某型發(fā)動(dòng)機(jī)分油漲圈磨損問(wèn)題分析及預(yù)防

■ 練兵 張鳴鳴 王軍 張建偉/ 空裝駐襄陽(yáng)地區(qū)軍事代表室 襄陽(yáng)航泰動(dòng)力機(jī)器廠

0 引言

某型飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)更換滑油試車(chē)后，滑油磨粒檢測(cè)超出警告值，檢查滑油系統(tǒng)前后主滑油濾、中后軸承回油濾、調(diào)速器滑油濾、燃油調(diào)節(jié)器滑油濾，發(fā)現(xiàn)大量金屬屑。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，2019 年以來(lái)，該型發(fā)動(dòng)機(jī)在外場(chǎng)已發(fā)生多起滑油中有金屬屑和大磨粒故障，均為減速器分油漲圈磨損造成。為查明漲圈磨損原因，對(duì)漲圈磨損進(jìn)行機(jī)理分析，查找影響因素，改進(jìn)加工、熱處理和表面處理工藝，并制訂針對(duì)性改進(jìn)措施。

1 結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 漲圈裝配結(jié)構(gòu)介紹

單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)裝配11 根漲圈，位于槳軸外分油襯套漲圈槽內(nèi)，漲圈外圓柱面受彈力和油壓作用，將之壓緊在分油襯套內(nèi)圓柱面上，用于隔開(kāi)減速器大距、小距、定距以及潤(rùn)滑油路[1]（見(jiàn)圖1）。

圖1 分油漲圈裝配結(jié)構(gòu)圖

漲圈基體材料為鑄錫青銅（ZQSn16-5），具有較高的耐磨性，其表面鍍有厚度為5 ～8μm、用以降低摩擦系數(shù)的鉛錫層。同時(shí)，漲圈的兩個(gè)端面設(shè)計(jì)有楔形槽和通油孔，以便工作狀態(tài)下在漲圈端面與漲圈槽接觸面形成壓力油膜，降低摩擦系數(shù)；裝配后漲圈外圓柱面與分油襯套保持一定的緊度和貼合度，使?jié)q圈外圓柱面貼緊分油襯套內(nèi)圓柱面，保證封嚴(yán)、隔斷。

分油襯套由2Cr18Ni8W2 鋼制成，裝配時(shí)壓裝于分油襯套殼體內(nèi)孔并一起固定在減速器機(jī)匣上。分油襯套內(nèi)孔表面粗糙度為0.125μm，經(jīng)氮化處理，氮化表面硬度為HRC ≥88，起耐磨作用。

槳軸外分油襯套由材料為38CrMo-ALA 的鋼制成，裝于槳軸中部外圓面，并用螺母壓緊，工作狀態(tài)下隨槳軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速為1074r/min，漲圈槽壁表面粗糙度為0.25μm，經(jīng)氮化處理，氮化表面硬度為HR30N ≥80，起耐磨作用。

1.2 工作原理

槳軸工作時(shí)，分油襯套靜止，槳軸外分油襯套隨槳軸一起旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為1074r/min，漲圈安裝于槳軸外分油襯套漲圈槽內(nèi)，依靠自身彈力使其外圓柱面貼緊分油襯套內(nèi)圓柱面，啟動(dòng)密封作用。如圖2 所示，當(dāng)漲圈左側(cè)面受到工作油壓作用時(shí)，使其右側(cè)面與槳軸外分油襯套漲圈槽右側(cè)貼緊，形成第一道密封面，稱(chēng)之為主密封面，因是面接觸摩擦，會(huì)產(chǎn)生摩擦力矩M主；工作油壓同時(shí)作用于漲圈內(nèi)圓柱面，使?jié)q圈向著徑向外側(cè)漲開(kāi)，漲圈外圓柱面被壓緊在分油襯套內(nèi)圓柱面，形成第二道密封面，稱(chēng)之為輔助密封面，會(huì)產(chǎn)生摩擦力矩M輔。在輔助密封面和主密封面的聯(lián)合作用下，降低了油路泄漏和壓力降，達(dá)到密封效果[2]。

圖2 漲圈工作原理圖

正常工作時(shí)，漲圈在漲圈槽內(nèi)有軸向運(yùn)動(dòng)但沒(méi)有周向轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)兩端滑油腔壓差小于一定值，即作用于漲圈端面的力不足以克服漲圈軸向活動(dòng)的摩擦力時(shí)，漲圈保持先前位置并與分油襯套保持相對(duì)靜止；當(dāng)兩端滑油腔壓差大于一定值，使作用于漲圈端面的力可以克服漲圈軸向活動(dòng)量的摩擦力時(shí)，漲圈將軸向移動(dòng)到漲圈槽的一端，由于漲圈的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，則在漲圈與槳軸外分油襯套之間形成了一層動(dòng)壓油膜，并保持兩端滑油腔具有一定壓差，起到隔開(kāi)滑油通道的作用，此時(shí)漲圈相對(duì)分油襯套靜止，相對(duì)槳軸外分油襯套旋轉(zhuǎn)，此時(shí)M輔與M主相同。

