某型渦噴發(fā)動機(jī)供油機(jī)構(gòu)“掃膛”問題研究

趙陽陽，江兆平，路 明

(空軍駐川西地區(qū)軍事代表室，四川 成都610041)

1 問題描述

某型渦噴發(fā)動機(jī)在燃油起始供油量測試過程中，起動電機(jī)帶轉(zhuǎn)發(fā)動機(jī)運轉(zhuǎn)約3 min后，所裝發(fā)動機(jī)供油機(jī)構(gòu)(齒輪泵)的泵后燃油壓力及油門后燃油壓力數(shù)據(jù)測量值均不上升，供油機(jī)構(gòu)沒有燃油流出，停車檢查發(fā)現(xiàn)供油機(jī)構(gòu)傳動軸已斷裂。分解檢查供油機(jī)構(gòu)時發(fā)現(xiàn)，供油機(jī)構(gòu)內(nèi)部齒輪與齒輪腔的間隙處有金屬鋁塊卡住齒輪，齒輪腔壁有嚴(yán)重刮傷及未刮落的腔壁金屬。經(jīng)分析，腔壁的嚴(yán)重刮傷及未刮落的腔壁金屬，是由于供油機(jī)構(gòu)齒輪“掃膛”而引起的，造成了齒輪不能轉(zhuǎn)動，最終導(dǎo)致供油機(jī)構(gòu)傳動軸斷裂。

2 危害分析

供油機(jī)構(gòu)在生產(chǎn)調(diào)試過程中，由于磨合時間不足會在主殼體腔壁上產(chǎn)生齒輪的擦刮痕跡，一般稱為輕微“掃膛”現(xiàn)象。發(fā)動機(jī)供油機(jī)構(gòu)存在的輕微“掃膛”現(xiàn)象產(chǎn)生的鋁屑可以隨著燃油的流出而帶走，所以過去在生產(chǎn)中沒有加以嚴(yán)格控制而進(jìn)入了供油機(jī)構(gòu)最后裝配。針對發(fā)動機(jī)供油機(jī)構(gòu)傳動軸斷裂問題，課題組對“掃膛”現(xiàn)象進(jìn)行了認(rèn)真的分析和研究，認(rèn)為發(fā)動機(jī)供油機(jī)構(gòu)存在的“掃膛”現(xiàn)象是引起本次發(fā)動機(jī)供油機(jī)構(gòu)傳動軸斷裂的根本原因。分析認(rèn)為，如果不高度重視輕微“掃膛”現(xiàn)象，最終把存在輕微“掃膛”現(xiàn)象的“問題供油機(jī)構(gòu)”裝配到發(fā)動機(jī)上，可能導(dǎo)致發(fā)動機(jī)在試車或正常使用時供油機(jī)構(gòu)傳動齒輪卡滯，使供油機(jī)構(gòu)齒輪不能轉(zhuǎn)動，造成發(fā)動機(jī)供油機(jī)構(gòu)傳動軸斷裂，最終導(dǎo)致重大事故的發(fā)生。

3 供油機(jī)構(gòu)泵油工作原理及結(jié)構(gòu)

供油機(jī)構(gòu)泵油工作原理為：發(fā)動機(jī)上的起動電機(jī)輸出一個負(fù)載力矩，帶動發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)動，發(fā)動機(jī)的附件傳動機(jī)匣帶動供油機(jī)構(gòu)傳動軸轉(zhuǎn)動，傳動軸帶動主動齒輪轉(zhuǎn)動，主動齒輪帶動從動齒輪轉(zhuǎn)動。齒輪腔中由兩個浮動軸承與主殼體腔進(jìn)行定位。通過主動齒輪的轉(zhuǎn)動把供油機(jī)構(gòu)主動腔中的燃油壓入從動腔中，然后再通過從動齒輪的轉(zhuǎn)動將從動腔中的燃油增壓后輸出，給發(fā)動機(jī)提供起動燃油進(jìn)行點火燃燒，使發(fā)動機(jī)正常工作。

供油機(jī)構(gòu)齒輪泵主要由主動齒輪、從動齒輪、一對浮動軸承、一對固定軸承和主殼體泵腔組成，其裝配結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖1所示。

