葉泳

摘 要：本文對(duì)某燃油泵斷軸故障進(jìn)行介紹，通過(guò)建立故障樹(shù)詳細(xì)分析得出，齒輪泵傳動(dòng)軸斷裂是由于間隙不合理導(dǎo)致傳動(dòng)軸與主動(dòng)齒輪發(fā)生偏斜而造成的。對(duì)燃油泵進(jìn)行改進(jìn)，將一體式傳動(dòng)軸拆分為兩段，前段與附件機(jī)匣內(nèi)花鍵相配合，后段與泵頭主動(dòng)齒輪、機(jī)械密封等模塊配合，使前段傳動(dòng)軸套變?yōu)楦?dòng)，可消除一定范圍內(nèi)的齒輪泵傳動(dòng)軸與泵調(diào)節(jié)器安裝止口出現(xiàn)的不同軸現(xiàn)象。對(duì)改進(jìn)后的燃油泵進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，功能性能正常，改進(jìn)措施有效，故障消除。

關(guān)鍵詞：燃油泵;斷軸;故障分析

1 引言

某燃油泵在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)斷油現(xiàn)象，隨后再次啟動(dòng)燃油泵仍無(wú)燃油供出。將燃油泵拆下后檢查，發(fā)現(xiàn)花鍵軸已斷軸，斷裂處位于傳動(dòng)軸安全截面?6.3直徑處。

2 故障原因分析

燃油泵分解檢查情況如下：首先對(duì)故障泵的扭矩進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量工具為扭矩扳手，當(dāng)測(cè)量力矩達(dá)到25N·m的扭矩上限時(shí)，傳動(dòng)軸仍未轉(zhuǎn)動(dòng)，該力矩大大超過(guò)了正常的1N·m扭矩，初步判定為泵內(nèi)傳動(dòng)部件已經(jīng)卡死;拆掉機(jī)械密封、泵蓋等結(jié)構(gòu)，露出兩個(gè)浮動(dòng)軸承，測(cè)量浮動(dòng)軸承圓周一圈相對(duì)端面的高度，測(cè)量結(jié)果超過(guò)了圖紙的要求，說(shuō)明此時(shí)浮動(dòng)軸承未壓緊，且已處于偏斜狀態(tài);在拆掉浮動(dòng)軸承后，發(fā)現(xiàn)主動(dòng)齒輪有兩個(gè)齒出現(xiàn)崩齒現(xiàn)象;軸承端面出現(xiàn)了大量不均勻磨損，磨損位置集中在齒頂圓圓周附近和齒輪嚙合區(qū)附近，磨損部位已露涂層基體。殼體腔內(nèi)有較多的碎屑污染物，殼體內(nèi)孔低壓側(cè)發(fā)生了嚴(yán)重的掃膛現(xiàn)象[1-2]。

以燃油泵斷軸為頂事件開(kāi)展故障樹(shù)分析，具體如下：

2.1輸入端過(guò)載

根據(jù)仔細(xì)分析及對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)復(fù)查，該狀態(tài)下輸入端載荷不存在過(guò)載。

該項(xiàng)底事件可以排除。

2.2齒輪泵出口壓力異常升高

斷軸故障發(fā)生前，燃油泵泵后流量、泵后壓力均在正常范圍內(nèi)，不存在出口壓力突增等異?，F(xiàn)象。

該項(xiàng)底事件可以排除。

2.3污染物進(jìn)入導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)扭矩過(guò)大

齒輪泵內(nèi)部零部件配合精密，一旦污染物進(jìn)入將會(huì)影響到齒輪泵的工作穩(wěn)定性。污染物進(jìn)入齒輪泵內(nèi)部旋轉(zhuǎn)副，會(huì)使旋轉(zhuǎn)副瞬間卡滯，齒輪泵負(fù)載瞬時(shí)過(guò)大，傳動(dòng)軸受到異常扭矩，導(dǎo)致傳動(dòng)軸斷裂。結(jié)合故障泵分解檢查情況，齒輪泵軸承端面出現(xiàn)了大量不均勻磨損，磨損位置集中在齒頂圓圓周附近和齒輪嚙合區(qū)附近，磨損部位已露涂層基體。殼體腔內(nèi)有較多的碎屑污染物，殼體內(nèi)孔低壓側(cè)發(fā)生了嚴(yán)重的掃膛現(xiàn)象。所以不能排除污染物進(jìn)入齒輪泵內(nèi)部旋轉(zhuǎn)副引起驅(qū)動(dòng)扭矩過(guò)大而導(dǎo)致的傳動(dòng)軸斷裂。

