某型航空燃油泵石墨滑動軸承拆卸及安裝工藝研究

張 峰 從德勝 顧克禹

(國營蕪湖機械廠 安徽蕪湖 241007)

石墨軸承廣泛應用于高速旋轉副的端面密封[1-3]。其在力學性能方面，具有能承受一定彎矩的能力及抗壓縮應力作用下變形和破壞的能力；在熱物理性能方面，具有與金屬基體相近的線膨脹系數和較大的導熱系數；在摩擦學性能方面，具有穩定的摩擦因數及較小的磨損量。目前，針對石墨軸承密封與磨損特性的研究，多數是關于材料選擇、摩擦潤滑性能以及生產控制等方面[4-8]。飛機燃油泵是一種高速、離心式燃油增壓泵，主要作用是在燃油系統工作中向液動渦輪泵提供傳動燃油和向射流泵輸送工作燃油。工作過程中，通過殼體潤滑油孔和石墨軸承上的螺旋油道引入少量燃油，在石墨軸承支承部位形成油膜，實現潤滑與密封。若石墨軸承工作端面有掉塊、劃傷、磨損超差等缺陷，容易造成工作時油膜難以維持，并引起磨損、泄漏故障[9-10]。

某型飛機燃油泵在定期維修時，經常發現燃油泵殼體內石墨滑動軸承有掉塊、劃傷、磨損以及尺寸超差現象。為避免因石墨軸承磨損、掉塊等缺陷導致的燃油泵故障，需及時更換故障軸承。本文作者制定石墨軸承更換方法與工藝，并進行試驗驗證。該方法也可以推廣應用到相似燃油泵的修理和其他設備中石墨軸承的更換。

1 燃油泵殼體結構

燃油泵殼體組件主要由石墨軸承1、蝸殼2、殼體3、銷釘4、襯套5和石墨軸承6等零件組成，裝配關系如圖1所示。石墨軸承1與蝸殼2的配合過盈量為0.05～0.10 mm，石墨軸承6與襯套5的配合過盈量為0.055～0.10 mm，石墨軸承裝配時外徑配合面涂膠，以提高石墨軸承整體安裝強度和結構強度[6]。襯套5外徑與殼體3內孔之間的配合過盈量為0.10～0.15 mm。

圖1 燃油泵殼體結構Fig 1 The structure of fuel pump

2 石墨軸承更換方法與工藝研究

燃油泵維修過程中經常發現石墨軸承1、6掉塊、磨損，需要大、小石墨軸承一起更換，并重新定位加工保證同心度。考慮維修更換與制造過程的裝配狀態不同，需要從4個方面研究確定更換方案：

(1)需要考慮最小的更換難度，研究石墨軸承與殼體組件的最佳分解方案；

(2)分解后，需要考慮石墨軸承的無損安裝，開展石墨軸承更換裝配方法研究；

(3)開展裝配后的補充加工工藝研究，保證石墨軸承孔與殼體組件的跳動量，以及大、小石墨軸承的同心；

(4)石墨軸承更換后，對燃油泵開展環境試驗和耐久試驗驗證，確定石墨軸承尺寸磨損規律，分析石墨軸承更換后使用壽命。

2.1 石墨軸承更換分解方法

針對石墨軸承6的分解，確定2種分解方式：

(1)先將襯套5和石墨軸承6從殼體3上整體取出，后對石墨軸承6進行破壞性分解。裝配按照產品制造時的裝配順序進行。該分解方案方便將石墨軸承6過盈壓入襯套5內，但銷釘4與殼體3為盲孔過盈配合，常規方法無法直接取出襯套5，且該分解方案需要破壞掉銷釘4，容易損傷殼體3和襯套5。

(2)在殼體3上直接對石墨軸承6進行破壞性分解，不再分解襯套5和銷釘4，后續直接將石墨軸承6壓入襯套5內；在蝸殼2上直接破壞性分解石墨軸承1。該分解方案相對步驟簡單，操作難度小。但在后續石墨軸承壓入過程中，由于襯套5和殼體3組合件壁厚較大，過盈壓入成功率較低。