圖1 供油機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of fuel pump

4 改進(jìn)措施及驗證

4.1 供油機(jī)構(gòu)有關(guān)參數(shù)分析

供油機(jī)構(gòu)間隙主要有：浮動(固定)軸承內(nèi)孔與齒輪軸之間的間隙(4處)A=0.035～0.050 mm，浮動(固定)軸承與主殼體腔之間的間隙(4處)B=0.020～0.050 mm，主動(從動)齒輪與主殼體之間的間隙(2處)C=0.035～0.080 mm。圖2示出了供油機(jī)構(gòu)軸承與齒輪的裝配圖。

4.2 “掃膛”產(chǎn)生的原因分析

通過對供油機(jī)構(gòu)產(chǎn)品圖和工藝文件的認(rèn)真分析與計算，發(fā)現(xiàn)供油機(jī)構(gòu)存在的輕微“掃膛”現(xiàn)象實際上是齒輪對主殼體的一種擦刮現(xiàn)象，是設(shè)計和尺寸鏈計算上的缺陷所致。

圖2 供油機(jī)構(gòu)軸承與齒輪裝配圖Fig.2 Assembly of fuel pump bearing and gear

該供油機(jī)構(gòu)的設(shè)計中，存在著有關(guān)尺寸鏈的公差帶計算錯誤現(xiàn)象。根據(jù)該供油機(jī)構(gòu)的有關(guān)尺寸數(shù)據(jù)，如果要使發(fā)動機(jī)供油機(jī)構(gòu)不產(chǎn)生“掃膛”現(xiàn)象，浮動(固定)軸承的設(shè)計直徑比齒輪的直徑要大，并且保證浮動(固定)軸承外徑隨時與主殼體腔接觸，齒輪與主殼體腔之間不接觸，這樣就不會產(chǎn)生“掃膛”現(xiàn)象。但由于浮動(固定)軸承內(nèi)孔與齒輪軸之間存在著一定的間隙，當(dāng)齒輪軸與浮動(固定)軸承內(nèi)孔在軸的上端(或左、右)接觸時，齒輪中心與浮動(固定)軸承中心就不重合，軸承中心就會發(fā)生偏移，造成齒輪高度大于軸承高度，齒輪就有可能與主殼體產(chǎn)生接觸。當(dāng)高速轉(zhuǎn)動的齒輪轉(zhuǎn)動到主殼體的 “方口”(供油機(jī)構(gòu)進(jìn)油口)處時，就與主殼體產(chǎn)生“掃膛”現(xiàn)象，當(dāng)“掃膛”嚴(yán)重并產(chǎn)生較多的多余物時，多余物就將卡滯在齒輪頂部與主殼體之間從而形成較大阻力，造成齒輪不能正常轉(zhuǎn)動，加之一外加負(fù)載力矩通過傳動軸加到齒輪上，當(dāng)齒輪發(fā)生卡滯不能轉(zhuǎn)動時，傳動軸因承受不了一直施加的外加負(fù)載力矩，就在最薄弱處斷裂，致使整個供油機(jī)構(gòu)失去工作能力。圖3給出了齒輪軸與軸承內(nèi)孔偏離情況示意簡圖。

下面計算當(dāng)間隙為邊界情況時是否存在“掃膛”現(xiàn)象。供油機(jī)構(gòu)泵油及齒輪轉(zhuǎn)動由浮動軸承來定位，浮動軸承在徑向基本上不會產(chǎn)生位移，只有齒輪產(chǎn)生位移，即齒輪有位移量A。軸承軸心距主殼體腔的距離E為軸承半徑與B之和。

