某型燃油泵密封端面泄漏故障分析与改进.pdf

液压气动与密封/2 0 2 4年第3 期doi:10.3969/j.issn.1008-0813.2024.03.022某型燃油泵密封端面泄漏故障分析与改进刘雨,史泽星,马兴家,黎锐1（1.中航力源液压股份有限公司,贵州贵阳550 0 18；2.空装成都局驻贵阳地区第三军事代表室，贵州贵阳550 0 18）摘要：针对某型燃油泵控制油路密封端面泄漏故障，运用Pumplinx软件对控制油路流场进行仿真分析，得出了气蚀是导致密封端面漏油的主要原因,并对密封端面结构进行优化设计,最后,通过试验验证了改进措施的有效性。关键词：燃油泵；泄漏；气蚀；Pumplinx中图分类号：TH137文献标志码：BAnalysis and Improvement of Fuel Pump Seal Face Leakage(1.AVIC Liyuan Hydraulic Inc.,Guiyang 550018,China;2.Quality Representative,Guiyang 550018,China)Abstract:Focus on the leakage faults of seal face for the fuel pump,Established simulation model of control oil based on Pumplinx software,and concluded that the main reason for leakage faults was the cavitation damage of seal face,and put forward the corresponding improvementmeasures for seal face.Finally,through the experiment verify the correctness of the relevant improvement measures.Key words:fuel pump;leakage;cavitation;Pumplinx0引言以燃油为介质的轴向柱塞变量泵由于具有功率密度大、容积效率高、噪声低及控制方式多样等优点，常作为航空发动机控制系统的动力源。某型燃油泵在外场调试过程中，工作一段时间后，燃油泵出现漏油现象，停车后检查发现燃油泵的分油盖与壳体贴合面靠近控制油路位置为泄漏源，该泄漏会导致燃油泵控制性能降低，甚至导致控制系统失效，进而使得航空发动机燃油系统可靠性降低,严重时甚至发生安全事故，因此需要对该故障进行分析与优化改进。1燃油泵简介某型燃油泵原理图如图1所示，该泵为恒压变量柱塞泵,其主要由变量调节机构、增压供油机构、外壳封装机构、轴尾封严机构等四部分组成。当燃油泵工作时，传动轴将发动机输出的扭矩传递给内轴后传递收稿日期：2 0 2 3-0 7-14作者简介：刘雨(19 8 9-）,男,贵州遵义人，工程师,硕士，主要从事液压泵及马达的研发设计工作。124文章编号：10 0 8-0 8 13(2 0 2 4)0 3-0 12 4-0 5LIU Yu,SHI Ze-xing,MA Xing-jial,LI Rui系统供油。进油压力供油压力2121.传动轴2.内轴分组件3.回位弹簧4.随动活塞5.柱塞6.通道2 7.通道18.滤网9.高压活门10.活门套筒11.调压弹簧12.斜盘图1控制原理图2故障现象与分析对故障泵进行分解检查，壳体控制油路密封端面给转子、柱塞组件,由于斜盘存在偏角，一方面转子、柱塞组件绕内轴转动,另一方面柱塞组件在轴线方向上往复运动，从而实现柱塞泵的吸排油过程，进而向燃油出油口控制油进口进油口回油口11调节油路压力壳体回油压力567810Hydraulics Pneumatics&Seals/No.3.2024与密封圈分解图见图2。某型燃油泵控制原理,运用三维软件 Creo 抽出燃油泵控制油路流道模型，其流场仿真模型见图4。一间隙油膜随动活塞腔配合间隙结合面流道图2 故障泵壳体控制油路密封端面与密封圈如图2 所示，壳体控制油路密封端面与密封圈均出现一条径向凹坑。为排除加工和试验过程的干扰，对长试泵与返厂泵进行分解检查，壳体控制油路密封端面见图3。图3 壳体控制油路密封端面图片如图3 所示，长试泵与返厂泵在壳体控制油路密封端面上均存在不同程度的凹坑，经理化分析，该凹坑由气蚀产生，且气蚀位置主要发生在壳体斜孔的斜上方,少量发生在对侧，说明该气蚀位置存在确定性,气蚀坑扩展方向由圆柱凸台外侧倒角处向内扩展，而密封圈则由密封圈内侧向外侧扩展，由于密封圈气蚀坑的存在,使得控制油路端面密封失效，燃油从分油盖与壳体结合面泄漏至外界而引起泄漏故障。