止花鍵套軸向竄動，此時，尾軸花鍵套與封嚴(yán)皮碗殼體端面留有一定的間隙δ（見圖10）。

圖10 尾軸花鍵套正常裝配位置

由于尾軸花鍵套與封嚴(yán)皮碗殼體本身存在間隙，當(dāng)尾軸花鍵套在燃油泵安裝中受到異常碰撞后，尾軸花鍵套帶著擋圈一起朝向封嚴(yán)皮碗殼體端移動，最終導(dǎo)致?lián)跞γ摮鲋鲃育X輪軸擋圈槽并騎上主動齒輪外花鍵齒頂圓上（見圖11）。

圖11 尾軸花鍵套非正常裝配位置

當(dāng)擋圈脫出主動齒輪軸擋圈槽并騎上主動齒輪外花鍵齒頂圓上時，由于擋圈限制，尾軸花鍵套擋圈槽附近花鍵與主動齒輪的徑向活動量變小，此時過小的徑向活動量會導(dǎo)致部分花鍵齒與擋圈固死，從而使花鍵套對中補償作用減弱或消除。這種情況下，尾軸花鍵套內(nèi)花鍵嚙合也可能由齒側(cè)定心變?yōu)辇X頂定心，使花鍵套擋圈位置成為中心點，花鍵套與主動齒輪的徑向活動和軸向活動均受限，使遠(yuǎn)離擋圈槽端的花鍵相對徑向擾動幅度增大，導(dǎo)致遠(yuǎn)離擋圈槽端的花鍵微動磨損加劇。同時，磨損產(chǎn)生的磨屑還會惡化花鍵副間的潤滑條件，使花鍵嚴(yán)重磨損區(qū)由遠(yuǎn)離擋圈槽端向擋圈槽端發(fā)展，后期在擋圈槽端附近部分齒上產(chǎn)生疲勞斷裂，最終導(dǎo)致花鍵副傳動失效。

3 措施與建議

1）燃油泵安裝時，首先目視檢查燃油泵尾軸花鍵套應(yīng)無脫出或未止靠在封嚴(yán)皮碗殼體上，確認(rèn)其處于正常位置；然后用手輕按并轉(zhuǎn)動尾軸花鍵套，尾軸花鍵套應(yīng)在徑向和周向有活動量，不應(yīng)緊澀。

2）安裝燃油泵時，由于安裝空間狹小，視線被遮擋，處于盲裝狀態(tài)，花鍵套外花鍵與下水平齒輪軸內(nèi)花鍵安裝對位完全依靠手感，無法目視檢查裝配位置的正確性，為避免燃油泵尾軸花鍵套在安裝過程中受到異常碰撞或擠壓，在安裝燃油泵時，可采用專用工裝安裝板，將該安裝板放置于燃油泵封嚴(yán)皮碗殼體端，防止尾軸花鍵套在裝配中受到較大碰撞力后產(chǎn)生異常位移，具體見圖12。

圖12 安裝燃油泵所用安裝板示意圖

4 結(jié)語

本文通過一起花鍵副傳動系統(tǒng)典型磨損故障機理分析，總結(jié)了某型燃油泵尾軸花鍵套漸開線花鍵聯(lián)接的失效特點，定位了花鍵副因異常磨損導(dǎo)致傳動失效的原因，提出了燃油泵裝配環(huán)節(jié)避免尾軸花鍵套產(chǎn)生竄動的預(yù)防措施，對同類型結(jié)構(gòu)花鍵副傳動系統(tǒng)的安裝具有借鑒意義。