石 峰

(海軍裝備部，湖南 長(zhǎng)沙 410000)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部運(yùn)動(dòng)部件多，相對(duì)運(yùn)動(dòng)部件之間常采用軸承或封嚴(yán)環(huán)連接。由于封嚴(yán)環(huán)不僅需承載一定壓力，還要在相對(duì)運(yùn)動(dòng)中起到阻隔油、氣等作用，這對(duì)封嚴(yán)環(huán)及其接觸的零件表面材質(zhì)和加工方法提出了很高的要求，也是容易發(fā)生故障的部件[1-2]。

某航空發(fā)動(dòng)機(jī)減速機(jī)匣上安裝有2Cr18Ni8W2鋼制成的分油襯套，用以流通和分隔不同壓力的油。由于2Cr18Ni8W2鋼具有較大的線膨脹系數(shù)，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)能與殼體保持一定的過盈量，使其保持氣密。分油襯套內(nèi)孔通過多道漲圈與槳軸外分油襯套相連，襯套內(nèi)表面進(jìn)行氮化處理，以提高表面耐磨性能。

1 故障現(xiàn)象

某航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車后檢查發(fā)現(xiàn)，減速機(jī)匣分油襯套內(nèi)孔發(fā)生異常磨損，出現(xiàn)多道寬約4 mm的周向磨損痕跡，局部珩磨交叉紋路不清晰(見圖1)。對(duì)應(yīng)的漲圈外表面及端面也出現(xiàn)磨損露出基體現(xiàn)象，后續(xù)多臺(tái)同型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)試車后檢查也發(fā)現(xiàn)類似故障，且磨損位置類似，都處于2#、3#、4#漲圈對(duì)應(yīng)的分油襯套內(nèi)孔位置。

圖1 某發(fā)送機(jī)分油襯套異常磨損

對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)減速機(jī)匣、漲圈、槳軸外分油襯套相關(guān)尺寸進(jìn)行測(cè)量，除磨損部位外，其余未見明顯異常。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)減速機(jī)匣分油襯套內(nèi)孔非工作面，從上到下依次選取5個(gè)部位進(jìn)行打樣膏計(jì)量粗糙度，計(jì)量結(jié)果見表1，減速機(jī)匣分油襯套內(nèi)孔的粗糙度局部偏大，最大約為Ra0.224 μm。

表1 減速機(jī)匣分油襯套內(nèi)孔粗糙度計(jì)量結(jié)果

2 原因分析

初步分析認(rèn)為，分油襯套內(nèi)孔珩磨紋路局部不清晰，局部粗糙度偏大，在漲圈的彈力及漲圈軸向和周向運(yùn)動(dòng)作用下，分油襯套內(nèi)表面微觀突起或尖角毛刺易脫落成細(xì)小高點(diǎn)嵌入漲圈，導(dǎo)致襯套表面磨損[3-4]。擬采用400目油石對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)分油襯套進(jìn)行珩磨返修(原用320目油石)，降低襯套內(nèi)表面粗糙度，并保證珩磨紋路清晰后，進(jìn)行試車驗(yàn)證。

采用400目油石對(duì)其中2號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)分油襯套內(nèi)表面進(jìn)行補(bǔ)充珩磨，去除異常磨損痕跡后內(nèi)孔粗糙度測(cè)量為Ra0.1 μm，同時(shí)檢查內(nèi)孔表面存在珩磨交叉紋路，目視無毛刺等缺陷。但進(jìn)行試車驗(yàn)證后，分油襯套內(nèi)表面與漲圈接觸處異常磨損現(xiàn)象并未改善。

2.1 理化分析

為了進(jìn)一步分析磨損原因，抽取有典型故障現(xiàn)象的1號(hào)、2號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)減速機(jī)匣分油襯套及部分磨損的漲圈進(jìn)行理化分析。

2.1.1 宏觀檢查

1號(hào)機(jī)減速機(jī)匣分油襯套內(nèi)表面上與2#和3#漲圈裝配部位存在周向磨損痕跡，整周磨損形貌及程度基本一致，兩道磨損帶軸向?qū)挾染s4 mm；2號(hào)機(jī)減速機(jī)匣分油襯套內(nèi)孔按要求珩磨至φ170.07 mm后仍存在周向磨損痕跡，且存在2條較深的劃痕。對(duì)1、2號(hào)機(jī)分油襯套磨損部位進(jìn)行放大觀察，可見明顯周向磨痕及與磨損方向垂直的微裂紋和顯微剝落現(xiàn)象(見圖2)。

