某發動機減速機匣分油襯套異常磨損問題研究

石 峰

(海軍裝備部，湖南 長沙 410000)

航空發動機內部運動部件多，相對運動部件之間常采用軸承或封嚴環連接。由于封嚴環不僅需承載一定壓力，還要在相對運動中起到阻隔油、氣等作用，這對封嚴環及其接觸的零件表面材質和加工方法提出了很高的要求，也是容易發生故障的部件[1-2]。

某航空發動機減速機匣上安裝有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，在發動機工作時能與殼體保持一定的過盈量，使其保持氣密。分油襯套內孔通過多道漲圈與槳軸外分油襯套相連，襯套內表面進行氮化處理，以提高表面耐磨性能。

1 故障現象

某航空發動機試車后檢查發現，減速機匣分油襯套內孔發生異常磨損，出現多道寬約4 mm的周向磨損痕跡，局部珩磨交叉紋路不清晰(見圖1)。對應的漲圈外表面及端面也出現磨損露出基體現象，后續多臺同型號發動機試車后檢查也發現類似故障，且磨損位置類似，都處于2#、3#、4#漲圈對應的分油襯套內孔位置。

圖1 某發送機分油襯套異常磨損

對發動機減速機匣、漲圈、槳軸外分油襯套相關尺寸進行測量，除磨損部位外，其余未見明顯異常。對發動機減速機匣分油襯套內孔非工作面，從上到下依次選取5個部位進行打樣膏計量粗糙度，計量結果見表1，減速機匣分油襯套內孔的粗糙度局部偏大，最大約為Ra0.224 μm。

表1 減速機匣分油襯套內孔粗糙度計量結果

2 原因分析

初步分析認為，分油襯套內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動作用下，分油襯套內表面微觀突起或尖角毛刺易脫落成細小高點嵌入漲圈，導致襯套表面磨損[3-4]。擬采用400目油石對發動機分油襯套進行珩磨返修(原用320目油石)，降低襯套內表面粗糙度，并保證珩磨紋路清晰后，進行試車驗證。

采用400目油石對其中2號發動機分油襯套內表面進行補充珩磨，去除異常磨損痕跡后內孔粗糙度測量為Ra0.1 μm，同時檢查內孔表面存在珩磨交叉紋路，目視無毛刺等缺陷。但進行試車驗證后，分油襯套內表面與漲圈接觸處異常磨損現象并未改善。

2.1 理化分析

為了進一步分析磨損原因，抽取有典型故障現象的1號、2號發動機減速機匣分油襯套及部分磨損的漲圈進行理化分析。

2.1.1 宏觀檢查

1號機減速機匣分油襯套內表面上與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，兩道磨損帶軸向寬度均約4 mm；2號機減速機匣分油襯套內孔按要求珩磨至φ170.07 mm后仍存在周向磨損痕跡，且存在2條較深的劃痕。對1、2號機分油襯套磨損部位進行放大觀察，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象(見圖2)。

圖2 1號機分油襯套內表面與漲圈接觸磨損部位微觀形貌

對1號機3#漲圈和2號機2#、3#漲圈外表面進行顯微觀察發現，磨損嚴重的金屬粘接區部位存在較多粘附物，其余磨損部位存在少量分散的細小顆粒狀粘附物，粘附物經能譜分析為不銹鋼，與分油襯套材料基本一致。

2.1.2 金相檢查

在1、2號機分油襯套磨損部位及遠離磨損區域的正常部位取樣進行金相檢查，滲氮層深度及磨損深度具體情況見表2。

表2 1、2號機分油襯套滲氮層深度及磨損深度

分油襯套內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、2號機分油襯套磨損部位表面組織

對漲圈磨損部位進行剖切檢查，發現漲圈外表面磨損嚴重，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1、2號機漲圈成分進行化學定量分析、能譜分析，對分油襯套硬度和氮化層脆性、漲圈硬度進行檢測，均符合相關要求。

2.2 原因分析

根據理化分析結果以及漲圈封嚴結構原理，列出分油襯套內孔異常磨損所有可能原因，并逐一排查。

2.2.1 材質缺陷

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

2.2.2 熱處理缺陷

若因熱處理的原因導致漲圈硬度不合格，則漲圈不耐磨，也會引起分油襯套磨損[6-7]。漲圈理化分析結果表明，漲圈硬度滿足要求，且同批次漲圈安裝在其他發動機上未出現類似故障，因此排除該原因。

