引言

國內通用航空領域,用于飛行訓練的初中教機鉆石DA40NG和DA42NG飛機機隊規(guī)模在不斷擴大,飛行小時數(shù)不斷攀升,因而作為飛機心臟的AE300型發(fā)動機的可靠性和安全性顯得尤為重要。其中連接發(fā)動機和螺旋獎的齒輪箱在降低發(fā)動機轉速和傳遞扭矩的過程中有著重要作用。國內目前還沒有能力對故障齒輪箱進行修理,只能通過送修或置換的方式保障發(fā)動機的正常運行。本文通過對齒輪箱故障的判斷與分析,簡要介紹了齒輪箱的修理技術,以供參考。

1齒輪箱的作用和結構

AE300發(fā)動機作為一款四缸直列式的水冷渦輪增壓航空活塞發(fā)動機,與我院現(xiàn)使用的萊康明和大陸發(fā)動機最大的區(qū)別就是配有減速齒輪箱。這款齒輪箱按螺旋獎軸與發(fā)動機曲軸軸線的相對位置來分屬于偏位式齒輪箱,按輪系來分屬于定軸式齒輪箱。螺旋獎轉速過高會導致效率大大降低,而齒輪箱能夠將發(fā)動機曲軸的轉速降低后傳遞到螺旋獎上,經過減速后發(fā)動機和螺旋獎能夠很好地匹配,從而具備良好的燃油經濟性。

AE300發(fā)動機齒輪箱擁有三級傳動機構,分別是輸入軸齒輪、中間軸齒輪和輸出軸齒輪,這些齒輪都是斜齒輪。發(fā)動機的曲軸與輸入軸通過花鍵連接,輸入軸齒輪與中間軸齒輪相連,中間軸齒輪再與螺旋獎軸齒輪相連。這種三級傳動機構不僅能起到減速的作用,還能在地面螺旋獎撞擊時通過齒輪箱中的中間軸齒輪的緩沖大大減少作用于發(fā)動機曲軸上的沖擊載荷,達到保護發(fā)動機的目的。齒輪箱中還有完整的潤滑系統(tǒng),通過機械齒輪泵將潤滑油輸送到各個零部件,減少零部件的磨損與過熱。

如圖1所示,AE300發(fā)動機齒輪箱主要可以分成兩個部分:齒輪箱殼體和齒輪箱蓋板。齒輪箱殼體與發(fā)動機通過離合片相連。齒輪箱殼體內裝配有與離合片相連的輸入軸齒輪、中間過渡的中間軸齒輪、螺旋獎軸軸承、調速器齒輪軸軸承以及完整的潤滑系統(tǒng)。潤滑系統(tǒng)的核心是滑油泵、驅動齒輪、油濾和油路。潤滑油被滑油泵由吸油管從齒輪箱底部吸上來,通過齒輪泵后增壓輸入到殼體中的滑油路供給各個運動部件,比如各個軸承。齒輪齒面的潤滑是通過輸入軸齒輪旋轉時將浸沒齒輪的潤滑油甩起來潑濺到與之連接的齒輪上,再通過齒輪間的接觸、轉動潤滑到各個齒面。齒輪箱殼體上還有安全活門、放油磁性堵頭、通氣管、溫度傳感器等零部件,還可以外接散熱器、調速器。齒輪箱蓋內裝配有螺旋獎軸和齒輪、調速器驅動軸軸承和齒輪。把齒輪箱殼體和齒輪箱蓋合在一起后,螺旋獎軸齒輪可以帶動滑油泵齒輪運轉工作。

圖1 齒輪箱結構簡圖

2齒輪箱的故障分析

2.1齒輪箱滲漏滑油

齒輪箱安裝到發(fā)動機上時,潤滑油通過加油口蓋加入到齒輪箱內腔,由于重力匯聚到齒輪箱底部,形成重力油池。如果發(fā)現(xiàn)齒輪箱某個位置有滑油滲漏的痕跡,首先需要判斷滑油滲漏的確切位置,由于螺旋獎在旋轉過程中會在其后方也就是齒輪箱和發(fā)動機的方向產生巨大的風力,能將滲漏的液體向后吹,所以在查找潤滑油滲漏點時一定要從后往前不放過任何一個可能性。找到滑油滲漏的確切位置后,要從結構上分析該處滲漏點可能有潤滑油途徑的位置,然后一一排除。從齒輪箱的整體結構來分析,螺旋獎軸損傷或密封圈磨損、齒輪箱殼體或蓋板密封面損傷、O型密封圈損傷、堵頭密封不嚴等都有相當大的可能性造成潤滑油滲漏。