為減少殼體組件分解難度，避免過度分解對燃油泵其他零件造成損傷，文中采用分解方式二，并制作專用于裝夾蝸殼組合和殼體組合的車床夾具，對損壞的石墨軸承進行車削去除。為避免損傷過盈金屬面，車削時留下較少部分，然后手工進行徹底去除。

2.2 石墨軸承過盈配合無損安裝方法

2.2.1 熱裝法與冷裝法

一般過盈配合裝配方法主要采用動、靜力壓裝法，溫差裝配法[11]。考慮石墨軸承的硬脆性，壓裝法無法滿足無損安裝要求，不適用于石墨軸承的過盈配合裝配。溫差裝配法主要有熱裝法和冷裝法，主要利用材料的熱脹冷縮物理特性，形成一定的間隙后進行裝配。熱裝法的加熱溫度不超過材料回火溫度[12]。

熱裝法的加熱溫度與過盈量的關系[13]為

(1)

式中：t為零件的加熱溫度，℃；i為零件裝配后平均過盈量，mm；α為材料的線膨脹系數，10-6℃-1；d為零件包容表面的公稱直徑，mm；t0為環境溫度，℃。

冷裝法的冷卻溫度與過盈量的關系[14]為

(2)

式中：t為零件的冷卻溫度，℃；i為零件裝配后平均過盈量，mm；α為材料的線膨脹系數，10-6℃-1；d為零件包容表面的公稱直徑，mm；t0為環境溫度，℃。

2.2.2 安裝方法的選擇

已知蝸殼材料為ZL105，軸承襯套為TC6材料，根據《航空材料手冊》其線性膨脹系數α如表1所示。參考石墨分類及性能參數的相關文獻，石墨材料M234其厚度方向線性膨脹系數可定為5.5×10-6℃-1。燃油泵殼體結構參數見圖1。

表1 材料熱膨脹系數Table 1 Material thermal expansion coefficient

蝸殼與石墨軸承的安裝，采用熱裝法，根據公式(1)，最小裝配溫度t1:

殼體組件與石墨軸承的安裝，采用熱裝法，根據公式(1)，最小裝配溫度t2:

考慮鋁合金ZL105材料低溫回火溫度(時效溫度)在200 ℃左右，可以將高溫最高設定為200 ℃，此時可以滿足蝸殼與石墨軸承的安裝，但不滿足殼體組件與石墨軸承的安裝，需要對石墨軸承進行冷凍。

當殼體組件加熱200 ℃，根據公式(1)，可滿足裝配過盈量為0.045 mm；剩下最小過盈量為0.01 mm，根據公式(2)，需要冷卻至-51.3 ℃。參考HB5830.9—1984，結合高低溫設備最低溫度條件，為方面快速裝配，將低溫溫度限定為-60 ℃。

基于上述分析，石墨軸承的安裝采用了“熱裝+冷裝”的形式，即對殼體3和襯套5在高溫箱內整體加熱至200 ℃，保溫30 min；同時對石墨軸承1和6在低溫箱內冷凍至-60 ℃，保溫30 min，后取出殼體快速加裝。安裝時在石墨軸承過盈面涂膠，用壓床緩緩壓入，防止將軸承壓裂，冷卻至常溫即可。

2.3 殼體組件石墨軸承裝配后的加工方案

車工需要以圖2所示的φ70 mm外徑定位，對石墨軸承端面和內徑進行加工，以保證殼體組件和蝸殼組件石墨軸承孔的跳動量不大于0.03 mm。將過渡盤壓在數控加工中心平臺上定位加工到規定精度與尺寸。具體方案如下：

第一步，加工圖2(a)中所示加工面，找正表面G和表面H在0.03 mm以內，加工石墨軸承內孔和外端面。

第二步，加工圖2(b)中所示加工面，以表面G為定位基準，同時找正加工完成的石墨軸承內孔在0.03 mm以內。

圖2 殼體組件裝配后車削示意Fig 2 Schematic of turning after shell assembly

第三步，保持第二步的殼體組件在機床和工裝上的裝配狀態不變，將蝸殼組件安裝到殼體組件上，并擰上4個自鎖螺母，擰緊力矩為3 N·m，然后加工蝸殼組件上的石墨軸承孔。加工圖3中所示加工面。

