某型航空燃油泵石墨滑動(dòng)軸承拆卸及安裝工藝研究

張 峰 從德勝 顧克禹

(國(guó)營(yíng)蕪湖機(jī)械廠 安徽蕪湖 241007)

石墨軸承廣泛應(yīng)用于高速旋轉(zhuǎn)副的端面密封[1-3]。其在力學(xué)性能方面，具有能承受一定彎矩的能力及抗壓縮應(yīng)力作用下變形和破壞的能力；在熱物理性能方面，具有與金屬基體相近的線膨脹系數(shù)和較大的導(dǎo)熱系數(shù)；在摩擦學(xué)性能方面，具有穩(wěn)定的摩擦因數(shù)及較小的磨損量。目前，針對(duì)石墨軸承密封與磨損特性的研究，多數(shù)是關(guān)于材料選擇、摩擦潤(rùn)滑性能以及生產(chǎn)控制等方面[4-8]。飛機(jī)燃油泵是一種高速、離心式燃油增壓泵，主要作用是在燃油系統(tǒng)工作中向液動(dòng)渦輪泵提供傳動(dòng)燃油和向射流泵輸送工作燃油。工作過(guò)程中，通過(guò)殼體潤(rùn)滑油孔和石墨軸承上的螺旋油道引入少量燃油，在石墨軸承支承部位形成油膜，實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑與密封。若石墨軸承工作端面有掉塊、劃傷、磨損超差等缺陷，容易造成工作時(shí)油膜難以維持，并引起磨損、泄漏故障[9-10]。

某型飛機(jī)燃油泵在定期維修時(shí)，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)燃油泵殼體內(nèi)石墨滑動(dòng)軸承有掉塊、劃傷、磨損以及尺寸超差現(xiàn)象。為避免因石墨軸承磨損、掉塊等缺陷導(dǎo)致的燃油泵故障，需及時(shí)更換故障軸承。本文作者制定石墨軸承更換方法與工藝，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。該方法也可以推廣應(yīng)用到相似燃油泵的修理和其他設(shè)備中石墨軸承的更換。

1 燃油泵殼體結(jié)構(gòu)

燃油泵殼體組件主要由石墨軸承1、蝸殼2、殼體3、銷釘4、襯套5和石墨軸承6等零件組成，裝配關(guān)系如圖1所示。石墨軸承1與蝸殼2的配合過(guò)盈量為0.05～0.10 mm，石墨軸承6與襯套5的配合過(guò)盈量為0.055～0.10 mm，石墨軸承裝配時(shí)外徑配合面涂膠，以提高石墨軸承整體安裝強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度[6]。襯套5外徑與殼體3內(nèi)孔之間的配合過(guò)盈量為0.10～0.15 mm。

圖1 燃油泵殼體結(jié)構(gòu)Fig 1 The structure of fuel pump

2 石墨軸承更換方法與工藝研究

燃油泵維修過(guò)程中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)石墨軸承1、6掉塊、磨損，需要大、小石墨軸承一起更換，并重新定位加工保證同心度?？紤]維修更換與制造過(guò)程的裝配狀態(tài)不同，需要從4個(gè)方面研究確定更換方案：

(1)需要考慮最小的更換難度，研究石墨軸承與殼體組件的最佳分解方案；

(2)分解后，需要考慮石墨軸承的無(wú)損安裝，開展石墨軸承更換裝配方法研究；

(3)開展裝配后的補(bǔ)充加工工藝研究，保證石墨軸承孔與殼體組件的跳動(dòng)量，以及大、小石墨軸承的同心；

(4)石墨軸承更換后，對(duì)燃油泵開展環(huán)境試驗(yàn)和耐久試驗(yàn)驗(yàn)證，確定石墨軸承尺寸磨損規(guī)律，分析石墨軸承更換后使用壽命。

