飛機燃油泵石墨軸承原位維修技術(shù)研究

丁思揚

摘 要：燃油泵是飛機燃油系統(tǒng)的核心部件，也是實現(xiàn)飛機飛行和任務(wù)執(zhí)行的重要保證，長期工作易造成石墨軸承掉塊，引發(fā)燃油泵工作效率降低或燃油泄漏故障，直接影響發(fā)動機輸油效率，甚至造成輸油中斷和空中停車，危及飛機安全。為實現(xiàn)石墨軸承的原位更換，保證裝備修理質(zhì)量，提升產(chǎn)品保障能力，本文對燃油泵的故障機理、石墨軸承的無損分解及裝配方法、石墨軸承的配合加工方法以及更換后燃油泵的可靠性試驗驗證方法進行了分析。

關(guān)鍵詞：石墨軸承;原位更換;配合加工;試驗驗證

中圖分類號：V267文獻標識碼：A文章編號：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

隨著國防科技和工業(yè)實力的逐步增強，飛機的完好性需求與修理能力不足之間的矛盾愈來愈突顯。燃油系統(tǒng)部附件產(chǎn)品的質(zhì)量和修理進度一直是影響修理周期的重要因素，燃油系統(tǒng)/部附件產(chǎn)品亟待解決的重要難題之一就是燃油泵修理。本文主要針對燃油泵的故障機理、石墨軸承的無損分解及裝配方法、石墨軸承的配合加工及更換后燃油泵的可靠性試驗驗證方法等進行研究。

1 燃油泵工作原理

本文研究的燃油泵為單吸單級離心式增壓泵，依靠發(fā)動機工作，帶動葉輪旋轉(zhuǎn)，從而源源不斷為供輸油管路提供燃油壓力。

1.1 離心泵典型結(jié)構(gòu)

單吸單級離心泵基本機構(gòu)如圖1所示，主要包括殼體組件、蝸殼組件、軸、花鍵軸、密封裝置、誘導輪和離心葉輪等零件，殼體組件右端的法蘭面借助快卸卡箍把泵固定在傳動機匣上。蝸殼組件設(shè)有蝸型管，其轉(zhuǎn)向與燃油進入泵的方向成90°，泵體和發(fā)動機采用花鍵軸連接，有利于產(chǎn)品的拆卸和維修[1-2]。

1.2 燃油泵工作原理

燃油泵通過發(fā)動機附件機匣帶動花鍵軸轉(zhuǎn)動，花鍵軸又帶動泵軸轉(zhuǎn)動，泵軸通過平鍵帶動誘導輪與離心葉輪一起轉(zhuǎn)動。燃油由誘導輪進入葉輪，在此增壓后，由于離心力作用，其以一定的速度和壓力進入蝸殼流道，最后經(jīng)過蝸型管進入燃油系統(tǒng)管道。從高壓區(qū)（旋轉(zhuǎn)組合件后）到低壓區(qū)（油泵進口和工作葉輪進口）流動的循環(huán)燃油對軸承進行冷卻和潤滑。離心泵就是利用葉輪高速旋轉(zhuǎn)而使燃油產(chǎn)生離心運動來開展工作的，工作原理示意如圖2所示。

2 石墨軸承原位更換技術(shù)研究

石墨軸承材料強度低，直接壓裝易造成石墨軸承破裂，石墨軸承與殼體為過盈配合，在分解、再裝配過程中，石墨軸承極易損壞，如何在不破壞殼體的情況下完成石墨軸承的分解和再裝配，同時確保更換零件最少，是需要解決的重要問題[3]。

2.1 石墨軸承產(chǎn)品圖樣技術(shù)要求

燃油泵殼體組件主要由殼體1、石墨軸承2、銷釘3、襯套4和石墨軸承5等零件組成，如圖3所示。石墨軸承2外徑與襯套4內(nèi)孔之間的配合過盈量為0.05～0.10 mm，石墨軸承5外徑與襯套4內(nèi)孔之間的配合過盈量為0.055～0.100 mm。襯套4外徑與殼體1內(nèi)孔之間的配合過盈量為0.10～0.15 mm，銷釘3外徑與殼體1、襯套4銷釘孔之間的配合過盈量為0.007～0.031 mm，裝配后需要對銷釘4端部按HB0-2-P防松方法進行沖點。

2.2 石墨軸承原位更換與制造差異

根據(jù)燃油泵零件過盈裝配情況，人們需要在不破壞殼體和其他零件的情況下完成分解。若按制造時裝配順序開展分解，則需要采用如下工步：用電火花將銷釘3去除，將襯套4、石墨軸承2、石墨軸承5從殼體1上取下，然后將石墨軸承2和石墨軸承5破壞性分解。但銷釘3與殼體1為盲孔過盈配合，分解難度大，而且該分解方案容易損傷殼體1和襯套4，損壞后只能更換成品。因此，只能在保證襯套4和銷釘3不分解的情況下破壞石墨軸承。

