某型涡喷发动机供油机构“扫膛”问题研究

赵阳阳，江兆平，路 明

(空军驻川西地区军事代表室，四川 成都610041)

1 问题描述

某型涡喷发动机在燃油起始供油量测试过程中，起动电机带转发动机运转约3 min后，所装发动机供油机构(齿轮泵)的泵后燃油压力及油门后燃油压力数据测量值均不上升，供油机构没有燃油流出，停车检查发现供油机构传动轴已断裂。分解检查供油机构时发现，供油机构内部齿轮与齿轮腔的间隙处有金属铝块卡住齿轮，齿轮腔壁有严重刮伤及未刮落的腔壁金属。经分析，腔壁的严重刮伤及未刮落的腔壁金属，是由于供油机构齿轮“扫膛”而引起的，造成了齿轮不能转动，最终导致供油机构传动轴断裂。

2 危害分析

供油机构在生产调试过程中，由于磨合时间不足会在主壳体腔壁上产生齿轮的擦刮痕迹，一般称为轻微“扫膛”现象。发动机供油机构存在的轻微“扫膛”现象产生的铝屑可以随着燃油的流出而带走，所以过去在生产中没有加以严格控制而进入了供油机构最后装配。针对发动机供油机构传动轴断裂问题，课题组对“扫膛”现象进行了认真的分析和研究，认为发动机供油机构存在的“扫膛”现象是引起本次发动机供油机构传动轴断裂的根本原因。分析认为，如果不高度重视轻微“扫膛”现象，最终把存在轻微“扫膛”现象的“问题供油机构”装配到发动机上，可能导致发动机在试车或正常使用时供油机构传动齿轮卡滞，使供油机构齿轮不能转动，造成发动机供油机构传动轴断裂，最终导致重大事故的发生。

3 供油机构泵油工作原理及结构

供油机构泵油工作原理为：发动机上的起动电机输出一个负载力矩，带动发动机转动，发动机的附件传动机匣带动供油机构传动轴转动，传动轴带动主动齿轮转动，主动齿轮带动从动齿轮转动。齿轮腔中由两个浮动轴承与主壳体腔进行定位。通过主动齿轮的转动把供油机构主动腔中的燃油压入从动腔中，然后再通过从动齿轮的转动将从动腔中的燃油增压后输出，给发动机提供起动燃油进行点火燃烧，使发动机正常工作。

供油机构齿轮泵主要由主动齿轮、从动齿轮、一对浮动轴承、一对固定轴承和主壳体泵腔组成，其装配结构关系如图1所示。

图1 供油机构结构图Fig.1 Structure of fuel pump

4 改进措施及验证

4.1 供油机构有关参数分析

供油机构间隙主要有：浮动(固定)轴承内孔与齿轮轴之间的间隙(4处)A=0.035～0.050 mm，浮动(固定)轴承与主壳体腔之间的间隙(4处)B=0.020～0.050 mm，主动(从动)齿轮与主壳体之间的间隙(2处)C=0.035～0.080 mm。图2示出了供油机构轴承与齿轮的装配图。

4.2 “扫膛”产生的原因分析

通过对供油机构产品图和工艺文件的认真分析与计算，发现供油机构存在的轻微“扫膛”现象实际上是齿轮对主壳体的一种擦刮现象，是设计和尺寸链计算上的缺陷所致。

图2 供油机构轴承与齿轮装配图Fig.2 Assembly of fuel pump bearing and gear

该供油机构的设计中，存在着有关尺寸链的公差带计算错误现象。根据该供油机构的有关尺寸数据，如果要使发动机供油机构不产生“扫膛”现象，浮动(固定)轴承的设计直径比齿轮的直径要大，并且保证浮动(固定)轴承外径随时与主壳体腔接触，齿轮与主壳体腔之间不接触，这样就不会产生“扫膛”现象。但由于浮动(固定)轴承内孔与齿轮轴之间存在着一定的间隙，当齿轮轴与浮动(固定)轴承内孔在轴的上端(或左、右)接触时，齿轮中心与浮动(固定)轴承中心就不重合，轴承中心就会发生偏移，造成齿轮高度大于轴承高度，齿轮就有可能与主壳体产生接触。当高速转动的齿轮转动到主壳体的 “方口”(供油机构进油口)处时，就与主壳体产生“扫膛”现象，当“扫膛”严重并产生较多的多余物时，多余物就将卡滞在齿轮顶部与主壳体之间从而形成较大阻力，造成齿轮不能正常转动，加之一外加负载力矩通过传动轴加到齿轮上，当齿轮发生卡滞不能转动时，传动轴因承受不了一直施加的外加负载力矩，就在最薄弱处断裂，致使整个供油机构失去工作能力。图3给出了齿轮轴与轴承内孔偏离情况示意简图。