2.1 石墨軸承更換分解方法

針對(duì)石墨軸承6的分解，確定2種分解方式：

(1)先將襯套5和石墨軸承6從殼體3上整體取出，后對(duì)石墨軸承6進(jìn)行破壞性分解。裝配按照產(chǎn)品制造時(shí)的裝配順序進(jìn)行。該分解方案方便將石墨軸承6過(guò)盈壓入襯套5內(nèi)，但銷釘4與殼體3為盲孔過(guò)盈配合，常規(guī)方法無(wú)法直接取出襯套5，且該分解方案需要破壞掉銷釘4，容易損傷殼體3和襯套5。

(2)在殼體3上直接對(duì)石墨軸承6進(jìn)行破壞性分解，不再分解襯套5和銷釘4，后續(xù)直接將石墨軸承6壓入襯套5內(nèi)；在蝸殼2上直接破壞性分解石墨軸承1。該分解方案相對(duì)步驟簡(jiǎn)單，操作難度小。但在后續(xù)石墨軸承壓入過(guò)程中，由于襯套5和殼體3組合件壁厚較大，過(guò)盈壓入成功率較低。

為減少殼體組件分解難度，避免過(guò)度分解對(duì)燃油泵其他零件造成損傷，文中采用分解方式二，并制作專用于裝夾蝸殼組合和殼體組合的車床夾具，對(duì)損壞的石墨軸承進(jìn)行車削去除。為避免損傷過(guò)盈金屬面，車削時(shí)留下較少部分，然后手工進(jìn)行徹底去除。

2.2 石墨軸承過(guò)盈配合無(wú)損安裝方法

2.2.1 熱裝法與冷裝法

一般過(guò)盈配合裝配方法主要采用動(dòng)、靜力壓裝法，溫差裝配法[11]。考慮石墨軸承的硬脆性，壓裝法無(wú)法滿足無(wú)損安裝要求，不適用于石墨軸承的過(guò)盈配合裝配。溫差裝配法主要有熱裝法和冷裝法，主要利用材料的熱脹冷縮物理特性，形成一定的間隙后進(jìn)行裝配。熱裝法的加熱溫度不超過(guò)材料回火溫度[12]。

熱裝法的加熱溫度與過(guò)盈量的關(guān)系[13]為

(1)

式中：t為零件的加熱溫度，℃；i為零件裝配后平均過(guò)盈量，mm；α為材料的線膨脹系數(shù)，10-6℃-1；d為零件包容表面的公稱直徑，mm；t0為環(huán)境溫度，℃。

冷裝法的冷卻溫度與過(guò)盈量的關(guān)系[14]為

(2)

式中：t為零件的冷卻溫度，℃；i為零件裝配后平均過(guò)盈量，mm；α為材料的線膨脹系數(shù)，10-6℃-1；d為零件包容表面的公稱直徑，mm；t0為環(huán)境溫度，℃。

2.2.2 安裝方法的選擇

已知蝸殼材料為ZL105，軸承襯套為TC6材料，根據(jù)《航空材料手冊(cè)》其線性膨脹系數(shù)α如表1所示。參考石墨分類及性能參數(shù)的相關(guān)文獻(xiàn)，石墨材料M234其厚度方向線性膨脹系數(shù)可定為5.5×10-6℃-1。燃油泵殼體結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)圖1。

表1 材料熱膨脹系數(shù)Table 1 Material thermal expansion coefficient

蝸殼與石墨軸承的安裝，采用熱裝法，根據(jù)公式(1)，最小裝配溫度t1:

殼體組件與石墨軸承的安裝，采用熱裝法，根據(jù)公式(1)，最小裝配溫度t2:

考慮鋁合金ZL105材料低溫回火溫度(時(shí)效溫度)在200 ℃左右，可以將高溫最高設(shè)定為200 ℃，此時(shí)可以滿足蝸殼與石墨軸承的安裝，但不滿足殼體組件與石墨軸承的安裝，需要對(duì)石墨軸承進(jìn)行冷凍。

當(dāng)殼體組件加熱200 ℃，根據(jù)公式(1)，可滿足裝配過(guò)盈量為0.045 mm；剩下最小過(guò)盈量為0.01 mm，根據(jù)公式(2)，需要冷卻至-51.3 ℃。參考HB5830.9—1984，結(jié)合高低溫設(shè)備最低溫度條件，為方面快速裝配，將低溫溫度限定為-60 ℃。

