某型发动机附件机匣固定问题探讨

吴有元 赵虎 任超玉 王锦邦 梁江波

摘要：某型发动机由于中央传动杆花键齿面磨损，导致滑油光谱金属（铁）含量超标故障频发，严重影响试车合格率。因此，从故障现象上分析了中央传动杆花键副磨损特征，从结构形式上分析和查找，提出下吊耳组件的固定问题是造成附件机匣微动的重要因素，对此制定解决方案并进行了试验验证，最终顺利排除了该故障。

关键词：金属含量;花键副;微动磨损;下吊耳组件;精密螺栓

某型发动机是我国自行研制的军用双转子加力式涡轮风扇发动机，主要装备于国产第三代高性能战斗机。该型发动机大量服役后，滑油光谱金属含量超标故障频发。对发动机进行分解检查，发现该故障主要是由发动机附件机匣内的齿轮、轴承衬套磨损引起的。为解决滑油光谱金属含量超标故障，设计单位曾在齿轮、轴承衬套的材料變更等方面进行了上百次更改，执行更改后，外场滑油光谱金属（铁、铝）含量超标故障得到控制。但近期在厂内进行试车时，发现该型发动机滑油光谱金属（铁）含量超标故障再次频发，严重影响试车合格率。

1故障现象及结构分析

1.1故障现象

针对近期厂内试车发动机滑油光谱金属含量超标故障，分解检查发动机附件机匣，发现中央传动杆花键齿面磨损（见图1），齿面有明显的压陷，深度约0.2mm;靠附件机匣一侧花键副接触表面及周围产生大量的微小氧化物磨损粉末（见图2）。

统计近期该故障的检查情况，发现该故障现象集中表现为中央传动杆花键副磨损，磨损花键齿为靠附件机匣一侧。检查发现8件中央传动杆花键副磨损，其中4件中央传动杆花键齿因磨损严重报废，与其配合的3件中心传动主动锥齿轮内花键齿因磨损严重报废。

1.2结构分析

中央传动杆位于中介机匣支板内腔，传动杆两端均为外花键，分别与中央传动从动锥齿轮内花键和中心传动主动锥齿轮内花键配合（图3）。发动机工作时，高压转子轴通过一对装在中央传动齿轮箱内的中央传动主动锥齿轮及与从动锥齿轮配合的中央传动杆，将动力传递给附件机匣内的一对中心传动锥齿轮及一系列齿轮轴，最终带动各附件工作。该中央传动杆通过花键副在发动机中央齿轮箱与附件机匣间传递扭矩，花键副之间相对静止。

显然，中央传动杆两端的锥齿轮没有装配在一个机匣内，因而很难保证两个锥齿轮上内花键之间的同轴度，因此设计时在两对花键的配合位置均留有较大的间隙，使中央传动杆处于浮动状态，提高传动杆对两个锥齿轮内花键同轴度状况的适应性。

附件机匣位于中介机匣上方，靠4点定位固定在发动机上（见图4），即与中介机匣后安装边连接的①、②两个下吊耳组件，中介机匣支板接口处的止口③，以及附件机匣前端盖与中介机匣前安装边上的中间支架④。4点定位增大了定位面，防止附件机匣在工作中摆动。

2问题调查

故障中央传动杆靠附件机匣一侧花键副接触表面及周围产生大量的微小氧化物磨损粉末，根据微动磨损的相关理论和研究，该磨损符合微动磨损特征，说明花键副之间有小振幅的相对振动，花键副接触部位有外界强加的微动。

中央传动杆花键齿磨损，属于微动磨损特征，磨损的方向主要是附件机匣一侧，说明附件机匣在工作过程中产生了摆动，中央传动杆花键副对中和附件机匣固定存在问题。

2.1中央传动杆花键副对中问题

从结构分析中可以看出，固定支点④对花键副对中有一定影响。检查调整固定支点④下的调整垫圈，在极限安装情况下，调整垫圈厚度的变化范围为0.1mm，这个变化范围与固定支点③处的间隙即中介机匣支板内孔与附件机匣止口外径的配合有关，目前该间隙已经进行过缩小更改，对花键角偏斜量的影响可以忽略。