對于燃油泵蝸殼、殼體組件石墨軸承裝配后的補充加工，修理與制造過程中的零件狀態(tài)有明顯差異。產(chǎn)品修理時，零件表面已加工到位，無法再次加工。產(chǎn)品經(jīng)過了一次翻修期使用，在石墨軸承裝配過程中進行了190 ℃加溫，原來一次成形的表面有可能因零件輕微變形而出現(xiàn)相對形位公差變差的情況。因此，在該項目進行中，要對重要的設(shè)計基準表面進行找正，然后對石墨軸承端面和內(nèi)孔進行加工。

3 上下殼體軸承配合加工研究

殼體和蝸殼組件裝配后，體積較大，基準孔與被加工孔跨度長，不容易保證同軸度，也不容易同時保證下殼體內(nèi)外端面對軸承內(nèi)孔的垂直度，工裝夾具設(shè)計制造難度大，而且對于石墨軸承的機械加工，修理廠沒有加工先例和成熟經(jīng)驗，石墨軸承的補充加工是該項目研究的技術(shù)難點之一[4-5]。

3.1 石墨軸承配合加工要求及難點

殼體組件設(shè)計圖樣對石墨軸承裝配后的補充加工要求如圖4所示。殼體組件設(shè)計圖樣要求，石墨軸承裝配后對石墨軸承端面和內(nèi)孔進行補充加工，另外還需要對圖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進行補充加工，以保證圖4所示的跳動量和形位公差。圖中，長度數(shù)據(jù)單位均為毫米（mm）。

在產(chǎn)品修理中，以上金屬材料表面均已加工到位，無法再次加工，因此需要對重要的設(shè)計基準表面進行找正，然后對石墨軸承端面和內(nèi)孔進行加工。

燃油泵蝸殼體和蝸殼組件設(shè)計圖樣對蝸殼組件石墨軸承裝配的補充加工要求如圖5和圖6所示。設(shè)計圖樣要求蝸殼組件石墨軸承裝配后，對石墨軸承內(nèi)孔進行補充加工，另外還需要對圖5所示的表面L和圖6所示的表面M進行補充加工，以保證圖示跳動量。修理中，以上金屬表面均已加工到位，無法再次加工。

3.2 軸承裝配后補充加工技術(shù)要求及解決措施

對于蝸殼組件、殼體組件石墨軸承裝配后的補充加工，產(chǎn)品修理過程與制造過程中的零件狀態(tài)有明顯差異。修理時，零件均已加工到位，且產(chǎn)品經(jīng)過了一次翻修期使用，再裝配需要加溫至190 ℃，原一次成形的表面可能因變形而出現(xiàn)相對形位公差變差的情況。

首先需要對重要的設(shè)計基準表面進行找正，然后對軸承端面和內(nèi)孔進行加工。根據(jù)燃油泵裝機連接、工作原理及產(chǎn)品設(shè)計圖樣，蝸殼、殼體重要的設(shè)計基準表面為圖4中的表面G和表面H，零件加工過程中需要保證石墨軸承加工表面對表面G和表面H的形位公差。

基于以上分析，燃油泵修理過程中，石墨軸承補充加工方案如下：第一步，如圖7所示，找正表面G和表面H在0.03 mm以內(nèi)，加工軸承內(nèi)孔和外端面;第二步，如圖8所示，以表面G為定位基準，同時找正石墨軸承內(nèi)孔在0.03 mm以內(nèi)，加工石墨軸承內(nèi)端面;第三步，保持第二步殼體在機床和工裝上的裝配狀態(tài)不變，將蝸殼組件安裝到殼體上，并擰上自鎖螺母，擰緊力矩為2.94 N·m，然后加工蝸殼組件上的石墨軸承孔，如圖9所示。

車修時，根據(jù)產(chǎn)品要求設(shè)計工裝夾具，為確保其滿足最終尺寸精度和形位誤差要求，加工安裝誤差應盡量控制在產(chǎn)品形位誤差的1/2之內(nèi)，然后進行車削加工。同時，石墨軸承內(nèi)孔和端面均留不超過0.01 mm的研磨余量，加工完成后對石墨軸承內(nèi)孔進行研磨，保證圖示粗糙度。

4 燃油泵試驗驗證分析

在完成原位更換，滿足配合間隙、同軸度和表面粗糙度檢查要求后，石墨軸承需要重新裝配。為充分驗證該更換方法是否滿足使用要求，按照技術(shù)規(guī)范，人們需要進行性能和磨合試驗。

