飞机燃油泵石墨轴承原位维修技术研究

丁思扬

摘 要：燃油泵是飞机燃油系统的核心部件，也是实现飞机飞行和任务执行的重要保证，长期工作易造成石墨轴承掉块，引发燃油泵工作效率降低或燃油泄漏故障，直接影响发动机输油效率，甚至造成输油中断和空中停车，危及飞机安全。为实现石墨轴承的原位更换，保证装备修理质量，提升产品保障能力，本文对燃油泵的故障机理、石墨轴承的无损分解及装配方法、石墨轴承的配合加工方法以及更换后燃油泵的可靠性试验验证方法进行了分析。

关键词：石墨轴承;原位更换;配合加工;试验验证

中图分类号：V267文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）03-0040-05

Research on In-Situ Maintenance Technology of

Graphite Bearing of Aircraft Fuel Pump

DING Siyang

（State-owned Wuhu Machinery Factory，Wuhu Anhui 241007）

Abstract： Fuel pump is the core component of aircraft fuel system， and it is also an important guarantee for aircraft flight and mission execution， long-term work can easily cause the graphite bearing to fall off， cause the fuel pump to reduce the efficiency or fuel leakage， directly affect the engine fuel delivery efficiency， and even cause fuel delivery interruption and aerial parking， endangering the safety of the aircraft. In order to realize the in-situ replacement of graphite bearings， ensure the quality of equipment repairs， and improve product support capabilities， this paper analyzed the failure mechanism of fuel pumps， the nondestructive decomposition and assembly methods of graphite bearings， the matching processing methods of graphite bearings， and the reliability test verification method of the fuel pump after replacement.

Keywords： graphite bearing;in-situ replacement;matching processing;test verification

隨着国防科技和工业实力的逐步增强，飞机的完好性需求与修理能力不足之间的矛盾愈来愈突显。燃油系统部附件产品的质量和修理进度一直是影响修理周期的重要因素，燃油系统/部附件产品亟待解决的重要难题之一就是燃油泵修理。本文主要针对燃油泵的故障机理、石墨轴承的无损分解及装配方法、石墨轴承的配合加工及更换后燃油泵的可靠性试验验证方法等进行研究。

1 燃油泵工作原理

本文研究的燃油泵为单吸单级离心式增压泵，依靠发动机工作，带动叶轮旋转，从而源源不断为供输油管路提供燃油压力。

1.1 离心泵典型结构

单吸单级离心泵基本机构如图1所示，主要包括壳体组件、蜗壳组件、轴、花键轴、密封装置、诱导轮和离心叶轮等零件，壳体组件右端的法兰面借助快卸卡箍把泵固定在传动机匣上。蜗壳组件设有蜗型管，其转向与燃油进入泵的方向成90°，泵体和发动机采用花键轴连接，有利于产品的拆卸和维修[1-2]。

1.2 燃油泵工作原理

燃油泵通过发动机附件机匣带动花键轴转动，花键轴又带动泵轴转动，泵轴通过平键带动诱导轮与离心叶轮一起转动。燃油由诱导轮进入叶轮，在此增压后，由于离心力作用，其以一定的速度和压力进入蜗壳流道，最后经过蜗型管进入燃油系统管道。从高压区（旋转组合件后）到低压区（油泵进口和工作叶轮进口）流动的循环燃油对轴承进行冷却和润滑。离心泵就是利用叶轮高速旋转而使燃油产生离心运动来开展工作的，工作原理示意如图2所示。

2 石墨轴承原位更换技术研究

石墨轴承材料强度低，直接压装易造成石墨轴承破裂，石墨轴承与壳体为过盈配合，在分解、再装配过程中，石墨轴承极易损坏，如何在不破坏壳体的情况下完成石墨轴承的分解和再装配，同时确保更换零件最少，是需要解决的重要问题[3]。

2.1 石墨轴承产品图样技术要求

燃油泵壳体组件主要由壳体1、石墨轴承2、销钉3、衬套4和石墨轴承5等零件组成，如图3所示。石墨轴承2外径与衬套4内孔之间的配合过盈量为0.05～0.10 mm，石墨轴承5外径与衬套4内孔之间的配合过盈量为0.055～0.100 mm。衬套4外径与壳体1内孔之间的配合过盈量为0.10～0.15 mm，销钉3外径与壳体1、衬套4销钉孔之间的配合过盈量为0.007～0.031 mm，装配后需要对销钉4端部按HB0-2-P防松方法进行冲点。

