滑油泵流量不合格排故研究

韓 寧 ，王 凱 ，趙鐵軍，史華勛

（中航工業(yè)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，沈陽(yáng) 110043）

滑油泵流量不合格排故研究

韓 寧 ，王 凱 ，趙鐵軍，史華勛

（中航工業(yè)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，沈陽(yáng) 110043）

為排除某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)滑油泵在使用1個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)壽命期后流量不合格的故障，根據(jù)滑油泵工作原理，分析了滑油溫度和滑油泵間隙（端面間隙、凸臺(tái)間隙和徑向間隙）等因素對(duì)其流量的影響。結(jié)果表明，溫度對(duì)滑油泵流量性能影響較大，其影響主要是在滑油溫度改變后，端面、凸臺(tái)和徑向間隙泄漏量變化而產(chǎn)生的；滑油泵端面間隙對(duì)流量的影響較大，端面間隙縮小0.01mm，流量可以提高1L/min左右，將滑油泵凸臺(tái)間隙調(diào)整至-0.01～0.01mm和0～0.02mm區(qū)間，流量可提高2～3L/min。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證給出了提高滑油泵流量的措施，從而排除了多臺(tái)某型發(fā)動(dòng)機(jī)滑油泵流量不合格故障。

滑油泵；流量；端面間隙；凸臺(tái)間隙；航空發(fā)動(dòng)機(jī)

0 引言

應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的滑油泵主要用于軸承和傳動(dòng)齒輪部分潤(rùn)滑油的輸送和回收，多選用容積式齒輪泵。齒輪泵分為外嚙合和內(nèi)嚙合2種，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上均有應(yīng)用，本文主要介紹外嚙合容積式齒輪泵（以下簡(jiǎn)稱(chēng)滑油泵）。某發(fā)動(dòng)機(jī)在使用1個(gè)壽命期后，部分滑油泵的流量性能有所衰減，流量試驗(yàn)值達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。如何提高滑油泵流量成為制約生產(chǎn)的主要難題之一。

本文通過(guò)分析滑油泵的工作原理和流量影響因素及試驗(yàn)驗(yàn)證，給出了提高滑油泵流量的幾項(xiàng)措施，并貫徹在實(shí)際生產(chǎn)中，排除了滑油泵在使用1個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)壽命期后流量不合格故障。

1 滑油泵工作原理

滑油泵工作原理如圖1所示。滑油泵由2個(gè)尺寸相同的外嚙合齒輪和殼體、襯套、傳動(dòng)軸等主要零組件構(gòu)成。在齒輪嚙合處的兩側(cè)殼體上開(kāi)有進(jìn)口和出口。當(dāng)齒輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，在進(jìn)口腔由于嚙合齒不斷地退出嚙合，齒谷中的空腔中壓力低于大氣壓，液體被吸入泵內(nèi)齒谷的空腔中。齒輪繼續(xù)旋轉(zhuǎn)時(shí)，液體被帶到出口腔中，處在出口腔一面的齒進(jìn)入嚙合，在1個(gè)齒輪的輪齒進(jìn)入另1個(gè)齒輪的齒谷時(shí)，使齒谷的空腔容積逐漸減小，齒谷中的油被擠向出口。在齒輪不斷旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，齒谷容積不斷交替地由增大到減小，則齒輪泵就可連續(xù)不斷地從低壓進(jìn)油管路中吸油，并向高壓出油管路供油。

2 滑油泵流量計(jì)算公式[1]

2.1 理論流量的近似計(jì)算

可采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算理論流量QL

式中：d為齒輪的節(jié)圓直徑，d=mz，mm；m為齒輪的模數(shù)，2m為輪齒的高度，mm；b為齒輪的寬度，mm；n為齒輪泵轉(zhuǎn)速，r/min；z為齒輪的齒數(shù)。

2.2 實(shí)際流量

齒輪泵實(shí)際流量總是小于理論流量。因?yàn)樵诟邏撼隹谇恢校徊糠忠后w通過(guò)齒輪泵內(nèi)各相對(duì)運(yùn)動(dòng)件間的間隙向低壓進(jìn)口腔泄漏，泄漏造成的流量損失稱(chēng)為泄漏損失。此外，還由于種種原因，會(huì)使泵在進(jìn)口腔中，液體向齒谷的充填不足，所造成流量損失稱(chēng)為充填損失。因此，泵的實(shí)際流量為理論流量減去這2部分流量損失。通常用容積效率ηv表示他們之間的關(guān)系