基于上述分析，石墨軸承的安裝采用了“熱裝+冷裝”的形式，即對(duì)殼體3和襯套5在高溫箱內(nèi)整體加熱至200 ℃，保溫30 min；同時(shí)對(duì)石墨軸承1和6在低溫箱內(nèi)冷凍至-60 ℃，保溫30 min，后取出殼體快速加裝。安裝時(shí)在石墨軸承過(guò)盈面涂膠，用壓床緩緩壓入，防止將軸承壓裂，冷卻至常溫即可。

2.3 殼體組件石墨軸承裝配后的加工方案

車工需要以圖2所示的φ70 mm外徑定位，對(duì)石墨軸承端面和內(nèi)徑進(jìn)行加工，以保證殼體組件和蝸殼組件石墨軸承孔的跳動(dòng)量不大于0.03 mm。將過(guò)渡盤壓在數(shù)控加工中心平臺(tái)上定位加工到規(guī)定精度與尺寸。具體方案如下：

第一步，加工圖2(a)中所示加工面，找正表面G和表面H在0.03 mm以內(nèi)，加工石墨軸承內(nèi)孔和外端面。

第二步，加工圖2(b)中所示加工面，以表面G為定位基準(zhǔn)，同時(shí)找正加工完成的石墨軸承內(nèi)孔在0.03 mm以內(nèi)。

圖2 殼體組件裝配后車削示意Fig 2 Schematic of turning after shell assembly

第三步，保持第二步的殼體組件在機(jī)床和工裝上的裝配狀態(tài)不變，將蝸殼組件安裝到殼體組件上，并擰上4個(gè)自鎖螺母，擰緊力矩為3 N·m，然后加工蝸殼組件上的石墨軸承孔。加工圖3中所示加工面。

圖3 蝸殼組件裝配后削示意Fig 3 Schematic of turning after volute assembly

車削過(guò)程中的工裝夾具根據(jù)產(chǎn)品技術(shù)要求設(shè)計(jì)。為了確保滿足產(chǎn)品的最終尺寸精度和形位誤差要求，加工安裝校正時(shí)的誤差應(yīng)盡量控制在產(chǎn)品形位誤差的1/2之內(nèi)。車削加工時(shí)，石墨軸承內(nèi)孔和端面均留有不超過(guò)0.01 mm的研磨余量，車削加工完成后對(duì)石墨軸承內(nèi)孔進(jìn)行研磨至尺寸，同時(shí)保證要求的粗糙度。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 石墨軸承更換后的驗(yàn)證方法

石墨軸承的更換本質(zhì)上沒(méi)有對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)進(jìn)行更改，因此，試驗(yàn)驗(yàn)證方法無(wú)需嚴(yán)格按照產(chǎn)品鑒定檢驗(yàn)要求進(jìn)行，但需要對(duì)更換后的燃油泵進(jìn)行耐久試驗(yàn)驗(yàn)證階段使用壽命的可靠性，常規(guī)性試驗(yàn)檢驗(yàn)燃油泵工作性能。

耐久性試驗(yàn)具體試驗(yàn)狀態(tài)和試驗(yàn)要求參考燃油泵制造技術(shù)相關(guān)規(guī)范規(guī)定，見(jiàn)表2。每5個(gè)試驗(yàn)狀態(tài)為1個(gè)循環(huán)，試驗(yàn)過(guò)程中，允許中途停車或檢查試驗(yàn)狀態(tài)。根據(jù)燃油泵制造技術(shù)規(guī)范規(guī)定，鑒定試驗(yàn)中的耐久性試驗(yàn)階段數(shù)是根據(jù)產(chǎn)品首翻期的1.5倍(即1 800 h)確定的，質(zhì)量一致性試驗(yàn)的循環(huán)數(shù)為52次，共520 h。