2.2 石墨轴承原位更换与制造差异

根据燃油泵零件过盈装配情况，人们需要在不破坏壳体和其他零件的情况下完成分解。若按制造时装配顺序开展分解，则需要采用如下工步：用电火花将销钉3去除，将衬套4、石墨轴承2、石墨轴承5从壳体1上取下，然后将石墨轴承2和石墨轴承5破坏性分解。但销钉3与壳体1为盲孔过盈配合，分解难度大，而且该分解方案容易损伤壳体1和衬套4，损坏后只能更换成品。因此，只能在保证衬套4和销钉3不分解的情况下破坏石墨轴承。

对于燃油泵蜗壳、壳体组件石墨轴承装配后的补充加工，修理与制造过程中的零件状态有明显差异。产品修理时，零件表面已加工到位，无法再次加工。产品经过了一次翻修期使用，在石墨轴承装配过程中进行了190 ℃加温，原来一次成形的表面有可能因零件轻微变形而出现相对形位公差变差的情况。因此，在该项目进行中，要对重要的设计基准表面进行找正，然后对石墨轴承端面和内孔进行加工。

3 上下壳体轴承配合加工研究

壳体和蜗壳组件装配后，体积较大，基准孔与被加工孔跨度长，不容易保证同轴度，也不容易同时保证下壳体内外端面对轴承内孔的垂直度，工装夹具设计制造难度大，而且对于石墨轴承的机械加工，修理厂没有加工先例和成熟经验，石墨轴承的补充加工是该项目研究的技术难点之一[4-5]。

3.1 石墨轴承配合加工要求及难点

壳体组件设计图样对石墨轴承装配后的补充加工要求如图4所示。壳体组件设计图样要求，石墨轴承装配后对石墨轴承端面和内孔进行补充加工，另外还需要对图4所示的表面D、表面E、表面F、表面G、表面H、表面I、表面J和表面K进行补充加工，以保证图4所示的跳动量和形位公差。图中，长度数据单位均为毫米（mm）。

在产品修理中，以上金属材料表面均已加工到位，无法再次加工，因此需要对重要的设计基准表面进行找正，然后对石墨轴承端面和内孔进行加工。

燃油泵蜗壳体和蜗壳组件设计图样对蜗壳组件石墨轴承装配的补充加工要求如图5和图6所示。设计图样要求蜗壳组件石墨轴承装配后，对石墨轴承内孔进行补充加工，另外还需要对图5所示的表面L和图6所示的表面M进行补充加工，以保证图示跳动量。修理中，以上金属表面均已加工到位，无法再次加工。

3.2 轴承装配后补充加工技术要求及解决措施

对于蜗壳组件、壳体组件石墨轴承装配后的补充加工，产品修理过程与制造过程中的零件状态有明显差异。修理时，零件均已加工到位，且产品经过了一次翻修期使用，再装配需要加温至190 ℃，原一次成形的表面可能因变形而出现相对形位公差变差的情况。

首先需要对重要的设计基准表面进行找正，然后对轴承端面和内孔进行加工。根据燃油泵装机连接、工作原理及产品设计图样，蜗壳、壳体重要的设计基准表面为图4中的表面G和表面H，零件加工过程中需要保证石墨轴承加工表面对表面G和表面H的形位公差。

基于以上分析，燃油泵修理过程中，石墨轴承补充加工方案如下：第一步，如图7所示，找正表面G和表面H在0.03 mm以内，加工轴承内孔和外端面;第二步，如图8所示，以表面G为定位基准，同时找正石墨轴承内孔在0.03 mm以内，加工石墨轴承内端面;第三步，保持第二步壳体在机床和工装上的装配状态不变，将蜗壳组件安装到壳体上，并拧上自锁螺母，拧紧力矩为2.94 N·m，然后加工蜗壳组件上的石墨轴承孔，如图9所示。

车修时，根据产品要求设计工装夹具，为确保其满足最终尺寸精度和形位误差要求，加工安装误差应尽量控制在产品形位误差的1/2之内，然后进行车削加工。同时，石墨轴承内孔和端面均留不超过0.01 mm的研磨余量，加工完成后对石墨轴承内孔进行研磨，保证图示粗糙度。

4 燃油泵试验验证分析

在完成原位更换，满足配合间隙、同轴度和表面粗糙度检查要求后，石墨轴承需要重新装配。为充分验证该更换方法是否满足使用要求，按照技术规范，人们需要进行性能和磨合试验。