4.1 試驗驗證技術(shù)要求

耐久性試驗狀態(tài)和要求如表1所示，每5個試驗狀態(tài)為1個循環(huán)，試驗過程中允許中途停車或交換試驗狀態(tài)。參考制造技術(shù)條件中耐久性試驗相關(guān)規(guī)定，石墨軸承更換并完成裝配試驗后，首先進行10個階段200 h的耐久性試驗，并且每1個階段（2個循環(huán)）20 h進行一次分解，對石墨軸承內(nèi)孔和端面尺寸進行測量，觀察每20 h耐久試驗中的石墨軸承磨損規(guī)律。比如，10次分解檢查中，若石墨軸承磨損量隨工作時間變化的規(guī)律為線性狀態(tài)或為非線性遞減狀態(tài)，則不再進行后續(xù)耐久性試驗，可以以第10次分解測量出的磨損量作為20 h耐久性試驗磨損計算固定值，進行520 h工作磨損量計算;若石墨軸承磨損量為非線性遞增狀態(tài)，則需要對產(chǎn)品進行520 h耐久性試驗，如果出現(xiàn)異常磨損，就可認定耐久性試驗失敗，需要分解產(chǎn)品，查找原因，排除故障后重新進行試驗。

4.2 試驗數(shù)據(jù)及分析

下面分別對10個階段分解檢查的數(shù)據(jù)（見表2）進行統(tǒng)計，得出殼體組合軸承內(nèi)徑尺寸、端面尺寸及蝸殼組合軸承內(nèi)徑尺寸的變化曲線，分別如圖10、圖11和圖12所示。

從圖10至圖12可以看出，從第四階段（60 h）開始，殼體組合軸承內(nèi)徑尺寸、端面尺寸及蝸殼組合軸承內(nèi)徑尺寸均保持不變，產(chǎn)品工作狀態(tài)保持穩(wěn)定，石墨軸承磨損量隨工作時間變化的趨勢呈線性狀態(tài)。根據(jù)前期制定的試驗方案，可推算出520 h耐久性試驗后工作磨損量極小，如表3所示。

4.3 壽命試驗和以往修理產(chǎn)品尺寸狀態(tài)對比情況

在以往燃油泵及其對應俄制產(chǎn)品燃油增壓泵的修理過程中，大量產(chǎn)品的石墨軸承內(nèi)徑尺寸（[Ф]26 mm、[Ф]14 mm）和端面尺寸（26 mm）曾因磨損而出現(xiàn)超差，大部分都辦理了原機自然磨損自然不合格品審理卻繼續(xù)裝機使用。通過查詢以往自然不合格品審理記錄，人們找出了以往燃油增壓泵繼續(xù)使用的最大超差值。這些燃油泵均在部隊正常使用，具體項目如表4所示。

燃油泵最大使用壽命為1 000 h，壽命試驗進行200 h后，石墨軸承內(nèi)徑尺寸[Ф]26 mm、[Ф]14 mm和端面尺寸26 mm磨損變化為[Ф]26.025 mm、[Ф]14.020 mm和25.960 mm，最大尺寸變化量分別為0.015、0.015、0.020 mm，后期試驗磨損數(shù)據(jù)基本穩(wěn)定，尺寸變化不大。按磨損的最壞可能計算，此后800 h仍按該規(guī)律進行線性磨損，則工作1 000 h后三個尺寸總變化量為0.075、0.075、0.100 mm，其仍然小于或與以往繼續(xù)裝機使用的超差尺寸變化量相當。這說明，按照磨損的最壞可能，以上更換石墨軸承的燃油泵使用壽命仍然能夠滿足修后1 000 h使用可靠性要求。

通過以上分析并將更換石墨軸承后的燃油泵200 h壽命試驗后的尺寸磨損變化情況與以往自然不合格品審理超差尺寸對比，筆者認為，該產(chǎn)品200 h壽命試驗能夠驗證燃油泵修后使用的可靠性。

4.4 試驗結(jié)論

耐久性試驗完成后，經(jīng)檢查，燃油泵蝸殼組合和殼體組合的石墨軸承無松動、裂紋、掉塊現(xiàn)象，而且尺寸滿足要求，本次燃油泵石墨滑動軸承裝配后，耐久性試驗合格。

5 結(jié)語

本文以某型飛機燃油系統(tǒng)燃油泵的石墨軸承原位更換技術(shù)為研究核心，分析了石墨軸承裝配和加工方法現(xiàn)狀，通過探究產(chǎn)品結(jié)構(gòu)原理和故障模式，并研究修理過程中存在的重點問題，提出了石墨軸承原位更換的方法及步驟，為同類型產(chǎn)品修理提供了參考。

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