表2 燃油泵耐久性試驗(yàn)要求Table 2 Fuel pump endurance test requirement

為了快速、有效、科學(xué)地完成驗(yàn)證，節(jié)省相關(guān)資源，可進(jìn)行部分試驗(yàn)驗(yàn)證，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢(shì)性分析。具體為先完成20個(gè)階段共200 h的耐久性試驗(yàn)，每2個(gè)階段進(jìn)行一次分解，測(cè)量石墨軸承內(nèi)孔和端面尺寸數(shù)據(jù)，根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行石墨軸承磨損趨勢(shì)性分析。若前200 h耐久試驗(yàn)，石墨軸承磨損量隨工作時(shí)間變化規(guī)律為線性狀態(tài)或?yàn)榉蔷€性遞減狀態(tài)，證明磨損數(shù)據(jù)收斂可直接預(yù)測(cè)后面的磨損情況，則不再進(jìn)行后續(xù)耐久性試驗(yàn)；若石墨軸承磨損量為非線性遞增狀態(tài)，則繼續(xù)進(jìn)行耐久試驗(yàn)，每一個(gè)循環(huán)進(jìn)行一次測(cè)量，直至完成520 h耐久試驗(yàn)，中途若出現(xiàn)石墨崩壞、泄漏等故障，試驗(yàn)失敗。

3.2 耐久性試驗(yàn)

更換石墨軸承后的兩臺(tái)燃油泵進(jìn)行常規(guī)性性能試驗(yàn)合格后，采用圖4所示試驗(yàn)裝置進(jìn)行耐久性試驗(yàn)，試驗(yàn)參數(shù)如表2所示。試驗(yàn)過(guò)程中，每2個(gè)階段進(jìn)行一次分解，檢查主要旋轉(zhuǎn)副外觀有無(wú)磨損，石墨軸承有無(wú)松動(dòng)、掉塊、異常磨損現(xiàn)象，密封裝置石墨密封墊有無(wú)異常磨損和偏磨現(xiàn)象，觀察200 h耐久試驗(yàn)中石墨軸承磨損規(guī)律。從圖5可見(jiàn)，主要旋轉(zhuǎn)副沒(méi)有明顯的異常磨損現(xiàn)象，石墨軸承也無(wú)松動(dòng)、掉塊現(xiàn)象。測(cè)量得到的石墨軸承關(guān)鍵尺寸變化如圖6所示，從第4階段(60 h)開始，殼體組件石墨軸承內(nèi)徑尺寸、端面尺寸變化呈水平直線狀，說(shuō)明產(chǎn)品工作狀態(tài)保持穩(wěn)定，石墨軸承磨損量趨于穩(wěn)定。圖7所示為蝸殼組件內(nèi)石墨軸承內(nèi)徑尺寸變化，從第3階段(40 h)開始石墨軸承磨損量趨于穩(wěn)定。根據(jù)制定的耐久試驗(yàn)方案，不需繼續(xù)進(jìn)行520 h驗(yàn)證，并且可以推測(cè)石墨軸承在520 h耐久試驗(yàn)時(shí)的磨損量不變。

圖4 燃油泵耐久試驗(yàn)裝置Fig 4 Fuel pump endurance test device

圖5 試驗(yàn)后主要旋轉(zhuǎn)副的分解檢查Fig 5 The decomposition check of main friction pair after the test

圖6 殼體組合軸承尺寸變化Fig 6 The size change of shell composite bearing

圖7 蝸殼組件軸承內(nèi)徑尺寸變化Fig 7 The size change of volute composite bearing

4 結(jié)論

研究燃油泵中損壞石墨軸承的拆卸和安裝方法，確定石墨軸承直接破壞性分解的方案；提出采用“熱裝+冷裝”的石墨軸承過(guò)盈裝配方法并確定裝配溫度；確定石墨軸承裝配后的加工方案，保證了石墨軸承的尺寸、精度和跳動(dòng)量符合要求。耐久性試驗(yàn)結(jié)果表明，石墨軸承無(wú)松動(dòng)、裂紋、掉塊現(xiàn)象，且尺寸變化穩(wěn)定，滿足石墨軸承更換后的尺寸和壽命預(yù)測(cè)要求。