某型发动机分油涨圈磨损问题分析及预防

■ 练兵 张鸣鸣 王军 张建伟/ 空装驻襄阳地区军事代表室 襄阳航泰动力机器厂

0 引言

某型飞机发动机更换滑油试车后，滑油磨粒检测超出警告值，检查滑油系统前后主滑油滤、中后轴承回油滤、调速器滑油滤、燃油调节器滑油滤，发现大量金属屑。经统计，2019 年以来，该型发动机在外场已发生多起滑油中有金属屑和大磨粒故障，均为减速器分油涨圈磨损造成。为查明涨圈磨损原因，对涨圈磨损进行机理分析，查找影响因素，改进加工、热处理和表面处理工艺，并制订针对性改进措施。

1 结构和工作原理

1.1 涨圈装配结构介绍

单台发动机装配11 根涨圈，位于桨轴外分油衬套涨圈槽内，涨圈外圆柱面受弹力和油压作用，将之压紧在分油衬套内圆柱面上，用于隔开减速器大距、小距、定距以及润滑油路[1]（见图1）。

图1 分油涨圈装配结构图

涨圈基体材料为铸锡青铜（ZQSn16-5），具有较高的耐磨性，其表面镀有厚度为5 ～8μm、用以降低摩擦系数的铅锡层。同时，涨圈的两个端面设计有楔形槽和通油孔，以便工作状态下在涨圈端面与涨圈槽接触面形成压力油膜，降低摩擦系数；装配后涨圈外圆柱面与分油衬套保持一定的紧度和贴合度，使涨圈外圆柱面贴紧分油衬套内圆柱面，保证封严、隔断。

分油衬套由2Cr18Ni8W2 钢制成，装配时压装于分油衬套壳体内孔并一起固定在减速器机匣上。分油衬套内孔表面粗糙度为0.125μm，经氮化处理，氮化表面硬度为HRC ≥88，起耐磨作用。

桨轴外分油衬套由材料为38CrMo-ALA 的钢制成，装于桨轴中部外圆面，并用螺母压紧，工作状态下随桨轴一起转动，转速为1074r/min，涨圈槽壁表面粗糙度为0.25μm，经氮化处理，氮化表面硬度为HR30N ≥80，起耐磨作用。

1.2 工作原理

桨轴工作时，分油衬套静止，桨轴外分油衬套随桨轴一起旋转，转速为1074r/min，涨圈安装于桨轴外分油衬套涨圈槽内，依靠自身弹力使其外圆柱面贴紧分油衬套内圆柱面，启动密封作用。如图2 所示，当涨圈左侧面受到工作油压作用时，使其右侧面与桨轴外分油衬套涨圈槽右侧贴紧，形成第一道密封面，称之为主密封面，因是面接触摩擦，会产生摩擦力矩M主；工作油压同时作用于涨圈内圆柱面，使涨圈向着径向外侧涨开，涨圈外圆柱面被压紧在分油衬套内圆柱面，形成第二道密封面，称之为辅助密封面，会产生摩擦力矩M辅。在辅助密封面和主密封面的联合作用下，降低了油路泄漏和压力降，达到密封效果[2]。

图2 涨圈工作原理图

正常工作时，涨圈在涨圈槽内有轴向运动但没有周向转动。当两端滑油腔压差小于一定值，即作用于涨圈端面的力不足以克服涨圈轴向活动的摩擦力时，涨圈保持先前位置并与分油衬套保持相对静止；当两端滑油腔压差大于一定值，使作用于涨圈端面的力可以克服涨圈轴向活动量的摩擦力时，涨圈将轴向移动到涨圈槽的一端，由于涨圈的结构特点，则在涨圈与桨轴外分油衬套之间形成了一层动压油膜，并保持两端滑油腔具有一定压差，起到隔开滑油通道的作用，此时涨圈相对分油衬套静止，相对桨轴外分油衬套旋转，此时M辅与M主相同。

在启动阶段或其他一些非稳定、过渡状态下，因润滑不良、涨圈端面摩擦系数较大，涨圈端面与外分油衬套涨圈槽之间的摩擦力矩M辅大于涨圈外圆与分油衬套之间的摩擦力矩M主时，涨圈会随桨轴外分油衬套转动，这种情况偶尔发生，如果经常性发生就会导致涨圈外圆异常磨损。

2 涨圈磨损原因分析

根据对某型发动机减速器处涨圈结构和工作原理的分析，得出以下可能导致涨圈异常磨损的原因，逐一进行说明。

2.1 涨圈弹力过小

涨圈弹力是在制造热处理和机加过程中确定的，主要影响因素有涨圈材料（弹性模量）、定型热处理、尺寸参数（涨圈宽度和自由状态切口间隙）等。弹力越大，越有利于涨圈的周向静止，并有利于减少涨圈的磨损。2017 年曾发生因新品涨圈弹力小于规定值导致的涨圈磨损问题。

2.2 涨圈主副密封面的摩擦系数不合格

影响涨圈主副密封面摩擦系数的因素主要有：

1）涨圈表面粗糙度不合理。涨圈端面（主密封面）粗糙度和涨圈外圆表面（辅助密封面）粗糙度设计不合理，M辅和M主不匹配，造成涨圈随桨轴外分油衬套转动，导致涨圈外圆异常磨损。