式中：QS為實(shí)際流量，L/min；ΔQ為流量損失，L/min。因此，實(shí)際流量為

齒輪泵的容積效率一般為0.70～0.95，根據(jù)泵的工作壓力和構(gòu)造形式選取，并通過(guò)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。

3 試驗(yàn)設(shè)備及測(cè)試手段

3.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備由直流電機(jī)、減速器、液壓油箱凈化臺(tái)、電控柜、滑油箱、補(bǔ)給箱、計(jì)量油箱、回油泵、斷油開(kāi)關(guān)、調(diào)節(jié)閥門(mén)、滑油管路、調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)、指示儀表和試驗(yàn)臺(tái)電操縱系統(tǒng)組成，分別位于3個(gè)工作間：機(jī)器房、設(shè)備間和操縱間。直流電機(jī)、減速器、液壓油箱凈化臺(tái)和電控柜位于機(jī)器房。試驗(yàn)時(shí)由直流電機(jī)輸出動(dòng)力通過(guò)減速器（減速器共有7個(gè)不同速度和旋轉(zhuǎn)方向的輸出軸，以滿(mǎn)足不同型別滑油泵的流量試驗(yàn)要求）傳遞給需要試驗(yàn)的滑油泵，電機(jī)傳動(dòng)軸上裝有感應(yīng)式轉(zhuǎn)速表用以測(cè)量轉(zhuǎn)速。滑油箱、補(bǔ)給箱、計(jì)量油箱、回油泵、斷油開(kāi)關(guān)、調(diào)節(jié)閥門(mén)和滑油管路位于設(shè)備間。滑油箱是存儲(chǔ)試驗(yàn)用工作液的容器，容積為565dm3，操縱間內(nèi)的透明玻璃計(jì)量刻度尺可方便讀取滑油箱油位，以便調(diào)整不同型別滑油泵進(jìn)行流量試驗(yàn)時(shí)油箱內(nèi)的油位。滑油箱具有電加熱功能，工作液的溫度由電接觸壓力式溫度計(jì)檢驗(yàn)和調(diào)節(jié)。補(bǔ)給箱用于保證滑油箱內(nèi)的恒定油位，容積為400dm3，采用斷油開(kāi)關(guān)來(lái)控制補(bǔ)給箱至滑油箱的油流。計(jì)量油箱用于測(cè)量滑油泵的流量，容積為160dm3，計(jì)量油箱側(cè)壁內(nèi)焊入2個(gè)導(dǎo)管，并裝有透明玻璃計(jì)量刻度尺，可直接讀出流量值。計(jì)量油箱下方有回油泵，工作過(guò)的滑油由回油泵經(jīng)過(guò)濾器輸送回滑油箱。調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)、指示儀表和試驗(yàn)臺(tái)電操縱系統(tǒng)位于操縱間，通過(guò)操縱間實(shí)現(xiàn)對(duì)滑油泵轉(zhuǎn)速、泵出口壓力和工作液溫度等參數(shù)的調(diào)節(jié)控制。

3.2 測(cè)試手段

試驗(yàn)器工作液采用HP-8A GB 439-90滑油，并將滑油加熱至65～80℃進(jìn)行試驗(yàn)。先將滑油箱內(nèi)油位調(diào)至比傳動(dòng)軸軸線(xiàn)高100～150mm的位置，然后在試驗(yàn)器上采用計(jì)量油箱容積法測(cè)量滑油泵流量。通過(guò)調(diào)整滑油泵出口截面積的方法將泵出口滑油壓力調(diào)至0.4±0.01MPa，分別將泵轉(zhuǎn)速調(diào)至4500和7250r/min以下，計(jì)時(shí)1min，通過(guò)讀取計(jì)量油箱內(nèi)的可視玻璃刻度尺（即計(jì)量油箱容積法）得到滑油泵的流量。