2.2附件机匣固定存在问题

从结构分析中可以看出，固定支点③④对花键角偏斜量有一定影响，经分析和验证排除了该因素。

进一步检查固定支点①②发现，固定下吊耳组件的03型精密螺栓光杆部位露出中介机匣安装边的长度多数不足1mm，下吊耳组件螺栓孔边有0.5×45°倒角，下吊耳组件装配后，光孔与精密螺栓光杆配合长度不足0.5mm，配合部位基本为螺纹段（见图5），结构稳定性存在不足。

3问题验证

下吊耳组件光孔与精密螺栓光杆配合长度不足，是导致中央传动杆花键副磨损以致滑油光谱金属含量超标故障的原因，需要进行试验证明。在征得设计部门的同意后，开展了验证工作。

3.1验证方案

为了解决下吊耳组件光孔与螺栓光杆配合长度不足的问题，拟用与装配位置一致的精密螺栓04型代替03型使用，但前者光杆长度为17.2mm，比16mm的光孔总长度长，需要将光孔长度增加2mm，以保证螺栓能被拉紧。为此从该型发动机装机垫圈中挑选厚度2.6mm、内径φ7mm、外径φ10mm的01型垫圈，进行配装。

最终确定的验证方案为：对试车后发生中央传动杆花键磨损或滑油光谱金属含量超标的发动机，装配左、右下吊耳组件时将03型精密螺栓更换为04型精密螺栓，并匹配01型垫圈以保证螺母拧紧到位（见图6）。

3.2前期验证

根据04型精密螺栓数量决定在6台故障发动机上进行前期验证，安装验证情况见表1。

5号附件机匣更换04型精密螺栓固定后，振动值从试车表现上差别不大，但光谱铁含量降低程度非常明显，对比结果见图7、图8。

6号附件机匣更换04型精密螺栓固定后，振动值、光谱铁含量均降低明显，对比结果见图9、图10。

从6台发动机的验证情况来看，附件机匣下吊耳组件固定螺栓的改变，对发动机滑油光谱金属含量及附件机匣振动有一定的影响。其中，3台发动机试车合格，1台发动机附件机匣振动增大，1台发动机附件机匣振动降低，2台发动机滑油光谱金属含量超标。

4问题验证分析和再验证

4.1分析

从表1结果来看，第2、4项不合格或与精密螺栓的数量和拧紧力矩有关，验证时对精密螺栓的安装数量和拧紧力矩没有统一的规定和要求。而第2、5、6项验证情况表明，发动机附件机匣的固定问题，是导致附件机匣零组件磨损的原因之一，但由于试验样本数少，尚不能给出决定性的结论。

4.2再验证

为落实问题，通过安装8根04型精密螺栓固定下吊耳组件，并使用04型精密螺栓拧紧力矩，对7台发动机进行厂内试车验证，验证情况见表2。

5问题验证结论

通过分两个阶段，前后进行了13台次的试车验证，验证结果显示涉及的10台附件机匣均已试车合格，滑油光谱金属含量超标故障得到有效遏制。这说明发动机滑油光谱金属含量超标故障主要由发动机附件机匣故障引起，附件机匣故障的原因主要是齿轮、轴承衬套及花键副磨损。中央传动杆花键副磨损，会引起发动机滑油光谱金属含量超标故障。中央传动杆花键副磨损的重要因素为附件机匣下吊耳组件的固定方式刚性不足，工作中易引起机匣微动，即故障模式是微动磨损。

后续又使用04型精密螺栓固定下吊耳组件进行了20台次的试车，均未出现中央传动杆花键副磨损和滑油光谱金属含量超标故障。

参考文献

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[3]王海涛，崔永红，董雪莲.渐开线花键联接磨损特征研究[J].科技创新与应用，2016（15）.