2）减磨镀层质量差。涨圈表面减磨的铅锡镀层质量差、镀层厚度不满足要求，均会导致涨圈密封面的摩擦系数变化，使减磨功能提早失效，导致涨圈端面和外面异常磨损。镀层质量差的原因可能是镀铅锡前处理、镀铅锡过程中参数的过程控制不到位、槽液成分偏离等。

3）涨圈磕碰。涨圈在转运、保管、修理、装配过程中因控制不到位发生磕碰，破坏了涨圈密封表面质量，导致涨圈的异常磨损。如涨圈锉修切口不当，存在毛刺锐边，装夹涨圈方法不当导致涨圈表面被夹伤等。

4）其他机件磨损。发动机在工作使用过程中，滑油系统各传动部件磨损产生的磨粒随滑油循环到涨圈密封面处，磨粒嵌入涨圈密封面形成硬质点，与分油衬套内圆面或外分油衬套凹槽面相磨，导致材质较软的涨圈异常磨损。如分油衬套表面渗层脱落、弹性轴花键镀层磨损脱落、齿轮轴承工作产生金属屑或大磨粒等。

3 涨圈制造工艺方法改进

基于对涨圈磨损原因的分析，采取重新研发产品的技术思路对涨圈原加工工艺进行改进。

3.1 弹力值的控制方法

产品设计要求其工作状态的径向弹力为55.86 ～66.64N，影响分油涨圈弹力的关键因素是涨圈自由状态下的开口尺寸。在涨圈材料、高度、壁厚、工作状态直径、涨圈类型、弹力均确定的情况下，自由状态的开口尺寸有规律可循。通过查阅国际国内类似产品的技术资料《GOETZE 活塞环手册》[3]、《活塞环理论》[4]等，结合设计图样给定的参数，计算出分油涨圈自由状态的开口尺寸为17.9 ～21mm。考虑到热处理定型后拆下零件的回弹和后续加工的影响，并经过不同开口尺寸的试验验证，最终确定热处理夹具开口值为25mm，后续加工去除切削余量后，零件弹力值达到产品设计技术要求。

3.2 外圆光隙的保证

产品设计技术要求在Φ170.04mm环规内的外圆光隙不大于0.01mm。涨圈原设计制造单位采取间隔块法对涨圈进行热定型，加热过程中整个涨圈仅在间隔块处约束其变形，开口处及开口对面由于应力大的缘故会发生畸变，而与开口处成90°的中部位置变化较小，故箍成正圆后，应力大的地方会优先涨开接触内圈，而应力小的位置未能弹开，导致定位环无法将零件箍成正圆状态，从而使得零件的定位基准发生变化，造成最终的光隙不合格。有限元分析证明这种情况客观存在（见图3）。

图3 涨圈应力云图

鉴于上述不足，决定用星形盘来进行热处理定型。根据有限元分析及实测成品件自由状态下外形尺寸设计加工的星形盘，其外形轮廓与涨圈自由状态的内轮廓相符，涨圈内轮廓箍抱在星形盘外轮廓上，热处理时星形盘赋予半成品涨圈必要的形状，精加工时余量均匀，能确保精加工后光隙不大于0.01mm，有效提高了涨圈加工合格率，较原设计制造单位高60%。

3.3 涨圈铅锡镀层质量改进

分油涨圈材料牌号为ZQSn16-5，属于铜合金，镀铅锡属于电镀工艺。重新修订了电镀的电流参数，配置了镀铅锡专用电源和专用的厚度测量仪，提高了涨圈镀铅锡质量。

3.4 涨圈装配质量控制

增加分油涨圈光隙、弹力检查要求，增加涨圈标记、原位装配要求，明确涨圈锉修方法，设计制造了涨圈装配导向工装。

4 效果验证

4.1 工艺考核试车验证

为确定涨圈制造工艺改进效果，从首批试制的涨圈中随机选取11 件进行装机验证，通过了30h 加速工艺考核试车。

4.2 大磨粒情况验证

调研外场大磨粒检测要求，配置大磨粒检测设备，对厂内检验试车后的发动机增加大磨粒检测要求。目前交付出厂的80 余台发动机再未出现分油涨圈异常磨损故障。

4.3 外场使用情况

统计贯改措施后出厂发动机外场使用情况，没有发生因分油涨圈磨损导致的发动机提前返厂问题。

5 结论

通过研究分油涨圈的结构功能，分析其设计原理，确定了涨圈弹力过小、密封面摩擦系数不合格、其他机件磨损等是导致分油涨圈磨损的主要因素。经分析计算，通过控制涨圈开口自由尺寸，保证了涨圈弹力符合技术要求；通过将涨圈热定型方式由间隔块法改进为星形盘法，确保了涨圈外圆光隙，提高其弹力稳定性；通过改进电镀参数，加强槽液浓度控制，提高了涨圈铅锡镀层质量；增加了对涨圈修理装配的控制要求，减少其他相关机件磨损等，有效预防了涨圈的异常磨损。经发动机外场使用情况验证，贯改后出厂的发动机在外场使用中再未出现因减速器分油涨圈磨损导致发动机提前返厂情况。