2.2磁性放油堵頭上有金屬堆積

齒輪箱中的傳動齒輪是通過硬連接的方式傳遞扭矩的,即使在正常潤滑情況下也會產生磨損,但是正常磨損不會造成金屬屑堆積或出現(xiàn)較大的金屬塊。齒輪箱中承受載荷的主要部件是輸入軸齒輪、中間軸齒輪以及螺旋獎軸齒輪,這些部件理論設計載荷是超過正常工作的最大載荷的,正常情況下是不會出現(xiàn)異常損傷產生較大金屬顆?；蚪饘賶K的。但如果齒輪箱工作不正常,比如齒輪箱溫度過高,潤滑效果不好,就會使齒輪齒面強度降低,漸開線接觸位置產生熱應力,最終使齒輪出現(xiàn)齒面點蝕、剝落、齒頂斷裂等損傷,還會使高速旋轉的軸承出現(xiàn)過度磨損,從而縮短軸承中旋轉部件的使用壽命。過度磨損把會產生金屬屑,從零部件上脫落的金屬塊和金屬屑最后掉落到齒輪箱底部吸附在磁性堵頭上產生金屬堆積。

2.3齒輪箱溫度高

滑油量偏低,對零部件的潤滑和冷卻不夠:金屬部件的異常磨損:零部件之間的工作間隙偏小,散熱效果不良:軸承安裝不到位產生異常磨損等都可能造成齒輪箱溫度過高。齒輪箱溫度過高能反映出旋轉的齒輪溫度過高,長時間在高溫的狀態(tài)下工作,必然會造成齒輪與軸承的異常磨損,導致齒輪箱的壽命縮短,引發(fā)飛行不安全事件。

3齒輪箱修理的一般程序

由于絕大多數(shù)故障在不分開齒輪箱的情況下并不能被排除,因此如何對齒輪箱進行修理以排除故障就顯得尤為重要。

3.1分解齒輪箱

對需要修理的齒輪箱進行分解,將整個齒輪分解成一件件單個的零件。首先,拆卸通氣活門、加油口蓋、油濾蓋上的保險,拆卸溫度傳感器（有的傳感器在油濾蓋上,有的在油濾蓋側面）,拆卸調速器輸入軸的卡環(huán)和襯套。

分解拆卸齒輪箱蓋,先拆掉齒輪箱的蓋板螺釘,將殼體與蓋板分開,露出齒輪箱中的齒輪等零部件。分解齒輪箱蓋板,先拆掉卡環(huán)和保持鎖環(huán),然后再拆下螺旋獎軸軸承內圈,取下螺旋獎軸上的墊片,同時拆下螺旋獎軸齒輪和調速器齒輪、調速器齒輪軸承內圈。之后拆卸螺旋獎軸大螺帽、調速器齒輪前軸承卡環(huán)、螺旋獎軸軸承蓋螺釘和調速器齒輪前軸承。最后取下螺旋獎軸和螺旋獎軸密封圈。

分解拆卸齒輪箱殼體,先拆掉輸入軸和中間軸的軸承座蓋板,露出齒輪和軸承。再取出各個軸齒輪,拆卸滑油泵和齒輪。拆卸殼體內的其他零部件,比如滑油管路等。

由于齒輪箱外殼采用的是鋁合金材料,軸承外圈采用的是合金鋼材料,兩種材料的膨脹率不同,可以采用加熱齒輪箱殼體和齒輪箱蓋的方式無損地拆下安裝在齒輪箱殼體或蓋板中的軸承外圈。最終將齒輪箱內部所有的零部件一一拆下進行檢查。