圖3 蝸殼組件裝配后削示意Fig 3 Schematic of turning after volute assembly

車削過程中的工裝夾具根據產品技術要求設計。為了確保滿足產品的最終尺寸精度和形位誤差要求，加工安裝校正時的誤差應盡量控制在產品形位誤差的1/2之內。車削加工時，石墨軸承內孔和端面均留有不超過0.01 mm的研磨余量，車削加工完成后對石墨軸承內孔進行研磨至尺寸，同時保證要求的粗糙度。

3 試驗驗證

3.1 石墨軸承更換后的驗證方法

石墨軸承的更換本質上沒有對產品的設計進行更改，因此，試驗驗證方法無需嚴格按照產品鑒定檢驗要求進行，但需要對更換后的燃油泵進行耐久試驗驗證階段使用壽命的可靠性，常規性試驗檢驗燃油泵工作性能。

耐久性試驗具體試驗狀態和試驗要求參考燃油泵制造技術相關規范規定，見表2。每5個試驗狀態為1個循環，試驗過程中，允許中途停車或檢查試驗狀態。根據燃油泵制造技術規范規定，鑒定試驗中的耐久性試驗階段數是根據產品首翻期的1.5倍(即1 800 h)確定的，質量一致性試驗的循環數為52次，共520 h。

表2 燃油泵耐久性試驗要求Table 2 Fuel pump endurance test requirement

為了快速、有效、科學地完成驗證，節省相關資源，可進行部分試驗驗證，根據試驗數據進行趨勢性分析。具體為先完成20個階段共200 h的耐久性試驗，每2個階段進行一次分解，測量石墨軸承內孔和端面尺寸數據，根據統計數據進行石墨軸承磨損趨勢性分析。若前200 h耐久試驗，石墨軸承磨損量隨工作時間變化規律為線性狀態或為非線性遞減狀態，證明磨損數據收斂可直接預測后面的磨損情況，則不再進行后續耐久性試驗；若石墨軸承磨損量為非線性遞增狀態，則繼續進行耐久試驗，每一個循環進行一次測量，直至完成520 h耐久試驗，中途若出現石墨崩壞、泄漏等故障，試驗失敗。

3.2 耐久性試驗

更換石墨軸承后的兩臺燃油泵進行常規性性能試驗合格后，采用圖4所示試驗裝置進行耐久性試驗，試驗參數如表2所示。試驗過程中，每2個階段進行一次分解，檢查主要旋轉副外觀有無磨損，石墨軸承有無松動、掉塊、異常磨損現象，密封裝置石墨密封墊有無異常磨損和偏磨現象，觀察200 h耐久試驗中石墨軸承磨損規律。從圖5可見，主要旋轉副沒有明顯的異常磨損現象，石墨軸承也無松動、掉塊現象。測量得到的石墨軸承關鍵尺寸變化如圖6所示，從第4階段(60 h)開始，殼體組件石墨軸承內徑尺寸、端面尺寸變化呈水平直線狀，說明產品工作狀態保持穩定，石墨軸承磨損量趨于穩定。圖7所示為蝸殼組件內石墨軸承內徑尺寸變化，從第3階段(40 h)開始石墨軸承磨損量趨于穩定。根據制定的耐久試驗方案，不需繼續進行520 h驗證，并且可以推測石墨軸承在520 h耐久試驗時的磨損量不變。

圖4 燃油泵耐久試驗裝置Fig 4 Fuel pump endurance test device

圖5 試驗后主要旋轉副的分解檢查Fig 5 The decomposition check of main friction pair after the test

圖6 殼體組合軸承尺寸變化Fig 6 The size change of shell composite bearing

圖7 蝸殼組件軸承內徑尺寸變化Fig 7 The size change of volute composite bearing

4 結論

研究燃油泵中損壞石墨軸承的拆卸和安裝方法，確定石墨軸承直接破壞性分解的方案；提出采用“熱裝+冷裝”的石墨軸承過盈裝配方法并確定裝配溫度；確定石墨軸承裝配后的加工方案，保證了石墨軸承的尺寸、精度和跳動量符合要求。耐久性試驗結果表明，石墨軸承無松動、裂紋、掉塊現象，且尺寸變化穩定，滿足石墨軸承更換后的尺寸和壽命預測要求。