某型供油机构传动轴松动故障研究

■ 李立恒 周罡/国营长虹机械厂

0 引言

供油机构为某型涡喷发动机供油调节系统的执行部件，其主要功能之一是将来自油箱的燃油增压供给发动机，“供油增压”功能通过内部燃油泵实现（见图1）。该燃油泵为外啮合齿轮泵，通过齿轮啮合容积的变化和齿的传送，完成“吸—传—压”功能。齿轮泵运转的动力为发动机的涡轮输出功，发动机涡轮转子带动附件机匣齿轮传动组合，供油机构通过其自身的传动轴与附件机匣传动组合连接，从而保证供油机构与发动机按照一定传动比运转。

为了减少燃油泵的渗漏损失，确保传动轴与齿轮泵结合处的密封性，供油机构在结构设计上利用传动轴和壳盖部件接触部位125˚的锥面来保证密封性能，并要求在其全寿命期内锥面始终紧密贴合、无松动。

2016年8月，多台供油机构完成试验后，发现传动轴出现异常松动。经分析，传动轴松动容易导致燃油泵内腔燃油从锥面结合处渗漏，降低燃油泵的供油性能；同时传动轴松动易偏斜，在发动机的高速运转下，可能因局部受力不均出现扭矩过大，造成零件接触摩擦增大或断裂，使零件耗损增快，缩短零件的寿命期，引发严重的灾难性事故。根据该故障情况，本文对传动轴压紧装置结构及组成进行分析，并对传动轴等零件进行力学分析，以期找出传动轴松动的原因。

图1 供油机构内部结构图

1 传动轴压紧装置结构及工作原理

传动轴压紧装置主要由石墨封严圈、弹簧和盖板部件等组成，组件结构如图2所示。在8件弹簧的压缩膨胀力作用下，传动轴锥面与壳盖部件紧密贴合，传动轴可沿盖板部件轴向移动。

由于传动轴属于高速运转部件，最高转速约达5000r/min，因此传动轴与弹簧之间不可直接接触，需要一个传递介质，该传递介质应具有较好的耐磨和密封性。根据材料学知识可知，石墨类材质具有较好的耐磨性能，且经精加工后表面质量能够满足接触密封要求，因此，传动轴压紧件采用了石墨封严圈。

图2 传动轴安装结构图

解决了传动轴压紧件选材问题，根据其结构特点还需要满足盖板部件与石墨封严圈间的密封性要求，为此通过在两者之间安装密封圈实现该功能。主要是利用密封圈的过盈压缩膨胀力，使密封圈与石墨封严圈紧密贴合，因石墨封严圈沿盖板部件轴线方向有一定的移动灵活性要求，石墨封严圈与密封圈的过盈量应保持在一定范围内。否则，过盈量过大，石墨封严圈在盖板部件上的移动摩擦阻力增大，影响石墨封严圈的移动灵活性；过盈量过小，密封圈与石墨封严圈之间的膨胀压缩量小，容易漏油，密封性能差。

2 故障分析

根据传动轴压紧装置结构可知，传动轴松动的原因是石墨封严圈未压紧传动轴，石墨封严圈与传动轴处于悬离状态。这说明石墨封严圈未能在弹簧力的作用下沿盖板部件轴向移至压紧位置，可能是受到外界较大阻力而卡滞不动。进一步从结构上分析，构成阻力的可能是密封圈的摩擦阻力或在石墨封严圈移动方向上与其他零件间隙中有阻挡物。分解后检查未发现有多余物，可见该阻力为密封圈的摩擦阻力。了解石墨封严圈移动卡滞的真实原因后，仍需搞清在什么情况下石墨封严圈由原先的压紧位置移至悬离位置。下面主要通过力学知识对其进行分析。

针对所研究的问题，只进行沿盖板部件轴向上的力学分析，其他方向的受力情况在此暂不作具体分析。

1） 供油机构性能试验时，检验传动轴压紧装置密封良好性的漏油量指标合格，证明传动轴与壳盖部件处于压紧状态，石墨封严圈相对传动轴静止，可视两者整体为受力对象。因受力对象沿轴向速度为零，那么受力对象受力平衡，受力对象受到弹簧的压缩膨胀力F弹、壳盖部件轴向支撑力F支撑（轴）、密封圈的摩擦阻力F阻和油压力F油（轴）（见图3），它们的平衡关系式为：F弹= F油＋F阻+ F支撑，受力对象无位移。

通过平衡公式可知，要使受力对象产生一定的速度沿壳盖部件轴向移动，必须打破平衡状态，即有加速度a的形成。由于F阻和F支撑属于从动变量，因此只有当F油（轴）增大时才会打破平衡。当试验结束时，F油减小，因此排除试验过程及结束受力对象产生位移的可能性。

2）供油机构下台架时，若沿传动轴的轴向进行受力分解，可视传动轴与试验台接触摩擦阻力为零，则平衡关系不变。当分解过程中上下晃动传动轴，由于传动轴与壳盖部件之间有一定空隙，传动轴沿轴线偏斜，给石墨封严圈一个与偏摆方向反向的作用力F分，使石墨封严圈与传动轴产生相对运动。取石墨封严圈为受力对象，石墨封严圈受到弹簧的压缩膨胀力F弹、密封圈的摩擦阻力F阻和传动轴的支撑力F分（轴）（见图4），受力平衡被打破，即F分（轴）＞F弹＋F阻，并产生加速度，使石墨封严圈与传动轴分离。

图3 石墨封严圈与传动轴整体受力分析示意图

图4 石墨封严圈受力分析图

供油机构分解下来后，F分为零，当F弹＞F阻，石墨封严圈复位与传动轴精密贴合，传动轴无松动；若F弹＜F阻，石墨封严圈未回至原位即与传动轴紧密贴合状态。可见当同时满足石墨封严圈与密封圈摩擦阻力过大以及传动轴受到外界作用力与石墨封严圈产生相对位移两个条件时，就会出现石墨封严圈卡滞于传动轴未压紧位置，最终导致传动轴松动。

3 处理措施及效果

根据摩擦阻力公式F阻=µF正可知（适用于动摩擦和最大静摩擦），影响摩擦阻力的因素除了密封圈的压缩膨胀力外，还与摩擦因素µ即石墨封严圈内孔表面粗糙度有关。为此，对故障件的石墨封严圈内孔表面使用颗粒度不大于W1的细砂纸抛光，并重新选配密封圈，使石墨封严圈与传动轴过盈量趋于中限值0.25mm附近后再装配、试验，未发现传动轴松动情况，说明故障排除方式可靠、有效。

4 预防措施

为了提高供油机构的工作可靠性与安全性，降低传动轴的松动故障率，在对传动轴压紧装置的安装和试验结束下台架时需注意以下几点：

1） 严格控制石墨封严圈与密封圈的过盈量，使其保持在0.15～0.3mm范围内。

2） 保证石墨封严圈内孔表面光滑。

3） 密封圈应在使用有效期内，确保其耐油性和溶胀率符合技术要求。

4） 石墨封严圈组装后，从传动轴与齿轮泵连接端按压，检查传动轴应浮动灵活，能够顺畅复位。

5） 下台架时，避免晃动传动轴，应沿传动轴轴线方向顺畅受力分解。