4 滑油泵流量影響因素及試驗(yàn)驗(yàn)證

通過(guò)式（1）可以知道影響其理論流量的根本因素為齒輪的齒數(shù)z、模數(shù)m、齒寬b及轉(zhuǎn)速n。但這些因素是滑油泵初始設(shè)計(jì)時(shí)需考慮的，在滑油泵設(shè)計(jì)定型后均為恒定量。當(dāng)其設(shè)計(jì)流量確定后，影響其流量的就是容積效率，容積效率主要取決于泄漏量的大小，而影響泄漏量的主要因素是滑油泵間隙，其次是溫度及其他影響因素。

4.1 滑油溫度影響

滑油溫度對(duì)滑油泵流量性能的影響主要是在滑油溫度改變后，經(jīng)滑油泵齒輪嚙合擠壓后的滑油通過(guò)端面、凸臺(tái)和徑向間隙泄漏量變化而產(chǎn)生的。當(dāng)滑油溫度升高，一方面，使滑油黏度減小，從而使滑油通過(guò)泵間隙的泄漏阻力減小，泄漏量增大，導(dǎo)致滑油泵流量減小；另一方面，滑油泵的殼體、襯套及齒輪材料不同，則其線(xiàn)膨脹系數(shù)不同，當(dāng)溫度改變后，不同材料的膨脹量變化不一致，使得它們之間的間隙即泵間隙也隨之改變，泄漏量也相應(yīng)改變，從而導(dǎo)致滑油泵流量改變。

為了驗(yàn)證滑油溫度對(duì)滑油泵流量的影響程度，在試驗(yàn)器上不同溫度下對(duì)某型發(fā)動(dòng)機(jī)滑油增壓泵進(jìn)行流量試驗(yàn)，文件規(guī)定流量試驗(yàn)溫度為65～80℃，于是，試驗(yàn)分別在65、72.5、80℃下進(jìn)行。經(jīng)試驗(yàn)證明，溫度對(duì)滑油泵流量性能影響較大，溫度相差15℃流量最大相差2.5L/min，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 某型發(fā)動(dòng)機(jī)滑油增壓泵在不同溫度下流量試驗(yàn)值

4.2 滑油泵間隙影響

為了保證滑油泵齒輪能在殼體、襯套之間平穩(wěn)地運(yùn)轉(zhuǎn)，又不能使擠壓后的滑油過(guò)多泄漏回滑油泵入口，則需要各機(jī)件間保持的間隙很小。某型發(fā)動(dòng)機(jī)滑油泵間隙包括端面間隙、凸臺(tái)間隙和徑向間隙。

4.2.1 端面間隙影響

端面間隙即軸向間隙，是齒輪相對(duì)于殼體的軸向最大間隙。某型發(fā)動(dòng)機(jī)滑油泵端面間隙結(jié)構(gòu)如圖2所示。采用如下方法測(cè)量并計(jì)算，端面間隙=S+△S1+△S2，其值規(guī)定為0.03～0.06 mm。式中：S為調(diào)整墊厚度；△S1為帶凸臺(tái)襯套相對(duì)上殼體凹入（+）；或凸出（-）的尺寸；△S2為齒輪相對(duì)下殼體凹入（+）或凸出（-）的尺寸。

端面間隙對(duì)泄漏的影響最大，占總泄漏量的75%～80%，端面間隙每增加0.1mm，容積效率降低約20%。在滑油泵的流量不合格時(shí)，首先通過(guò)改變調(diào)整墊厚度、研磨殼體結(jié)合面、研磨齒輪端面或更換齒輪的方法來(lái)調(diào)整端面間隙。為驗(yàn)證端面間隙對(duì)流量的影響程度，在其他裝配技術(shù)條件不變的情況下，選取6臺(tái)某型發(fā)動(dòng)機(jī)滑油泵，對(duì)其端面間隙進(jìn)行調(diào)整后，對(duì)比前后的流量，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 端面間隙變化對(duì)應(yīng)的流量值

在調(diào)整滑油泵端面間隙時(shí)，同時(shí)調(diào)整了間隙的高低點(diǎn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，端面間隙對(duì)流量的影響較大，端面間隙變化0.01mm，流量隨之變化1L/min左右。根據(jù)理論計(jì)算中端面間隙每增加0.1mm，容積效率降低約20%計(jì)算，當(dāng)端面間隙增加0.01mm時(shí)，容積效率降低約2%。在低轉(zhuǎn)速n=4500r/min時(shí)，流量值變化約55×2%=1.1L/min。試驗(yàn)結(jié)果與理論分析相符。

