某型發動機分油漲圈磨損問題分析及預防

■ 練兵 張鳴鳴 王軍 張建偉/ 空裝駐襄陽地區軍事代表室 襄陽航泰動力機器廠

0 引言

某型飛機發動機更換滑油試車后，滑油磨粒檢測超出警告值，檢查滑油系統前后主滑油濾、中后軸承回油濾、調速器滑油濾、燃油調節器滑油濾，發現大量金屬屑。經統計，2019 年以來，該型發動機在外場已發生多起滑油中有金屬屑和大磨粒故障，均為減速器分油漲圈磨損造成。為查明漲圈磨損原因，對漲圈磨損進行機理分析，查找影響因素，改進加工、熱處理和表面處理工藝，并制訂針對性改進措施。

1 結構和工作原理

1.1 漲圈裝配結構介紹

單臺發動機裝配11 根漲圈，位于槳軸外分油襯套漲圈槽內，漲圈外圓柱面受彈力和油壓作用，將之壓緊在分油襯套內圓柱面上，用于隔開減速器大距、小距、定距以及潤滑油路[1]（見圖1）。

圖1 分油漲圈裝配結構圖

漲圈基體材料為鑄錫青銅（ZQSn16-5），具有較高的耐磨性，其表面鍍有厚度為5 ～8μm、用以降低摩擦系數的鉛錫層。同時，漲圈的兩個端面設計有楔形槽和通油孔，以便工作狀態下在漲圈端面與漲圈槽接觸面形成壓力油膜，降低摩擦系數；裝配后漲圈外圓柱面與分油襯套保持一定的緊度和貼合度，使漲圈外圓柱面貼緊分油襯套內圓柱面，保證封嚴、隔斷。

分油襯套由2Cr18Ni8W2 鋼制成，裝配時壓裝于分油襯套殼體內孔并一起固定在減速器機匣上。分油襯套內孔表面粗糙度為0.125μm，經氮化處理，氮化表面硬度為HRC ≥88，起耐磨作用。

槳軸外分油襯套由材料為38CrMo-ALA 的鋼制成，裝于槳軸中部外圓面，并用螺母壓緊，工作狀態下隨槳軸一起轉動，轉速為1074r/min，漲圈槽壁表面粗糙度為0.25μm，經氮化處理，氮化表面硬度為HR30N ≥80，起耐磨作用。

1.2 工作原理

槳軸工作時，分油襯套靜止，槳軸外分油襯套隨槳軸一起旋轉，轉速為1074r/min，漲圈安裝于槳軸外分油襯套漲圈槽內，依靠自身彈力使其外圓柱面貼緊分油襯套內圓柱面，啟動密封作用。如圖2 所示，當漲圈左側面受到工作油壓作用時，使其右側面與槳軸外分油襯套漲圈槽右側貼緊，形成第一道密封面，稱之為主密封面，因是面接觸摩擦，會產生摩擦力矩M主；工作油壓同時作用于漲圈內圓柱面，使漲圈向著徑向外側漲開，漲圈外圓柱面被壓緊在分油襯套內圓柱面，形成第二道密封面，稱之為輔助密封面，會產生摩擦力矩M輔。在輔助密封面和主密封面的聯合作用下，降低了油路泄漏和壓力降，達到密封效果[2]。

圖2 漲圈工作原理圖

正常工作時，漲圈在漲圈槽內有軸向運動但沒有周向轉動。當兩端滑油腔壓差小于一定值，即作用于漲圈端面的力不足以克服漲圈軸向活動的摩擦力時，漲圈保持先前位置并與分油襯套保持相對靜止；當兩端滑油腔壓差大于一定值，使作用于漲圈端面的力可以克服漲圈軸向活動量的摩擦力時，漲圈將軸向移動到漲圈槽的一端，由于漲圈的結構特點，則在漲圈與槳軸外分油襯套之間形成了一層動壓油膜，并保持兩端滑油腔具有一定壓差，起到隔開滑油通道的作用，此時漲圈相對分油襯套靜止，相對槳軸外分油襯套旋轉，此時M輔與M主相同。

在啟動階段或其他一些非穩定、過渡狀態下，因潤滑不良、漲圈端面摩擦系數較大，漲圈端面與外分油襯套漲圈槽之間的摩擦力矩M輔大于漲圈外圓與分油襯套之間的摩擦力矩M主時，漲圈會隨槳軸外分油襯套轉動，這種情況偶爾發生，如果經常性發生就會導致漲圈外圓異常磨損。

2 漲圈磨損原因分析

根據對某型發動機減速器處漲圈結構和工作原理的分析，得出以下可能導致漲圈異常磨損的原因，逐一進行說明。

2.1 漲圈彈力過小

漲圈彈力是在制造熱處理和機加過程中確定的，主要影響因素有漲圈材料（彈性模量）、定型熱處理、尺寸參數（漲圈寬度和自由狀態切口間隙）等。彈力越大，越有利于漲圈的周向靜止，并有利于減少漲圈的磨損。2017 年曾發生因新品漲圈彈力小于規定值導致的漲圈磨損問題。

2.2 漲圈主副密封面的摩擦系數不合格

影響漲圈主副密封面摩擦系數的因素主要有：

1）漲圈表面粗糙度不合理。漲圈端面（主密封面）粗糙度和漲圈外圓表面（輔助密封面）粗糙度設計不合理，M輔和M主不匹配，造成漲圈隨槳軸外分油襯套轉動，導致漲圈外圓異常磨損。

