某燃油泵断轴故障分析

叶泳

摘 要：本文对某燃油泵断轴故障进行介绍，通过建立故障树详细分析得出，齿轮泵传动轴断裂是由于间隙不合理导致传动轴与主动齿轮发生偏斜而造成的。对燃油泵进行改进，将一体式传动轴拆分为两段，前段与附件机匣内花键相配合，后段与泵头主动齿轮、机械密封等模块配合，使前段传动轴套变为浮动，可消除一定范围内的齿轮泵传动轴与泵调节器安装止口出现的不同轴现象。对改进后的燃油泵进行试验验证，功能性能正常，改进措施有效，故障消除。

关键词：燃油泵;断轴;故障分析

1 引言

某燃油泵在运行过程中出现断油现象，随后再次启动燃油泵仍无燃油供出。将燃油泵拆下后检查，发现花键轴已断轴，断裂处位于传动轴安全截面?6.3直径处。

2 故障原因分析

燃油泵分解检查情况如下：首先对故障泵的扭矩进行测量，测量工具为扭矩扳手，当测量力矩达到25N·m的扭矩上限时，传动轴仍未转动，该力矩大大超过了正常的1N·m扭矩，初步判定为泵内传动部件已经卡死;拆掉机械密封、泵盖等结构，露出两个浮动轴承，测量浮动轴承圆周一圈相对端面的高度，测量结果超过了图纸的要求，说明此时浮动轴承未压紧，且已处于偏斜状态;在拆掉浮动轴承后，发现主动齿轮有两个齿出现崩齿现象;轴承端面出现了大量不均匀磨损，磨损位置集中在齿顶圆圆周附近和齿轮啮合区附近，磨损部位已露涂层基体。壳体腔内有较多的碎屑污染物，壳体内孔低压侧发生了严重的扫膛现象[1-2]。

以燃油泵断轴为顶事件开展故障树分析，具体如下：

2.1输入端过载

根据仔细分析及对试验数据复查，该状态下输入端载荷不存在过载。

该项底事件可以排除。

2.2齿轮泵出口压力异常升高

断轴故障发生前，燃油泵泵后流量、泵后压力均在正常范围内，不存在出口压力突增等异常现象。

该项底事件可以排除。

2.3污染物进入导致驱动扭矩过大

齿轮泵内部零部件配合精密，一旦污染物进入将会影响到齿轮泵的工作稳定性。污染物进入齿轮泵内部旋转副，会使旋转副瞬间卡滞，齿轮泵负载瞬时过大，传动轴受到异常扭矩，导致传动轴断裂。结合故障泵分解检查情况，齿轮泵轴承端面出现了大量不均匀磨损，磨损位置集中在齿顶圆圆周附近和齿轮啮合区附近，磨损部位已露涂层基体。壳体腔内有较多的碎屑污染物，壳体内孔低压侧发生了严重的扫膛现象。所以不能排除污染物进入齿轮泵内部旋转副引起驱动扭矩过大而导致的传动轴断裂。

该项底事件不可以排除。

2.4齿轮材料选用不当

主、从动齿轮设计时选用了2Cr3WMoV GJB2294-1995材料。2Cr3WMoV是一种珠光体型不锈钢，有很好的渗碳性能和力学性能。渗碳后表面有高的硬度和好的耐磨能力，心部具有很好的强度与韧性的配合。该钢主要用于制造尺寸精确、要求有高的耐磨性和疲劳强度的渗碳零件，如齿轮、螺栓、轴和转子等。

该项底事件可以排除。

2.5齿轮热处理要求不合理

齿轮设计图纸技术要求：表面渗碳，深度（0.6～1.0）mm，表面硬度58～64HRC，心部硬度35～44HRC，尾部螺纹不允许有渗碳层。齿轮热处理要求与同类型成熟产品保持一致。

该项底事件可以排除。

2.6齿轮材料缺陷

根据齿轮加工厂家复查，主、从动齿轮材料均为常州精锤供料锻造，钢材为抚顺提供，复检材料，无异常。

该项底事件可以排除。

2.7齿轮工艺流程不当

根据齿轮加工厂家复，查齿轮加工的工艺流程，从备料至最终清洗包装入库，共计33个工序。滚齿工序在齿轮加工工艺规程中，之后工序中进行了切试样监测;磨齿、抛光工序之后，进行了烧伤检查、磁粉检验，不允许有裂纹，只有探伤合格的件才能流转到下一工序;另外通过对断裂的齿面进行理化分析，断口处也未见冶金缺陷。所以，可以排除齿轮工艺不当对传动轴断裂的影响。