在啟動(dòng)階段或其他一些非穩(wěn)定、過(guò)渡狀態(tài)下，因潤(rùn)滑不良、漲圈端面摩擦系數(shù)較大，漲圈端面與外分油襯套漲圈槽之間的摩擦力矩M輔大于漲圈外圓與分油襯套之間的摩擦力矩M主時(shí)，漲圈會(huì)隨槳軸外分油襯套轉(zhuǎn)動(dòng)，這種情況偶爾發(fā)生，如果經(jīng)常性發(fā)生就會(huì)導(dǎo)致漲圈外圓異常磨損。

2 漲圈磨損原因分析

根據(jù)對(duì)某型發(fā)動(dòng)機(jī)減速器處漲圈結(jié)構(gòu)和工作原理的分析，得出以下可能導(dǎo)致漲圈異常磨損的原因，逐一進(jìn)行說(shuō)明。

2.1 漲圈彈力過(guò)小

漲圈彈力是在制造熱處理和機(jī)加過(guò)程中確定的，主要影響因素有漲圈材料（彈性模量）、定型熱處理、尺寸參數(shù)（漲圈寬度和自由狀態(tài)切口間隙）等。彈力越大，越有利于漲圈的周向靜止，并有利于減少漲圈的磨損。2017 年曾發(fā)生因新品漲圈彈力小于規(guī)定值導(dǎo)致的漲圈磨損問(wèn)題。

2.2 漲圈主副密封面的摩擦系數(shù)不合格

影響漲圈主副密封面摩擦系數(shù)的因素主要有：

1）漲圈表面粗糙度不合理。漲圈端面（主密封面）粗糙度和漲圈外圓表面（輔助密封面）粗糙度設(shè)計(jì)不合理，M輔和M主不匹配，造成漲圈隨槳軸外分油襯套轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致漲圈外圓異常磨損。

2）減磨鍍層質(zhì)量差。漲圈表面減磨的鉛錫鍍層質(zhì)量差、鍍層厚度不滿(mǎn)足要求，均會(huì)導(dǎo)致漲圈密封面的摩擦系數(shù)變化，使減磨功能提早失效，導(dǎo)致漲圈端面和外面異常磨損。鍍層質(zhì)量差的原因可能是鍍鉛錫前處理、鍍鉛錫過(guò)程中參數(shù)的過(guò)程控制不到位、槽液成分偏離等。

3）漲圈磕碰。漲圈在轉(zhuǎn)運(yùn)、保管、修理、裝配過(guò)程中因控制不到位發(fā)生磕碰，破壞了漲圈密封表面質(zhì)量，導(dǎo)致漲圈的異常磨損。如漲圈銼修切口不當(dāng)，存在毛刺銳邊，裝夾漲圈方法不當(dāng)導(dǎo)致漲圈表面被夾傷等。

4）其他機(jī)件磨損。發(fā)動(dòng)機(jī)在工作使用過(guò)程中，滑油系統(tǒng)各傳動(dòng)部件磨損產(chǎn)生的磨粒隨滑油循環(huán)到漲圈密封面處，磨粒嵌入漲圈密封面形成硬質(zhì)點(diǎn)，與分油襯套內(nèi)圓面或外分油襯套凹槽面相磨，導(dǎo)致材質(zhì)較軟的漲圈異常磨損。如分油襯套表面滲層脫落、彈性軸花鍵鍍層磨損脫落、齒輪軸承工作產(chǎn)生金屬屑或大磨粒等。

3 漲圈制造工藝方法改進(jìn)

基于對(duì)漲圈磨損原因的分析，采取重新研發(fā)產(chǎn)品的技術(shù)思路對(duì)漲圈原加工工藝進(jìn)行改進(jìn)。

3.1 彈力值的控制方法

產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求其工作狀態(tài)的徑向彈力為55.86 ～66.64N，影響分油漲圈彈力的關(guān)鍵因素是漲圈自由狀態(tài)下的開(kāi)口尺寸。在漲圈材料、高度、壁厚、工作狀態(tài)直徑、漲圈類(lèi)型、彈力均確定的情況下，自由狀態(tài)的開(kāi)口尺寸有規(guī)律可循。通過(guò)查閱國(guó)際國(guó)內(nèi)類(lèi)似產(chǎn)品的技術(shù)資料《GOETZE 活塞環(huán)手冊(cè)》[3]、《活塞環(huán)理論》[4]等，結(jié)合設(shè)計(jì)圖樣給定的參數(shù)，計(jì)算出分油漲圈自由狀態(tài)的開(kāi)口尺寸為17.9 ～21mm。考慮到熱處理定型后拆下零件的回彈和后續(xù)加工的影響，并經(jīng)過(guò)不同開(kāi)口尺寸的試驗(yàn)驗(yàn)證，最終確定熱處理夾具開(kāi)口值為25mm，后續(xù)加工去除切削余量后，零件彈力值達(dá)到產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)要求。