2）減磨鍍層質量差。漲圈表面減磨的鉛錫鍍層質量差、鍍層厚度不滿足要求，均會導致漲圈密封面的摩擦系數變化，使減磨功能提早失效，導致漲圈端面和外面異常磨損。鍍層質量差的原因可能是鍍鉛錫前處理、鍍鉛錫過程中參數的過程控制不到位、槽液成分偏離等。

3）漲圈磕碰。漲圈在轉運、保管、修理、裝配過程中因控制不到位發生磕碰，破壞了漲圈密封表面質量，導致漲圈的異常磨損。如漲圈銼修切口不當，存在毛刺銳邊，裝夾漲圈方法不當導致漲圈表面被夾傷等。

4）其他機件磨損。發動機在工作使用過程中，滑油系統各傳動部件磨損產生的磨粒隨滑油循環到漲圈密封面處，磨粒嵌入漲圈密封面形成硬質點，與分油襯套內圓面或外分油襯套凹槽面相磨，導致材質較軟的漲圈異常磨損。如分油襯套表面滲層脫落、彈性軸花鍵鍍層磨損脫落、齒輪軸承工作產生金屬屑或大磨粒等。

3 漲圈制造工藝方法改進

基于對漲圈磨損原因的分析，采取重新研發產品的技術思路對漲圈原加工工藝進行改進。

3.1 彈力值的控制方法

產品設計要求其工作狀態的徑向彈力為55.86 ～66.64N，影響分油漲圈彈力的關鍵因素是漲圈自由狀態下的開口尺寸。在漲圈材料、高度、壁厚、工作狀態直徑、漲圈類型、彈力均確定的情況下，自由狀態的開口尺寸有規律可循。通過查閱國際國內類似產品的技術資料《GOETZE 活塞環手冊》[3]、《活塞環理論》[4]等，結合設計圖樣給定的參數，計算出分油漲圈自由狀態的開口尺寸為17.9 ～21mm。考慮到熱處理定型后拆下零件的回彈和后續加工的影響，并經過不同開口尺寸的試驗驗證，最終確定熱處理夾具開口值為25mm，后續加工去除切削余量后，零件彈力值達到產品設計技術要求。

3.2 外圓光隙的保證

產品設計技術要求在Φ170.04mm環規內的外圓光隙不大于0.01mm。漲圈原設計制造單位采取間隔塊法對漲圈進行熱定型，加熱過程中整個漲圈僅在間隔塊處約束其變形，開口處及開口對面由于應力大的緣故會發生畸變，而與開口處成90°的中部位置變化較小，故箍成正圓后，應力大的地方會優先漲開接觸內圈，而應力小的位置未能彈開，導致定位環無法將零件箍成正圓狀態，從而使得零件的定位基準發生變化，造成最終的光隙不合格。有限元分析證明這種情況客觀存在（見圖3）。

圖3 漲圈應力云圖

鑒于上述不足，決定用星形盤來進行熱處理定型。根據有限元分析及實測成品件自由狀態下外形尺寸設計加工的星形盤，其外形輪廓與漲圈自由狀態的內輪廓相符，漲圈內輪廓箍抱在星形盤外輪廓上，熱處理時星形盤賦予半成品漲圈必要的形狀，精加工時余量均勻，能確保精加工后光隙不大于0.01mm，有效提高了漲圈加工合格率，較原設計制造單位高60%。

3.3 漲圈鉛錫鍍層質量改進

分油漲圈材料牌號為ZQSn16-5，屬于銅合金，鍍鉛錫屬于電鍍工藝。重新修訂了電鍍的電流參數，配置了鍍鉛錫專用電源和專用的厚度測量儀，提高了漲圈鍍鉛錫質量。

3.4 漲圈裝配質量控制

增加分油漲圈光隙、彈力檢查要求，增加漲圈標記、原位裝配要求，明確漲圈銼修方法，設計制造了漲圈裝配導向工裝。

4 效果驗證

4.1 工藝考核試車驗證

為確定漲圈制造工藝改進效果，從首批試制的漲圈中隨機選取11 件進行裝機驗證，通過了30h 加速工藝考核試車。

4.2 大磨粒情況驗證

調研外場大磨粒檢測要求，配置大磨粒檢測設備，對廠內檢驗試車后的發動機增加大磨粒檢測要求。目前交付出廠的80 余臺發動機再未出現分油漲圈異常磨損故障。

4.3 外場使用情況

統計貫改措施后出廠發動機外場使用情況，沒有發生因分油漲圈磨損導致的發動機提前返廠問題。

5 結論

通過研究分油漲圈的結構功能，分析其設計原理，確定了漲圈彈力過小、密封面摩擦系數不合格、其他機件磨損等是導致分油漲圈磨損的主要因素。經分析計算，通過控制漲圈開口自由尺寸，保證了漲圈彈力符合技術要求；通過將漲圈熱定型方式由間隔塊法改進為星形盤法，確保了漲圈外圓光隙，提高其彈力穩定性；通過改進電鍍參數，加強槽液濃度控制，提高了漲圈鉛錫鍍層質量；增加了對漲圈修理裝配的控制要求，減少其他相關機件磨損等，有效預防了漲圈的異常磨損。經發動機外場使用情況驗證，貫改后出廠的發動機在外場使用中再未出現因減速器分油漲圈磨損導致發動機提前返廠情況。