3.2清洗齒輪箱零部件

齒輪箱分解完成后,首先報廢所有必須更換的零部件,比如密封圈、卡環(huán)。然后對剩余可用零部件進行清洗。可以先對齒輪箱殼體進行粗清洗,使用除碳劑清洗掉殼體上的積碳等較多的沉積物,然后采用超聲波清洗的方法對各個零部件進行再次清洗,由于超聲波清洗方法能夠通過把聲能轉換成機械振動的方式將零部件各個角落都清洗干凈,而且不會損傷零件表面,因此采用超聲波清洗效果最佳。

3.3檢查齒輪箱零部件

清洗完成后對各個零部件進行目視檢查。目視檢查齒輪箱殼體和蓋板的配合表面是否存在凹坑、劃痕、裂紋等缺陷,檢查齒輪和軸是否存在點蝕、劃痕、微振腐蝕、凹坑等缺陷,檢查軸承是否有異常磨損、劃傷、腐蝕、高溫燒蝕等缺陷,檢查滑油管路是否有扭曲變形、與相鄰零部件有干涉磨損的痕跡。如果發(fā)現(xiàn)零部件有不能接受的缺陷就要報廢。目視檢查只能初步檢查到肉眼可分辨的、比較明顯的缺陷,一些細小的缺陷必須通過無損檢測才能被發(fā)現(xiàn),比如細小的裂紋等。齒輪和軸通常采用磁粉檢測方法,而齒輪箱殼體和蓋板采用熒光滲透檢測方法。檢測發(fā)現(xiàn)零部件有裂紋等不能接受的缺陷就必須報廢,裝配時更換新的零部件。

通過分解后對零部件的檢查,能夠收集到大量的故障數(shù)據,分析故障原因和故障率,最終能反映出設計、使用、維護等各個方面存在的不足之處,進而采取措施進行糾正改進,使得齒輪箱運行使用更加可靠,更好地保障飛行安全。

3.4齒輪箱的恢復裝配

軸承是齒輪箱工作中的主要承力部件。修理過程中所有有異常磨損、劃傷、腐蝕、高溫燒蝕等缺陷的軸承都必須更換成新的。密封圈和卡環(huán)也是一次性的,一旦拆卸就必須更換。

檢查后符合要求的零部件可以繼續(xù)使用。

所有零部件準備好之后就能開始進行裝配,裝配時首先通過加熱的方式將軸承的內外圈分別安裝在軸和軸承座內。然后安裝輸出軸齒輪、輸入軸齒輪和中間軸齒輪,輸入軸齒輪和中間軸齒輪在安裝時需要調整齒輪端面與軸承座蓋板的間隙符合要求,避免兩者之間的間隙過小造成異常磨損,導致齒輪箱工作不正常。最后將齒輪箱殼體和蓋板內部附件安裝上后,將兩者合攏到一起,齒輪箱就能恢復到分解前的狀態(tài)。

裝配齒輪箱的過程中要確保所有有力矩值要求的螺釘、螺帽都必須按照要求選擇力矩,在正確的位置使用軸承緊固膠、螺紋緊固膠或密封膠（比如樂泰2701或樂泰620）。

齒輪箱裝配完成后還需要進行功能測試,將齒輪箱連接到測試發(fā)動機上,在測試發(fā)動機正常試車運轉時間內,監(jiān)控齒輪箱的運轉、溫度、潤滑油消耗量等參數(shù),要求所有數(shù)據均符合要求,才能認定修理好的齒輪箱合格。

4結語

本文僅以修理為例,簡要分析了AE300發(fā)動機齒輪箱的維修技術。AE300發(fā)動機齒輪箱無論是在故障無法排除進行修理時,還是到達翻修間隔時間TBO進行翻修時,整個維修程序都包括一般流程一分解、清洗、檢查、裝配、檢測。要想完全掌握AE300維修技術,關鍵是掌握各個步驟的難點和要求,比如零部件分解的順序和方法,零部件的檢查與判斷,裝配過程中軸承內圈使用緊固膠和緊固件力矩順序等。需要不斷積累工作經驗,將理論和實踐有機結合起來,才能快速理解AE300發(fā)動機齒輪箱的結構、工作原理、工作特性,從而掌握其維修技術。