3仿真分析为分析气蚀坑的形成原理并提出改进措施，根据控制油进口图4某型燃油泵控制油路流场模型如图4所示,某型燃油泵控制油路流道主要由控制油进口流道、结合面流道、随动活塞腔流道和间隙油膜组成。由于结合面处分油盖与壳体之间存在间隙,故在结合面上设置了油膜以使得模型与实际工况吻合。当高压活门开启时，从控制油进口流入的高压油经流道进入随动活塞腔，最后经随动活塞与壳体间的间隙进人壳体内腔。仿真模型主要参数设置见表1。表1仿真模型主要参数设置参数名称工作介质油液密度/kgm油液黏度/mm.s-1配合间隙/mm控制油压力/MPa回油压力/MPa溶解气体质量分数/%3.1流场分析根据以上仿真参数设置，当高压油进入控制油路时,某时刻控制油路流场分布见图5,如图所示，当控制油进入控制油路时，在分油盖与壳体的结合面位置存在3 处明显的漩涡。漩涡的存在容易导致压力降低，进而导致气体析出。某时刻分油盖与壳体结合面的流场分布见图6,如图所示，流线长度代表流速大小，由于配合间隙的节流125参数值3号喷气燃油7501.20.0240.47.5 10 5液压气动与密封/2 0 2 4年第3 期作用,使得油液在油腔流速较高而胶圈槽内流速较低。当高压油由分油盖流道射人油腔时，在左右两侧形成明显的漩涡。同时,高压油经间隙进人胶圈槽内，由于胶圈槽内壁的阻碍作用，油液环流回3 位置，且回流至3位置处时压力较低。Cavitation:Total Gas:Volme Frection(-0.50.0010932Flow:VelocityY/-59.710628.4593(a）控制油路气体体积系数分布Cavitation:Total Gas Volume Fraction-0.50.0110932图5控制油路流场分布Flow:Pressure DMPaJ4.00291(b）控制油路气体体积系数分布0.000114027图7 气体体积系数分布CavitationiDemage Power w5e+08监测点40图6 结合面流场分布监测点1胶圈槽3.2气蚀分析当控制油进入控制油路时,某时刻控制油路与结合面处气体体积系数分布见图7，如图所示，控制油路在箭头位置的气体体积系数均较大，而结合面上油液从油腔进人胶圈槽处和胶圈槽进人油腔处的气体体积系数较大，说明这些位置油液中的气体析出较多。当气泡灭所产生的破坏功大于阀值（5e+8）W时,标志着发生气蚀的风险较高,某时刻控制油路破坏功分布如下：如图8 所示，监测点1位于胶圈槽轴线与结合面的交点处，监测点2 位于结合面间隙中部，监测点3 位于胶圈槽中部，监测点4与监测点1关于胶圈槽轴线对称。油液从油腔进人胶圈槽处和胶圈槽进入油腔处的间隙位置破坏功均超过了阀值(5e+8）W,故该位置气蚀风险较高。当对进口压力施加一个阶跃信号时，则整个控制126监测点2监测点3图8 控制油路破坏功分布4.5F油腔3：52.500.100.20 0.30 0.400.500.600.700.800.901.00时间/s图9油腔与胶圈槽压力变化曲线过程中监测点1与监测点3 的压力变化曲线见图9,如图所示，在0.0 8 s时刻进口控制油压力由0.4MPa阶跃至4MPa,在0.1 s时监测点1处压力开始爬升并出现峰值,其后恢复至3.4MPa左右。这主要是监测点1图11改进后的控制油路Hydraulics Pneumatics&Seals/No.3.2024与进口之间存在距离,油腔建压需要时间，同时压力油3.3优化设计突然进入，出口排油不及时，使得初始控制过程出现类由以上仿真分析可知，漩涡现象与间隙是导致壳似“水锤效应”的现象，从而出现压力冲击。同时，在体密封圈槽内部凸台平面出现气蚀现象的主要原因。0.08s时刻,胶圈槽压力并未与油腔压力变化同步,而由于壳体结构和加工工艺的限制，不能彻底消除漩涡是降低至0.1MPa左右,这主要是漩涡和配合间隙的产生，故采用补充加工壳体端面密封槽内部凸台的方节流作用导致，此时油液中气体大量析出，随着油液流法，保证油腔与胶圈槽压力相同，使得气体不能大量聚动方向流动至监测点2 处，此时油腔压力已达到集而产生气蚀，改进后的流道见图11。3.4MPa，气泡灭从而产生气蚀现象。当控制稳定后,胶圈槽压力上升至3 MPa左右，与油腔压力相差0.4MPa左右，这主要是由于该点处油液的流速不同导致。监测点2 与监测点4处破坏功变化曲线见图10，如图所示，在0.12 s时刻，监测点2 处破坏功出现峰值,直至0.2 8 s时胶圈槽压力升至3 MPa后结束,破坏功最大峰值达（1.8 e+11）W,远超阀值（5e+8）W,此时大量气泡被运送至监测点2 处，产生的能量破坏金属表面而产生气蚀现象。同时，监测点4处在0.0 9 s左右破坏功出现峰值，比监测点2 位置出现峰值的时间提前,这与油液流动方向一致,其最大峰值为（4.2 e+10）W,故存在气蚀风险，但破坏功小于监测点2 处峰值，且持续时间也较短。