3.2 外圓光隙的保證

產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)要求在Φ170.04mm環(huán)規(guī)內(nèi)的外圓光隙不大于0.01mm。漲圈原設(shè)計(jì)制造單位采取間隔塊法對(duì)漲圈進(jìn)行熱定型，加熱過(guò)程中整個(gè)漲圈僅在間隔塊處約束其變形，開(kāi)口處及開(kāi)口對(duì)面由于應(yīng)力大的緣故會(huì)發(fā)生畸變，而與開(kāi)口處成90°的中部位置變化較小，故箍成正圓后，應(yīng)力大的地方會(huì)優(yōu)先漲開(kāi)接觸內(nèi)圈，而應(yīng)力小的位置未能彈開(kāi)，導(dǎo)致定位環(huán)無(wú)法將零件箍成正圓狀態(tài)，從而使得零件的定位基準(zhǔn)發(fā)生變化，造成最終的光隙不合格。有限元分析證明這種情況客觀存在（見(jiàn)圖3）。

圖3 漲圈應(yīng)力云圖

鑒于上述不足，決定用星形盤(pán)來(lái)進(jìn)行熱處理定型。根據(jù)有限元分析及實(shí)測(cè)成品件自由狀態(tài)下外形尺寸設(shè)計(jì)加工的星形盤(pán)，其外形輪廓與漲圈自由狀態(tài)的內(nèi)輪廓相符，漲圈內(nèi)輪廓箍抱在星形盤(pán)外輪廓上，熱處理時(shí)星形盤(pán)賦予半成品漲圈必要的形狀，精加工時(shí)余量均勻，能確保精加工后光隙不大于0.01mm，有效提高了漲圈加工合格率，較原設(shè)計(jì)制造單位高60%。

3.3 漲圈鉛錫鍍層質(zhì)量改進(jìn)

分油漲圈材料牌號(hào)為ZQSn16-5，屬于銅合金，鍍鉛錫屬于電鍍工藝。重新修訂了電鍍的電流參數(shù)，配置了鍍鉛錫專(zhuān)用電源和專(zhuān)用的厚度測(cè)量?jī)x，提高了漲圈鍍鉛錫質(zhì)量。

3.4 漲圈裝配質(zhì)量控制

增加分油漲圈光隙、彈力檢查要求，增加漲圈標(biāo)記、原位裝配要求，明確漲圈銼修方法，設(shè)計(jì)制造了漲圈裝配導(dǎo)向工裝。

4 效果驗(yàn)證

4.1 工藝考核試車(chē)驗(yàn)證

為確定漲圈制造工藝改進(jìn)效果，從首批試制的漲圈中隨機(jī)選取11 件進(jìn)行裝機(jī)驗(yàn)證，通過(guò)了30h 加速工藝考核試車(chē)。

4.2 大磨粒情況驗(yàn)證

調(diào)研外場(chǎng)大磨粒檢測(cè)要求，配置大磨粒檢測(cè)設(shè)備，對(duì)廠內(nèi)檢驗(yàn)試車(chē)后的發(fā)動(dòng)機(jī)增加大磨粒檢測(cè)要求。目前交付出廠的80 余臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)再未出現(xiàn)分油漲圈異常磨損故障。

4.3 外場(chǎng)使用情況

統(tǒng)計(jì)貫改措施后出廠發(fā)動(dòng)機(jī)外場(chǎng)使用情況，沒(méi)有發(fā)生因分油漲圈磨損導(dǎo)致的發(fā)動(dòng)機(jī)提前返廠問(wèn)題。

5 結(jié)論

通過(guò)研究分油漲圈的結(jié)構(gòu)功能，分析其設(shè)計(jì)原理，確定了漲圈彈力過(guò)小、密封面摩擦系數(shù)不合格、其他機(jī)件磨損等是導(dǎo)致分油漲圈磨損的主要因素。經(jīng)分析計(jì)算，通過(guò)控制漲圈開(kāi)口自由尺寸，保證了漲圈彈力符合技術(shù)要求；通過(guò)將漲圈熱定型方式由間隔塊法改進(jìn)為星形盤(pán)法，確保了漲圈外圓光隙，提高其彈力穩(wěn)定性；通過(guò)改進(jìn)電鍍參數(shù)，加強(qiáng)槽液濃度控制，提高了漲圈鉛錫鍍層質(zhì)量；增加了對(duì)漲圈修理裝配的控制要求，減少其他相關(guān)機(jī)件磨損等，有效預(yù)防了漲圈的異常磨損。經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)外場(chǎng)使用情況驗(yàn)證，貫改后出廠的發(fā)動(dòng)機(jī)在外場(chǎng)使用中再未出現(xiàn)因減速器分油漲圈磨損導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)提前返廠情況。