若因熱處理的原因導致分油襯套氮化層深度、硬度不合格，則分油襯套本身易被磨損。而經襯套理化分析，結果表明氮化層深度及硬度符合要求。

2.2.3 加工質量缺陷

若漲圈彈力值不合格，工作過程中不能緊貼分油襯套內表面，易發生周向轉動，引起分油襯套磨損[8]。但經復測漲圈彈力值，均在設計范圍內。

若漲圈尺寸不合格，工作過程中發生異常轉動，也可引起分油襯套磨損。經復查故障發動機漲圈加工質量記錄和部分漲圈的尺寸，均無異常且滿足設計要求。

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生周向轉動。經現場檢查故障發動機槳軸外分油襯套漲圈槽加工情況，未發現銳邊、毛刺等，排除該原因。

若分油襯套內孔粗糙度偏大，內孔局部存在細小高點，在發動機工作過程中，分油襯套與漲圈存在著相對運動，細小高點易被磨損后會鑲嵌到漲圈的外表面，最終磨損分油襯套。通過2號發動機使用400目油石補充珩磨后，粗糙度降低到Ra0.1 μm，但試車分解驗證后仍出現異常磨損故障，因此這也不是異常磨損的原因。

若分油襯套內孔加工珩磨紋路不清晰或紋路較淺，會影響襯套表面儲油、持油能力，不易使滑油在摩擦面形成動壓油膜，致使潤滑條件下降，出現干摩擦[9]。摩擦產生的細小顆粒會鑲嵌到漲圈的外表面，形成硬質凸點，在工作過程中，硬質點會加劇對分油襯套內表面的磨損，而磨損物進一步鑲嵌到漲圈外表面，導致分油襯套內表面的磨損不斷加劇。根據發動機分解檢查情況，該發動機減速機匣分油襯套前端內表面珩磨加工紋路不清晰，后續2號機用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 裝配質量缺陷

若漲圈裝配時開口存在銳邊，工作時銳邊會將分油襯套氮化層刮傷，造成漲圈外表面和分油襯套磨損。檢查故障發動機漲圈切口，切口端面棱邊及棱角均符合要求。

若漲圈對象件分油襯套和槳軸外分油襯套有偏斜，帶動漲圈發生偏轉，工作時會產生異常磨損。通過復查故障件及相關零件制造符合性，未見異常。分解后復測對象件分油襯套內孔圓柱度、同軸度和槳軸外分油襯套端面跳動、平行度，均符合設計要求，排除該因素。

2.2.5 工作條件異常

滑油壓差波動大，可造成漲圈在分油襯套內異常往復運動。通過復查故障發動機試車記錄，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 機理分析

漲圈工作原理如圖6所示，分油襯套內漲圈工作時，前后壓差ΔP將漲圈壓在槳軸外分油襯套漲圈槽側面，產生摩擦力矩M1；同時漲圈彈力和漲圈內表面的滑油壓力使漲圈外表面壓緊在分油襯套上，產生摩擦力矩M2。當M1>M2時，漲圈會隨槳軸外分油襯套轉動。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滑油路與定距油路，在發動機試車時，定距油路滑油壓力會在0.1～3.8 MPa之間不斷變動，使得第2#、3#漲圈前后壓差ΔP變化比其他封嚴漲圈大，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生轉動，加之珩磨不良導致的減速機匣分油襯套內表面布油能力差，致使故障發動機減速機匣分油襯套內孔在2#、3#漲圈工作接觸處出現磨損。

圖6 漲圈工作原理圖

3.3 解決驗證

使用320目油石對減速機匣分油襯套進行返修，返修后分油襯套內孔表面珩磨紋路清晰，重新進行試車驗證，減速機匣分油襯套均未發生磨損，問題得到解決。

4 結語

影響航空發動機等高精密設備環形滑動摩擦面磨損的因素很多，在以往的故障原因追朔時，易將故障歸因于零件尺寸超差、運行條件不穩定、運動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，大量應用于零件表面加工。在使用珩磨對環形滑動摩擦面進行加工時，應注意檢查珩磨工藝的有效性，以防止摩擦面磨損故障發生，提高設備運行可靠性。