1.8e+11监测点221.4e+116e+10F2e+1000.100.20 0.300.400.50 0.60 0.70 0.800.901.00监测点43.5e+101.5e+105e+0900.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.800.90 1.00图10 1监测点2 与监测点4处破坏功曲线综上所述,当油液射人油腔时，由于漩涡的存在导致气体析出，此时由于分油盖与壳体配合间隙的节流作用,导致油腔压力高于胶圈槽压力，析出的气体经间隙进入胶圈槽内，最后环流至监测点2 附近重新进入油腔，由于此时油腔压力已提升至3.4 MPa左右,导致气泡在配合间隙面上灭，产生的能量高于金属破坏功阀值（5e+8）W，由于壳体强度比分油盖低，使得壳体控制油路密封端面的金属表面破坏而产生气蚀现象,加之燃油泵工作过程中高压活门频繁开启，使得壳体密封圈槽内部凸台出现了与油液流动方向一致的气蚀坑，仿真结果与故障现象基本吻合。如图11所示，壳体与分油盖间隙由原来的0.02mm变为0.5mm,以保证同一时刻油腔与胶圈槽压力相同。时间/s时间/sCavitation:D图12 改进后控制油路破坏功分布改进后某时刻控制油路破坏功分布见图12,如图所示，改进后控制油路破坏功均小于（5e+8）W，控制油路发生气蚀的风险较低。油腔1.5胶圈槽0.500.100.200.3000.400.500.600.700.80时间/s图13改进后监测点1与监测点3 处压力曲线监测点1与监测点3 的压力变化曲线见图13,如127fagePowexCwl5e+0800.901.00液压气动与密封/2 0 2 4年第3 期图所示,改进后监测点1与监测点3 压力基本同步变化,不会导致析出的气体在胶圈槽内聚集而引起气蚀。4试验验证为验证改进措施的有效性，对改进后的燃油泵开展2 0 0 h的长试试验，试验过程中未发生油液外泄现象,试验结束后壳体控制油路密封端面与密封圈图见图14,如图所示,改进后的结构密封端面与密封圈均为出现气蚀现象，改进措施有效。图14改进后壳体密封端面与密封圈5结论本研究针对某型燃油泵控制油路密封端面泄漏故障，通过理化分析得出气蚀是引起端面泄漏的主要原因,并运用Pumplinx软件对控制油路流场进行仿真，得引用本文：刘雨，史泽星，马兴家，等.某型燃油泵密封端面泄漏故障分析与改进 J.液压气动与密封，2 0 2 4,44（3）：12 412 8.LIU Yu,SHI Zexing,MA Xingjia,et al.Analysis and Improvement of Fuel Pump Seal Face Leakage J.Hydraulics Pneumatics&Seals,2024,44(3):124-128.+出了气蚀产生的机理，并基于仿真结果提出相关改进措施,最后,通过试验验证了改进措施的有效性，主要结论如下：（1）壳体控制油路密封端面出现气蚀是某型燃油泵产生泄漏故障的主要原因；（2）漩涡与间隙是导致壳体密封圈槽内部凸台平面出现气蚀现象的主要原因；（3）补充加工壳体密封圈槽内部凸台以保证油腔与胶圈槽压力相同可以有效地避免该位置产生气蚀现象。参考文献1李玉琳.液压元件与系统M.北京：北京航空航天大学出版社,19 9 1.2雷天觉.新编液压工程手册M.北京：机械工业出版社,19 9 0.3王占林.飞机高压液压能源系统 M.北京：北京航空航天大学出版社,2 0 0 4.4刘雨，阎志刚，马吉光，等.带附加角结构的柱塞泵流场特性分析 J.液压气动与密封,2 0 2 0,40（12）：10-14.5 陈龙，常真卫，翟江，等.航空柱塞泵系统建模与仿真研究J.液压气动与密封,2 0 15,3 5（7):6 9-7 2.6柳荫.某型高压燃油泵的设计研究 D南京：南京理工大学,2 0 0 7.7杨智炜,徐兵,张斌.基于虚拟样机技术的轴向柱塞泵特性仿真 J.液压气动与密封,2 0 0 6,2 6(3)：3 3-3 6.+行业动态1.国标委：第三批国家高端装备制造业标准化试点项目的公示北起院、宁波索诺上榜2024年1月12 日，国家标准化管理委员会关于拟下达第三批国家高端装备制造业标准化试点项目的公示，北京起重运输机械设计研究院有限公司、宁波索诺工业自控设备有限公司上榜。2.智能制造走进企业一一中国液气密协会2 0 2 4年迎春座谈会在北京成功举办2024年1月3 0 日，中国液压气动密封件工业协会2 0 2 4年迎春座谈会在北京成功举办。本次座谈会以“智能制造走进企业”为主题，汇聚了50 余位专家、液气密行业企业代表，共同探讨智能制造如何助力企业实现高质量发展。摘自中国液压气动密封件工业协会公众号128