當(dāng)齒輪在最大偏移位置時，齒輪軸上部就與浮動軸承孔上部相接觸。根據(jù)產(chǎn)品圖給出的設(shè)計值：當(dāng)取軸承直徑為最小D2=38.975mm、軸承與主殼體的間隙為最小值B=0.020 mm、齒輪軸與軸承的間隙為最大值A(chǔ)=0.050mm時，主殼體腔的直徑D5=D2+B=38.995 mm。由于齒輪直徑的選取是根據(jù)主殼體直徑來確定，如果取C=0.035 mm，則齒輪直徑只能選取D3=D5-C=38.960 mm。齒輪產(chǎn)生位移時，相當(dāng)于齒輪的直徑發(fā)生了變化，則此時齒輪的直徑D3′=D3+A=39.010 mm。這時齒輪的直徑就大于軸承直徑加軸承與主殼體間隙之和，即大于主殼體腔的直徑(D3′＞D5)，齒輪就與主殼體產(chǎn)生擦刮，即產(chǎn)生“掃膛”現(xiàn)象。所以根據(jù)產(chǎn)品圖給出的有關(guān)參數(shù)的計算結(jié)果，供油機(jī)構(gòu)可能存在不同程度的“掃膛”現(xiàn)象。

圖3 齒輪軸與軸承內(nèi)孔偏離情況簡圖Fig.3 Departure scheme of gear axle and bearing inner hole

4.3 供油機(jī)構(gòu)各個間隙的關(guān)系分析

根據(jù)供油機(jī)構(gòu)工藝文件的規(guī)定，對主殼體、齒輪、浮動(固定)軸承零件的尺寸都要進(jìn)行選配，使之滿足規(guī)定的間隙要求。當(dāng)各零件選定后，零件的尺寸固定不變，間隙在一定范圍內(nèi)變化，雖然仍然滿足技術(shù)文件要求，但有關(guān)間隙尺寸確定不合理時還是有可能造成齒輪與主殼體接觸，從而產(chǎn)生“掃膛”現(xiàn)象。

供油機(jī)構(gòu)軸承內(nèi)孔與齒輪軸之間的間隙A和軸承與主殼體之間的間隙B按配合特性、裝配方法、產(chǎn)品特點等原則選取，引用的標(biāo)準(zhǔn)為GB/T18003-2998。齒輪與主殼體的間隙C根據(jù)A和B來確定，C=A+B。按邊界計算C=0.055～0.100 mm，但承制單位選取的是C=0.035～0.080 mm，選C=0.080 mm是為了減少泄漏，但C=0.035 mm實際上是尺寸鏈的計算錯誤。

為避免“掃膛”現(xiàn)象，在滿足A、B值的要求下，C值的選取應(yīng)大于A、B之和，即A+B≤C，才能保證不產(chǎn)生“掃膛”現(xiàn)象。

驗算如下：由于要求A+B≤C，取C=0.055～0.080 mm，則A≤0.040 mm，B≤0.040 mm，齒輪直徑只能選取D3=D5-C=39-0.030-0.080mm，齒輪產(chǎn)生位移A時其直徑D3′=D3+A=39+0.010-0.045mm，此時D3′就基本小于軸承直徑加軸承與主殼體間隙之和(即主殼體腔直徑mm)，加之必須選定C值，齒輪就不會與主殼體產(chǎn)生擦刮，也就不會產(chǎn)生“掃膛”現(xiàn)象。

5 結(jié)論

通過以上分析可知，本型號供油機(jī)構(gòu)在設(shè)計有關(guān)間隙尺寸時沒有充分考慮尺寸鏈的影響，造成公差選取不合理，致使該型號供油機(jī)構(gòu)產(chǎn)生“掃膛”現(xiàn)象。分析認(rèn)為，供油機(jī)構(gòu)浮動軸承直徑加上相關(guān)間隙要大于齒輪直徑加軸承與主殼體間隙之和，使之保證在同一個空間中，使浮動軸承僅能與主殼體接觸，齒輪與主殼體之間給出一定的間隙即可避免上述問題的發(fā)生。所以只要保證軸承與齒輪軸之間的間隙A+軸承與主殼體之間的間隙B≤齒輪與主殼體之間的間隙C，就能有效地解決“掃膛”問題。通過150多臺發(fā)動機(jī)供油機(jī)構(gòu)的磨合試驗后檢查，杜絕了供油機(jī)構(gòu)產(chǎn)生“掃膛”的問題，也徹底解決了該型發(fā)動機(jī)供油機(jī)構(gòu)存在的嚴(yán)重質(zhì)量隱患。

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