4.2.2 凸臺(tái)間隙影響

凸臺(tái)間隙也是軸向間隙的1種，是為滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)需要設(shè)計(jì)的1種帶凸臺(tái)的襯套。襯套的凸臺(tái)與齒輪的凹槽配合形成的小間隙，既能滿(mǎn)足齒輪平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)的需要，又保證了滑油不會(huì)過(guò)多地從此處泄漏。某型發(fā)動(dòng)機(jī)滑油泵帶凸臺(tái)的襯套結(jié)構(gòu)如圖3所示。凸臺(tái)總長(zhǎng)約1/2圓周，出口端凸臺(tái)長(zhǎng)為進(jìn)口端的3倍，分別約為3/8圓周和1/8圓周，其目的是為了有效阻止滑油泵出口端的滑油倒流回進(jìn)口端。某型發(fā)動(dòng)機(jī)滑油泵凸臺(tái)間隙結(jié)構(gòu)如圖4所示。在圖中，H1為齒輪的凹槽深度，H2為襯套的凸臺(tái)高度，凸臺(tái)間隙H=H1-H2，其值規(guī)定為0.01～0.04mm。凸臺(tái)間隙僅是1種測(cè)量計(jì)算間隙，并不代表實(shí)際工作間隙。局部帶凸臺(tái)部位的實(shí)際工作間隙為：端面間隙+凸臺(tái)間隙。

為掌握凸臺(tái)間隙對(duì)滑油泵流量的影響規(guī)律，在其他裝配技術(shù)條件不變情況下，對(duì)某型發(fā)動(dòng)機(jī)滑油泵，分別改變其凸臺(tái)間隙重新裝配后進(jìn)行流量試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)襯套凸臺(tái)端面噴涂銅合金來(lái)改變凸臺(tái)高度，分別將凸臺(tái)間隙調(diào)整至 -0.01～0.01mm、0.01～0.04mm、0.04～0.08mm 3個(gè)區(qū)間內(nèi)進(jìn)行流量試驗(yàn).低轉(zhuǎn)速下對(duì)應(yīng)的流量分別為56.5、54.0、52.0L/min，變化比較明顯，表明凸臺(tái)間隙越大流量越小。通過(guò)試驗(yàn)還得出以下結(jié)論：當(dāng)凸臺(tái)間隙大于0.04mm時(shí)，從0.04mm調(diào)整至0.08mm甚至更大，試驗(yàn)的滑油泵流量值基本不變，說(shuō)明當(dāng)凸臺(tái)間隙大于0.04mm時(shí)，凸臺(tái)間隙再進(jìn)一步增大，通過(guò)凸臺(tái)間隙的泄漏量沒(méi)有變化。

由此可見(jiàn)凸臺(tái)間隙為-0.01～0.04mm區(qū)間內(nèi)對(duì)流量影響較大。依據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，分別將多臺(tái)流量不合格的滑油泵凸臺(tái)間隙調(diào)整至-0.01～0.01mm和0～0.02mm區(qū)間，滑油泵流量均提高到了合格范圍內(nèi)。流量試驗(yàn)后對(duì)滑油泵進(jìn)行分解和故檢表明，襯套片、齒輪、殼體配合表面均沒(méi)有異常。由上述試驗(yàn)可以得出，在一定范圍內(nèi)減小凸臺(tái)間隙對(duì)提高滑油泵流量比較有效。