下面计算当间隙为边界情况时是否存在“扫膛”现象。供油机构泵油及齿轮转动由浮动轴承来定位，浮动轴承在径向基本上不会产生位移，只有齿轮产生位移，即齿轮有位移量A。轴承轴心距主壳体腔的距离E为轴承半径与B之和。

当齿轮在最大偏移位置时，齿轮轴上部就与浮动轴承孔上部相接触。根据产品图给出的设计值：当取轴承直径为最小D2=38.975mm、轴承与主壳体的间隙为最小值B=0.020 mm、齿轮轴与轴承的间隙为最大值A=0.050mm时，主壳体腔的直径D5=D2+B=38.995 mm。由于齿轮直径的选取是根据主壳体直径来确定，如果取C=0.035 mm，则齿轮直径只能选取D3=D5-C=38.960 mm。齿轮产生位移时，相当于齿轮的直径发生了变化，则此时齿轮的直径D3′=D3+A=39.010 mm。这时齿轮的直径就大于轴承直径加轴承与主壳体间隙之和，即大于主壳体腔的直径(D3′＞D5)，齿轮就与主壳体产生擦刮，即产生“扫膛”现象。所以根据产品图给出的有关参数的计算结果，供油机构可能存在不同程度的“扫膛”现象。

图3 齿轮轴与轴承内孔偏离情况简图Fig.3 Departure scheme of gear axle and bearing inner hole

4.3 供油机构各个间隙的关系分析

根据供油机构工艺文件的规定，对主壳体、齿轮、浮动(固定)轴承零件的尺寸都要进行选配，使之满足规定的间隙要求。当各零件选定后，零件的尺寸固定不变，间隙在一定范围内变化，虽然仍然满足技术文件要求，但有关间隙尺寸确定不合理时还是有可能造成齿轮与主壳体接触，从而产生“扫膛”现象。

供油机构轴承内孔与齿轮轴之间的间隙A和轴承与主壳体之间的间隙B按配合特性、装配方法、产品特点等原则选取，引用的标准为GB/T18003-2998。齿轮与主壳体的间隙C根据A和B来确定，C=A+B。按边界计算C=0.055～0.100 mm，但承制单位选取的是C=0.035～0.080 mm，选C=0.080 mm是为了减少泄漏，但C=0.035 mm实际上是尺寸链的计算错误。

为避免“扫膛”现象，在满足A、B值的要求下，C值的选取应大于A、B之和，即A+B≤C，才能保证不产生“扫膛”现象。

验算如下：由于要求A+B≤C，取C=0.055～0.080 mm，则A≤0.040 mm，B≤0.040 mm，齿轮直径只能选取D3=D5-C=39-0.030-0.080mm，齿轮产生位移A时其直径D3′=D3+A=39+0.010-0.045mm，此时D3′就基本小于轴承直径加轴承与主壳体间隙之和(即主壳体腔直径mm)，加之必须选定C值，齿轮就不会与主壳体产生擦刮，也就不会产生“扫膛”现象。

5 结论

通过以上分析可知，本型号供油机构在设计有关间隙尺寸时没有充分考虑尺寸链的影响，造成公差选取不合理，致使该型号供油机构产生“扫膛”现象。分析认为，供油机构浮动轴承直径加上相关间隙要大于齿轮直径加轴承与主壳体间隙之和，使之保证在同一个空间中，使浮动轴承仅能与主壳体接触，齿轮与主壳体之间给出一定的间隙即可避免上述问题的发生。所以只要保证轴承与齿轮轴之间的间隙A+轴承与主壳体之间的间隙B≤齿轮与主壳体之间的间隙C，就能有效地解决“扫膛”问题。通过150多台发动机供油机构的磨合试验后检查，杜绝了供油机构产生“扫膛”的问题，也彻底解决了该型发动机供油机构存在的严重质量隐患。

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