圖2 1號(hào)機(jī)分油襯套內(nèi)表面與漲圈接觸磨損部位微觀形貌

對(duì)1號(hào)機(jī)3#漲圈和2號(hào)機(jī)2#、3#漲圈外表面進(jìn)行顯微觀察發(fā)現(xiàn)，磨損嚴(yán)重的金屬粘接區(qū)部位存在較多粘附物，其余磨損部位存在少量分散的細(xì)小顆粒狀粘附物，粘附物經(jīng)能譜分析為不銹鋼，與分油襯套材料基本一致。

2.1.2 金相檢查

在1、2號(hào)機(jī)分油襯套磨損部位及遠(yuǎn)離磨損區(qū)域的正常部位取樣進(jìn)行金相檢查，滲氮層深度及磨損深度具體情況見表2。

表2 1、2號(hào)機(jī)分油襯套滲氮層深度及磨損深度

分油襯套內(nèi)表面磨損部位氮化層局部存在微裂紋(見圖3)。磨損附近氮化層未見裂紋及剝落現(xiàn)象，磨損部位及其余部位滲層組織基本一致，心部組織正常。

圖3 1號(hào)、2號(hào)機(jī)分油襯套磨損部位表面組織

對(duì)漲圈磨損部位進(jìn)行剖切檢查，發(fā)現(xiàn)漲圈外表面磨損嚴(yán)重，均存在灰色嵌入物，嵌入物最大尺寸約為0.3 mm×0.1 mm(見圖4)。經(jīng)能譜分析，嵌入物成分與分油襯套材料基本一致。

圖4 漲圈外表面磨損部位表面組織和心部組織

2.1.3 硬度檢查

對(duì)1、2號(hào)機(jī)漲圈成分進(jìn)行化學(xué)定量分析、能譜分析，對(duì)分油襯套硬度和氮化層脆性、漲圈硬度進(jìn)行檢測(cè)，均符合相關(guān)要求。

2.2 原因分析

根據(jù)理化分析結(jié)果以及漲圈封嚴(yán)結(jié)構(gòu)原理，列出分油襯套內(nèi)孔異常磨損所有可能原因，并逐一排查。

2.2.1 材質(zhì)缺陷

若漲圈、分油襯套材質(zhì)不合格，含有夾雜物，可引起分油襯套磨損[5]。而理化分析結(jié)果表明，漲圈、分油襯套材材質(zhì)及冶金質(zhì)量符合相關(guān)技術(shù)條件要求，因此可排除該因素。

2.2.2 熱處理缺陷

若因熱處理的原因?qū)е聺q圈硬度不合格，則漲圈不耐磨，也會(huì)引起分油襯套磨損[6-7]。漲圈理化分析結(jié)果表明，漲圈硬度滿足要求，且同批次漲圈安裝在其他發(fā)動(dòng)機(jī)上未出現(xiàn)類似故障，因此排除該原因。

若因熱處理的原因?qū)е路钟鸵r套氮化層深度、硬度不合格，則分油襯套本身易被磨損。而經(jīng)襯套理化分析，結(jié)果表明氮化層深度及硬度符合要求。

2.2.3 加工質(zhì)量缺陷

若漲圈彈力值不合格，工作過程中不能緊貼分油襯套內(nèi)表面，易發(fā)生周向轉(zhuǎn)動(dòng)，引起分油襯套磨損[8]。但經(jīng)復(fù)測(cè)漲圈彈力值，均在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。

若漲圈尺寸不合格，工作過程中發(fā)生異常轉(zhuǎn)動(dòng)，也可引起分油襯套磨損。經(jīng)復(fù)查故障發(fā)動(dòng)機(jī)漲圈加工質(zhì)量記錄和部分漲圈的尺寸，均無異常且滿足設(shè)計(jì)要求。

若槳軸外分油襯套漲圈槽存在銳邊，易刮傷漲圈端面并引起漲圈發(fā)生周向轉(zhuǎn)動(dòng)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查故障發(fā)動(dòng)機(jī)槳軸外分油襯套漲圈槽加工情況，未發(fā)現(xiàn)銳邊、毛刺等，排除該原因。

若分油襯套內(nèi)孔粗糙度偏大，內(nèi)孔局部存在細(xì)小高點(diǎn)，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中，分油襯套與漲圈存在著相對(duì)運(yùn)動(dòng)，細(xì)小高點(diǎn)易被磨損后會(huì)鑲嵌到漲圈的外表面，最終磨損分油襯套。通過2號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)使用400目油石補(bǔ)充珩磨后，粗糙度降低到Ra0.1 μm，但試車分解驗(yàn)證后仍出現(xiàn)異常磨損故障，因此這也不是異常磨損的原因。