该项底事件可以排除。

2.8齿轮偏斜运转

当泵调节器正常工作时，传动轴不发生弯曲。如燃油泵传动轴与安装止口间，不同轴度过大导致装配在附件机匣上后，传动轴轴线偏离附件机匣中心轴线，当偏离约等于间隙2时，传动轴与主动齿轮发生接触，传动轴会发生轻微偏斜，这一位置为传动轴发生弯曲的极限位置。如果传动轴相对止口偏斜量过大，则传动轴将继续产生移动，带动主动齿轮，改变其正常啮合状态。联系主动齿轮两个崩齿形式，主、从动齿轮非啮合面异常磨损，轴承、壳体有偏磨痕迹，初步认为传动轴带动主动齿轮形成了不正常的偏斜运转，导致主动齿轮倾斜，从而中心距离变化，导致齿轮局部无侧隙啮合，齿轮局部啮合面和非啮合面均产生啮合痕迹，此项内容从齿轮的异常啮合痕迹也可呈现[3]。

该项底事件不可以排除。

综上所述，导致齿轮泵传动轴断裂的原因可能是由于间隙不合理导致传动轴与主动齿轮发生偏斜而造成的。

3 机理分析

由于燃油泵壳体、泵盖等零件尺寸存在超差，导致泵盖安装止口与传动轴之间不同轴度过大，齿轮泵传动轴与附件机匣内花键出现不同轴现象，使传动轴连同主动齿轮承受额外的弯矩，传动轴与主动齿轮承受弯扭复合载荷，造成主、从动齿轮的非正常啮合。在严重偏载的交变载荷作用下，主动齿轮出现磨损高温工况，两齿崩裂卡死在齿轮腔中，最终导致传动轴的过载断裂[4]。

其次，基于故障件尺寸链分析过程进行设计复查，发现一体式传动轴设计方法存在即使各个零件尺寸均在公差范围内时，依然无法完全保证补偿量能包融传动轴与泵盖安装止口同轴度的情况。因此后续需要针对燃油泵传动结构进行相关设计改进，以满足各零件尺寸在极限位置时的偏斜情況。

4 纠正措施和验证情况

主要改进如下：将原先的一体式传动轴拆分为两段，前段与附件机匣内花键相配合，后段与泵头主动齿轮、机械密封等模块配合。前后两段以内外花键结构连接提供驱动扭矩。与原设计方案相比较，改进版设计增加了前段浮动传动轴套，使得机匣输入轴在传递扭矩时，增加一个径向间隙补偿量，可消除一定范围内的齿轮泵传动轴与泵调节器安装止口出现的不同轴现象;严格控制燃油泵中尺寸链上各个零件尺寸公差（壳体、泵盖、滑动轴承、主从动齿轮、传动轴），以达到可包容的传动轴不同轴度范围。

目前，经过改进的燃油泵已完成60h试验考核，功能性能正常。

5 结论

根据问题分析和排查，本次故障是由于泵调节器安装止口，与传动轴之间不同轴度过大，齿轮泵传动轴与附件机匣内花键出现不同轴现象，使传动轴连同主动齿轮承受额外的弯矩，传动轴与主动齿轮承受弯扭复合载荷，造成主、从动齿轮的非正常啮合。在严重偏载的交变载荷作用下，主动齿轮出现磨损高温工况，两齿崩裂卡死在齿轮腔中，最终导致传动轴的过载断裂。改进设计后，燃油泵经试验验证，工作正常，改进措施有效。

参考文献：

[1]总编委会.航空发动机设计手册[M].航空工业出版社，2001.

[2]赛义德. 可靠性工程[M]. 电子工业出版社， 2013.

[3]孙建国.现代航空动力装置控制.北京：航空工业出版社，2001.

[4]濮良贵，纪名刚.机械设计[M].高等教育出版社.2001.