該項(xiàng)底事件不可以排除。

2.4齒輪材料選用不當(dāng)

主、從動(dòng)齒輪設(shè)計(jì)時(shí)選用了2Cr3WMoV GJB2294-1995材料。2Cr3WMoV是一種珠光體型不銹鋼，有很好的滲碳性能和力學(xué)性能。滲碳后表面有高的硬度和好的耐磨能力，心部具有很好的強(qiáng)度與韌性的配合。該鋼主要用于制造尺寸精確、要求有高的耐磨性和疲勞強(qiáng)度的滲碳零件，如齒輪、螺栓、軸和轉(zhuǎn)子等。

該項(xiàng)底事件可以排除。

2.5齒輪熱處理要求不合理

齒輪設(shè)計(jì)圖紙技術(shù)要求：表面滲碳，深度（0.6～1.0）mm，表面硬度58～64HRC，心部硬度35～44HRC，尾部螺紋不允許有滲碳層。齒輪熱處理要求與同類型成熟產(chǎn)品保持一致。

該項(xiàng)底事件可以排除。

2.6齒輪材料缺陷

根據(jù)齒輪加工廠家復(fù)查，主、從動(dòng)齒輪材料均為常州精錘供料鍛造，鋼材為撫順提供，復(fù)檢材料，無(wú)異常。

該項(xiàng)底事件可以排除。

2.7齒輪工藝流程不當(dāng)

根據(jù)齒輪加工廠家復(fù)，查齒輪加工的工藝流程，從備料至最終清洗包裝入庫(kù)，共計(jì)33個(gè)工序。滾齒工序在齒輪加工工藝規(guī)程中，之后工序中進(jìn)行了切試樣監(jiān)測(cè);磨齒、拋光工序之后，進(jìn)行了燒傷檢查、磁粉檢驗(yàn)，不允許有裂紋，只有探傷合格的件才能流轉(zhuǎn)到下一工序;另外通過(guò)對(duì)斷裂的齒面進(jìn)行理化分析，斷口處也未見(jiàn)冶金缺陷。所以，可以排除齒輪工藝不當(dāng)對(duì)傳動(dòng)軸斷裂的影響。

該項(xiàng)底事件可以排除。

2.8齒輪偏斜運(yùn)轉(zhuǎn)

當(dāng)泵調(diào)節(jié)器正常工作時(shí)，傳動(dòng)軸不發(fā)生彎曲。如燃油泵傳動(dòng)軸與安裝止口間，不同軸度過(guò)大導(dǎo)致裝配在附件機(jī)匣上后，傳動(dòng)軸軸線偏離附件機(jī)匣中心軸線，當(dāng)偏離約等于間隙2時(shí)，傳動(dòng)軸與主動(dòng)齒輪發(fā)生接觸，傳動(dòng)軸會(huì)發(fā)生輕微偏斜，這一位置為傳動(dòng)軸發(fā)生彎曲的極限位置。如果傳動(dòng)軸相對(duì)止口偏斜量過(guò)大，則傳動(dòng)軸將繼續(xù)產(chǎn)生移動(dòng)，帶動(dòng)主動(dòng)齒輪，改變其正常嚙合狀態(tài)。聯(lián)系主動(dòng)齒輪兩個(gè)崩齒形式，主、從動(dòng)齒輪非嚙合面異常磨損，軸承、殼體有偏磨痕跡，初步認(rèn)為傳動(dòng)軸帶動(dòng)主動(dòng)齒輪形成了不正常的偏斜運(yùn)轉(zhuǎn)，導(dǎo)致主動(dòng)齒輪傾斜，從而中心距離變化，導(dǎo)致齒輪局部無(wú)側(cè)隙嚙合，齒輪局部嚙合面和非嚙合面均產(chǎn)生嚙合痕跡，此項(xiàng)內(nèi)容從齒輪的異常嚙合痕跡也可呈現(xiàn)[3]。