4.1 试验验证技术要求

耐久性试验状态和要求如表1所示，每5个试验状态为1个循环，试验过程中允许中途停车或交换试验状态。参考制造技术条件中耐久性试验相关规定，石墨轴承更换并完成装配试验后，首先进行10个阶段200 h的耐久性试验，并且每1个阶段（2个循环）20 h进行一次分解，对石墨轴承内孔和端面尺寸进行测量，观察每20 h耐久试验中的石墨轴承磨损规律。比如，10次分解检查中，若石墨轴承磨损量随工作时间变化的规律为线性状态或为非线性递减状态，则不再进行后续耐久性试验，可以以第10次分解测量出的磨损量作为20 h耐久性试验磨损计算固定值，进行520 h工作磨损量计算;若石墨轴承磨损量为非线性递增状态，则需要对产品进行520 h耐久性试验，如果出现异常磨损，就可认定耐久性试验失败，需要分解产品，查找原因，排除故障后重新进行试验。

4.2 试验数据及分析

下面分别对10个阶段分解检查的数据（见表2）进行统计，得出壳体组合轴承内径尺寸、端面尺寸及蜗壳组合轴承内径尺寸的变化曲线，分别如图10、图11和图12所示。

从图10至图12可以看出，从第四阶段（60 h）开始，壳体组合轴承内径尺寸、端面尺寸及蜗壳组合轴承内径尺寸均保持不变，产品工作状态保持稳定，石墨轴承磨损量随工作时间变化的趋势呈线性状态。根据前期制定的试验方案，可推算出520 h耐久性试验后工作磨损量极小，如表3所示。

4.3 寿命试验和以往修理产品尺寸状态对比情况

在以往燃油泵及其对应俄制产品燃油增压泵的修理过程中，大量产品的石墨轴承内径尺寸（[Ф]26 mm、[Ф]14 mm）和端面尺寸（26 mm）曾因磨损而出现超差，大部分都办理了原机自然磨损自然不合格品审理却继续装机使用。通过查询以往自然不合格品审理记录，人们找出了以往燃油增压泵继续使用的最大超差值。这些燃油泵均在部队正常使用，具体项目如表4所示。

燃油泵最大使用寿命为1 000 h，寿命试验进行200 h后，石墨轴承内径尺寸[Ф]26 mm、[Ф]14 mm和端面尺寸26 mm磨损变化为[Ф]26.025 mm、[Ф]14.020 mm和25.960 mm，最大尺寸变化量分别为0.015、0.015、0.020 mm，后期试验磨损数据基本稳定，尺寸变化不大。按磨损的最坏可能计算，此后800 h仍按该规律进行线性磨损，则工作1 000 h后三个尺寸总变化量为0.075、0.075、0.100 mm，其仍然小于或与以往继续装机使用的超差尺寸变化量相当。这说明，按照磨损的最坏可能，以上更换石墨轴承的燃油泵使用寿命仍然能够满足修后1 000 h使用可靠性要求。

通过以上分析并将更换石墨轴承后的燃油泵200 h寿命试验后的尺寸磨损变化情况与以往自然不合格品审理超差尺寸对比，笔者认为，该产品200 h寿命试验能够验证燃油泵修后使用的可靠性。

4.4 试验结论

耐久性试验完成后，经检查，燃油泵蜗壳组合和壳体组合的石墨轴承无松动、裂纹、掉块现象，而且尺寸满足要求，本次燃油泵石墨滑动轴承装配后，耐久性试验合格。

5 结语

本文以某型飞机燃油系统燃油泵的石墨轴承原位更换技术为研究核心，分析了石墨轴承装配和加工方法现状，通过探究产品结构原理和故障模式，并研究修理过程中存在的重点问题，提出了石墨轴承原位更换的方法及步骤，为同类型产品修理提供了参考。

参考文献：

[1]张人会.离心泵叶片的参数化设计及其优化研究[D].兰州：兰州理工大学，2010：22-23.

[2]廖福.离心泵叶轮的优化设计与内部流场分析[D].廣州：广东工业大学，2015：15-16.

[3]黄超，王珊.电动机石墨轴承断裂分析[J].失效分析与预防，2018（4）：209-213.

[4]孔凌嘉，王晓力，王文中.机械设计[M].北京：北京理工大学出版社，2018：43-44.

[5]濮良贵，陈国定，吴立言.机械设计[M].北京：高等教育出版社，2013：67-68.