4.2.3 徑向間隙影響

徑向間隙是齒輪齒頂和殼體內(nèi)壁配合處的間隙，采用塞尺來(lái)測(cè)量，某型發(fā)動(dòng)機(jī)滑油泵徑向間隙規(guī)定為0.06～0.14。增壓后的滑油經(jīng)徑向間隙泄漏的途徑長(zhǎng)、阻力大，且齒輪相對(duì)殼體運(yùn)動(dòng)的方向和油液泄漏的方向相反，齒輪的旋轉(zhuǎn)起了阻止泄漏的作用，因此通過(guò)徑向間隙泄漏量較少。依據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，徑向間隙每增加0.1mm，容積效率僅降低約0.25%，對(duì)滑油泵流量幾乎無(wú)影響。對(duì)某型發(fā)動(dòng)機(jī)滑油泵進(jìn)行改變徑向間隙試驗(yàn)來(lái)對(duì)比流量變化。在滑油泵殼體內(nèi)壁與齒輪齒頂配合處噴涂ВАП-2涂層，厚度為0.025mm，經(jīng)試驗(yàn)對(duì)比，噴涂涂層前后滑油泵的流量無(wú)明顯變化，說(shuō)明徑向間隙對(duì)滑油泵流量的影響較小。

4.3 其他影響因素

4.3.1 滑油泵殼體出油孔倒角

為了減小滑油出口阻力，對(duì)滑油泵殼體的出油孔進(jìn)行修磨以增大倒角，將出油孔處的尖角修成R1～R2的圓角，并將帶凸臺(tái)襯套靠近出油口處修成圓角，試驗(yàn)表明，滑油泵流量提高了0.5L/min，效果不明顯。

4.3.2 滑油泵殼體

在使用1個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)壽命期后，滑油泵殼體可能會(huì)發(fā)生局部變形，從而影響滑油泵流量性能。在修理某型發(fā)動(dòng)機(jī)滑油泵時(shí)，在調(diào)整間隙無(wú)效的情況下以通過(guò)更換新品滑油泵殼體的方法，在一定程度上也可提高滑油泵流量。

4.3.3 葉輪彎角

某型發(fā)動(dòng)機(jī)滑油泵齒輪組件由齒輪和葉輪組成，葉輪起輔助抽吸滑油的作用，可有效填充進(jìn)口處的滑油，以提高滑油泵進(jìn)口壓力，從而提高滑油泵流量。修理滑油泵時(shí)發(fā)現(xiàn)齒輪組件上的葉輪彎角區(qū)別較大，彎角大小不同影響收油效率從而影響滑油泵流量。在修理滑油泵時(shí)也可采用更換帶葉輪的齒輪組件的方法來(lái)提高滑油泵流量。

5 結(jié)論

（1）滑油溫度改變后，端面、凸臺(tái)和徑向間隙泄漏量發(fā)生變化，從而對(duì)滑油泵流量性能產(chǎn)生較大影響，溫度相差15℃，其流量最大相差2.5L/min。

（2）滑油泵端面間隙對(duì)流量的影響較大，端面間隙縮小0.01mm，流量可以提高1L/min左右。

（3）將滑油泵凸臺(tái)間隙調(diào)整至-0.01～0.01mm和0～0.02mm區(qū)間，滑油泵流量均提高到了合格范圍內(nèi)。

（4）徑向間隙和滑油泵殼體出油孔倒角對(duì)滑油泵流量的影響較小。

（5）在調(diào)整間隙無(wú)效的情況下，可以通過(guò)更換新品滑油泵殼體或帶葉輪的齒輪組件的方法提高滑油泵流量。

采取上述有效措施后，排除了多臺(tái)某型發(fā)動(dòng)機(jī)滑油泵流量不合格故障。

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Failure Elimination Investigation of Flow Disqualification for Lubrication Pump

HAN Ning，WANG Kai，ZHAO Tie-Jun，SHI Hua-Xun
（AVIC Shenyang Liming Aero Engine（Group）Ltd，Shenyang 110043，China）

To eliminate flow disqualification failure for an aeroengine lubrication pump after a life cycle,the influence of the lubrication temperature and lubrication pump clearance（the end clearance,shroud clearance and radial clearance）on the flow of lubrication pump were analyzed based on the operation principle.The results show that the influence of temperature on flow is more obvious,which come from the leak rate variation of the end,shroud and radial clearance after the lubrication temperature change.The infucence of end clearance on flow is more obvious.The flow can increase about 1L/min when the clearance reduce 0.01mm.The flow can increase 2～3L/min when the shroud clearance is-0.01～0.01mm and 0～0.02mm.The increasing flow measures are obtained by the test verification to eliminate the flow disqualification of many lubrication pumps.

lubrication pump;flow;end clearance;shroud clearance;aeroengine

韓寧（1979），女，高級(jí)工程師，從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。