該項(xiàng)底事件不可以排除。

綜上所述，導(dǎo)致齒輪泵傳動(dòng)軸斷裂的原因可能是由于間隙不合理導(dǎo)致傳動(dòng)軸與主動(dòng)齒輪發(fā)生偏斜而造成的。

3 機(jī)理分析

由于燃油泵殼體、泵蓋等零件尺寸存在超差，導(dǎo)致泵蓋安裝止口與傳動(dòng)軸之間不同軸度過(guò)大，齒輪泵傳動(dòng)軸與附件機(jī)匣內(nèi)花鍵出現(xiàn)不同軸現(xiàn)象，使傳動(dòng)軸連同主動(dòng)齒輪承受額外的彎矩，傳動(dòng)軸與主動(dòng)齒輪承受彎扭復(fù)合載荷，造成主、從動(dòng)齒輪的非正常嚙合。在嚴(yán)重偏載的交變載荷作用下，主動(dòng)齒輪出現(xiàn)磨損高溫工況，兩齒崩裂卡死在齒輪腔中，最終導(dǎo)致傳動(dòng)軸的過(guò)載斷裂[4]。

其次，基于故障件尺寸鏈分析過(guò)程進(jìn)行設(shè)計(jì)復(fù)查，發(fā)現(xiàn)一體式傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)方法存在即使各個(gè)零件尺寸均在公差范圍內(nèi)時(shí)，依然無(wú)法完全保證補(bǔ)償量能包融傳動(dòng)軸與泵蓋安裝止口同軸度的情況。因此后續(xù)需要針對(duì)燃油泵傳動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)改進(jìn)，以滿足各零件尺寸在極限位置時(shí)的偏斜情況。

4 糾正措施和驗(yàn)證情況

主要改進(jìn)如下：將原先的一體式傳動(dòng)軸拆分為兩段，前段與附件機(jī)匣內(nèi)花鍵相配合，后段與泵頭主動(dòng)齒輪、機(jī)械密封等模塊配合。前后兩段以內(nèi)外花鍵結(jié)構(gòu)連接提供驅(qū)動(dòng)扭矩。與原設(shè)計(jì)方案相比較，改進(jìn)版設(shè)計(jì)增加了前段浮動(dòng)傳動(dòng)軸套，使得機(jī)匣輸入軸在傳遞扭矩時(shí)，增加一個(gè)徑向間隙補(bǔ)償量，可消除一定范圍內(nèi)的齒輪泵傳動(dòng)軸與泵調(diào)節(jié)器安裝止口出現(xiàn)的不同軸現(xiàn)象;嚴(yán)格控制燃油泵中尺寸鏈上各個(gè)零件尺寸公差（殼體、泵蓋、滑動(dòng)軸承、主從動(dòng)齒輪、傳動(dòng)軸），以達(dá)到可包容的傳動(dòng)軸不同軸度范圍。

目前，經(jīng)過(guò)改進(jìn)的燃油泵已完成60h試驗(yàn)考核，功能性能正常。

5 結(jié)論

根據(jù)問(wèn)題分析和排查，本次故障是由于泵調(diào)節(jié)器安裝止口，與傳動(dòng)軸之間不同軸度過(guò)大，齒輪泵傳動(dòng)軸與附件機(jī)匣內(nèi)花鍵出現(xiàn)不同軸現(xiàn)象，使傳動(dòng)軸連同主動(dòng)齒輪承受額外的彎矩，傳動(dòng)軸與主動(dòng)齒輪承受彎扭復(fù)合載荷，造成主、從動(dòng)齒輪的非正常嚙合。在嚴(yán)重偏載的交變載荷作用下，主動(dòng)齒輪出現(xiàn)磨損高溫工況，兩齒崩裂卡死在齒輪腔中，最終導(dǎo)致傳動(dòng)軸的過(guò)載斷裂。改進(jìn)設(shè)計(jì)后，燃油泵經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，工作正常，改進(jìn)措施有效。

參考文獻(xiàn)：

[1]總編委會(huì).航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].航空工業(yè)出版社，2001.

[2]賽義德. 可靠性工程[M]. 電子工業(yè)出版社， 2013.

[3]孫建國(guó).現(xiàn)代航空動(dòng)力裝置控制.北京：航空工業(yè)出版社，2001.

[4]濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].高等教育出版社.2001.