1 概况
某燃气轮机在外厂运行时，燃气发生器的滑油供油压力在1 s内由0.39 MPa降至0.02 MPa，继而出现主机滑油压力低报警停车，停车过程中主机滑油应急泵启动，向燃机提供滑油，完成紧急停车，该台燃气发生器累计运行约700 h。
在厂运行现场将滑油泵组分解下来，发现滑油泵组输入轴外花键和减速箱滑油泵齿轮内花键磨损严重，失去传扭的功能。
2 排故
2.1 检查表
根据现场分解检查情况，滑油泵组泵轴花键磨损失效，编制了泵轴花键磨损底事件检查表。
表1 滑油泵花键磨损故障树底事件检查表
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2.2 设计复查
2.2.1 滑油泵花键连接强度校核
对故障件的外观检查发现，是花键齿面发生了破坏，故只对齿面接触强度进行校核。
花键的齿面压应力计算结果为5.31 MPa。
许用挤压应力为100MPa～140MPa。
计算结果：表明该花键有足够的强度储备。
2.2.2 滑油泵组泵轴花键设计公差复查分析
根据GB/T3478.1-1995《圆柱直齿渐开线花键标准》可知，花键装配必需满足同轴度（定心）要求[1]；同时参考《航空发动机设计手册》第13册中，对活动花键的角向偏斜规定一般不大于10′。在采取一定措施后允许大于10′，但不允许偏斜角大于20′[2]。
复查相关设计图纸，计算滑油泵组安装座止口、端面相对于泵轴的跳动。止口跳动为0.03mm，端面跳动为0.049mm，端面相对于泵轴的最大偏角为4.55′。
减速器壳体安装座止口相对于滑油泵齿轮轴的跳动为0.02mm，端面相对于滑油泵齿轮轴的跳动为0.126mm，端面相对于滑油泵齿轮轴的最大偏角为5.64′。
在不考虑配合间隙、轴承径向游隙等极限情况，计算得出设计最大花键角偏斜10.19′。若考虑到配合间隙、轴承径向游隙等极限情况，设计的最大花键偏斜角会小于航空发动机设计手册对活动花键的角向偏斜规定10′[3]。
综上所述，滑油泵组和泵轴花键设计的公差符合设计要求。
2.3 滑油泵组检查结果
按照表1滑油泵组花键磨损故障树底事件检查涉及到滑油泵组的项目。
故障滑油泵组从燃机上分下后，先对其进行分解检查。
分解前，首先对滑油泵组进行手动旋转检查，滑油泵组泵轴能够灵活转动，检查无问题。对其进行分解检查发现，泵轴花键磨损严重，其余零组件目视检查无问题。
由于花键齿已破坏，无法进行花键尺寸测量和无损检测，检验记录合格。
对花键轴进行硬度测量，热处理结果合格。
对滑油泵组安装止口及端面加工尺寸和滑油泵组轴承座的加工尺寸进行检查，检查结果均合格。
2.4 减速器检查结果
减速器返厂后，对其进行分解检查，减速器内除滑油齿轮花键破损外，其余零组件均无问题。
减速器中由于内花键已破损，无法测量花键尺寸，经复查加工过程及测量结果均合格。
对减速器壳体轴承衬套、安装座止口及配合表面的尺寸、形位公差进行测量。
对安装座止口尺寸使用三坐标测量，沿内孔圆周16点测量，根据测量数据可以看出，竖直方向顺时针旋转5°～10°位置直径明显变大。
2.5 故障原因分析
2.5.1 故障排查结果分析
根据故障树排查结果来看，1、2、3、4、5、6、7、8、9、12、14、15、16、17、18等15项底事件排查结果无问题。第13项“滑油泵上管路装配应力大”在装配车间未发现该问题的装配记录，无法确定底事件排查结果。
根据第10项“附件机匣安装止口及端面加工尺寸超差”排查结果“车间测量超差”，第11项“附件机匣滑油泵齿轮轴承座加工尺寸超差”排查结果“车间测量超差”可以发现滑油泵组偏斜角较大，初步分析是由于花键偏斜角太大造成的花键磨损。
2.5.2 三台燃气发生器测量结果对比
现有三台燃气发生器返厂大修，且三台燃气发生器的运行工况相差不多，另外两台燃气发生器的运行时间都已经超过运行8000 h，分解检查的滑油泵组泵轴外花键以及滑油泵齿轮内花键均没有异常。所以整理这两台相关测量数据并与故障减速器壳体测量数据对比，故障机的减速器壳体组件相关尺寸的测量数据与另两台燃气发生器相比，超差较大。
2.5.3 故障原因分析
根据故障树排查结果，初步分析是滑油泵组回油管装配应力过大。
当滑油泵组回油管装配应力过大时，会导致滑油泵组沿着回油管路方向装配偏斜。故障机减速器安装座尺寸使用三坐标测量，根据测量数据可以看出，竖直方向顺时针旋转5°～10°位置直径明显变大，与滑油泵组回油管安装方向一致。根据附件机匣壳体组件止口与轴承衬套同心度测量结果（φ0.289mm），可以算出滑油泵组与附件机匣轴承衬套轴线的偏斜角达到了1°31′，远超该组花键的自由配合的偏斜角13.75′～31.62′（由渐开线花键齿侧间隙为0.080～0.184mm计算所得），说明花键副已经卡死且受到一定的压轴力。当花键副受到压轴力时，就会加速花键副的磨损。
同时，由于滑油泵组偏转到了极限位置，会使滑油泵组与附件机匣安装止口处产生压伤，这与附件机匣分解检查发现“与附件机匣安装止口处有压伤”的现象吻合。
所以，滑油泵组回油管装配应力过大，导致了滑油泵组的装配偏斜，花键配合偏斜角过大是花键磨损的主要原因。
3 结论
（1）根据故障树排查结果以及分析，滑油泵组花键副失效的原因是由于滑油泵组回油管装配应力过大，导致滑油泵组在运行过程中逐渐发生偏斜，所以渐开线花键配合偏斜角过大，导致了花键的磨损失效。
（2）针对该分析结论，对滑油泵组配合的相关尺寸和装配管路均增加了相关要求。
（3）渐开线花键连接在各类燃气轮机上均有广泛运用，其失效问题研究具有理论和实际应用价值，不仅可对该类连接方式的失效分析提供参考，也对设计、加工和安装使用都有重要意义。
参考文献
[1] GB/T3478.1-1995．圆柱直齿渐开线花键标准[S].
[2] 《航空发动机设计手册》总编委会．航空发动机设计手册：第13册[M]．北京：航空工业出版社，1999：99—102．
[3] 林基恕．航空燃气涡轮发动机机械系统设计[M]．北京：航空工业出版社，2005：145—146．