若分油襯套內(nèi)孔加工珩磨紋路不清晰或紋路較淺，會(huì)影響襯套表面儲(chǔ)油、持油能力，不易使滑油在摩擦面形成動(dòng)壓油膜，致使?jié)櫥瑮l件下降，出現(xiàn)干摩擦[9]。摩擦產(chǎn)生的細(xì)小顆粒會(huì)鑲嵌到漲圈的外表面，形成硬質(zhì)凸點(diǎn)，在工作過程中，硬質(zhì)點(diǎn)會(huì)加劇對(duì)分油襯套內(nèi)表面的磨損，而磨損物進(jìn)一步鑲嵌到漲圈外表面，導(dǎo)致分油襯套內(nèi)表面的磨損不斷加劇。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)分解檢查情況，該發(fā)動(dòng)機(jī)減速機(jī)匣分油襯套前端內(nèi)表面珩磨加工紋路不清晰，后續(xù)2號(hào)機(jī)用400目油石珩磨后其交叉紋路較淺(見圖5)。因此該因素不能排除。

圖5 400目和320目油石加工后分油襯套

2.2.4 裝配質(zhì)量缺陷

若漲圈裝配時(shí)開口存在銳邊，工作時(shí)銳邊會(huì)將分油襯套氮化層刮傷，造成漲圈外表面和分油襯套磨損。檢查故障發(fā)動(dòng)機(jī)漲圈切口，切口端面棱邊及棱角均符合要求。

若漲圈對(duì)象件分油襯套和槳軸外分油襯套有偏斜，帶動(dòng)漲圈發(fā)生偏轉(zhuǎn)，工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生異常磨損。通過復(fù)查故障件及相關(guān)零件制造符合性，未見異常。分解后復(fù)測(cè)對(duì)象件分油襯套內(nèi)孔圓柱度、同軸度和槳軸外分油襯套端面跳動(dòng)、平行度，均符合設(shè)計(jì)要求，排除該因素。

2.2.5 工作條件異常

滑油壓差波動(dòng)大，可造成漲圈在分油襯套內(nèi)異常往復(fù)運(yùn)動(dòng)。通過復(fù)查故障發(fā)動(dòng)機(jī)試車記錄，其滑油壓力、油路壓力均正常，排除該因素。

3 問題解決

3.1 故障定位

3.2 機(jī)理分析

漲圈工作原理如圖6所示，分油襯套內(nèi)漲圈工作時(shí)，前后壓差ΔP將漲圈壓在槳軸外分油襯套漲圈槽側(cè)面，產(chǎn)生摩擦力矩M1；同時(shí)漲圈彈力和漲圈內(nèi)表面的滑油壓力使?jié)q圈外表面壓緊在分油襯套上，產(chǎn)生摩擦力矩M2。當(dāng)M1>M2時(shí)，漲圈會(huì)隨槳軸外分油襯套轉(zhuǎn)動(dòng)。槳軸外分油襯套上依次裝有多道漲圈，其中2#、3#漲圈用于隔開減速器潤(rùn)滑油路與定距油路，在發(fā)動(dòng)機(jī)試車時(shí)，定距油路滑油壓力會(huì)在0.1～3.8 MPa之間不斷變動(dòng)，使得第2#、3#漲圈前后壓差ΔP變化比其他封嚴(yán)漲圈大，即間斷地增大了摩擦力矩M1，使2#、3#漲圈較其他漲圈更容易發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，加之珩磨不良導(dǎo)致的減速機(jī)匣分油襯套內(nèi)表面布油能力差，致使故障發(fā)動(dòng)機(jī)減速機(jī)匣分油襯套內(nèi)孔在2#、3#漲圈工作接觸處出現(xiàn)磨損。

圖6 漲圈工作原理圖

3.3 解決驗(yàn)證

使用320目油石對(duì)減速機(jī)匣分油襯套進(jìn)行返修，返修后分油襯套內(nèi)孔表面珩磨紋路清晰，重新進(jìn)行試車驗(yàn)證，減速機(jī)匣分油襯套均未發(fā)生磨損，問題得到解決。

4 結(jié)語

影響航空發(fā)動(dòng)機(jī)等高精密設(shè)備環(huán)形滑動(dòng)摩擦面磨損的因素很多，在以往的故障原因追朔時(shí)，易將故障歸因于零件尺寸超差、運(yùn)行條件不穩(wěn)定、運(yùn)動(dòng)表面粗糙度不合格等[10]。珩磨工藝作為去除零件加工余量，提高零件尺寸精度和表面粗糙度的有效加工方法，大量應(yīng)用于零件表面加工。在使用珩磨對(duì)環(huán)形滑動(dòng)摩擦面進(jìn)行加工時(shí)，應(yīng)注意檢查珩磨工藝的有效性，以防止摩擦面磨損故障發(fā)生，提高設(shè)備運(yùn)行可靠性。