航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸修理技術(shù)研究*

馮世榕

(中國(guó)民航飛行學(xué)院，四川廣漢 618307)

0 引言

凸輪軸是航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)配氣系統(tǒng)中的關(guān)鍵零件，主要由凸輪、支承軸頸和軸頸組成，控制氣門(mén)的開(kāi)啟和閉合動(dòng)作，保證氣門(mén)組件有準(zhǔn)確、平穩(wěn)的良好運(yùn)動(dòng)規(guī)律，其質(zhì)量的好壞直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性。凸輪軸在高溫、高轉(zhuǎn)速、高交變應(yīng)力以及劇烈摩擦的狀況下工作，工況十分惡劣，極易發(fā)生各種失效。凸輪軸一旦失效，將會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣不足，排氣不暢，功率顯著下降，溫度升高，耗油量增加，發(fā)動(dòng)機(jī)抖動(dòng)等現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞發(fā)動(dòng)機(jī)其它零件，造成發(fā)動(dòng)機(jī)停車(chē)或報(bào)廢。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)與分析得出，凸輪軸的主要失效形式為:①凸輪表面磨損;②凸輪表面拉傷;③接觸疲勞造成凸輪表面麻點(diǎn);④接觸疲勞造成凸輪表面麻點(diǎn)剝落。航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)在大修期間，如發(fā)現(xiàn)上述4種失效情況，凸輪軸就必須進(jìn)行修理。由于凸輪軸修理技術(shù)復(fù)雜，加之國(guó)外廠(chǎng)家技術(shù)封鎖，目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)修理能力。為此，筆者從凸輪軸修理的可行性、修理關(guān)鍵技術(shù)以及輪廓型線(xiàn)反求等方面進(jìn)行了深入的研究，旨在為凸輪軸修理提供理論指導(dǎo)。

1 修理可行性分析

凸輪軸的各種失效均會(huì)引起凸輪輪廓表面狀況以及型線(xiàn)發(fā)生變化，對(duì)其修理關(guān)鍵是要對(duì)凸輪輪廓表面進(jìn)行磨削，去除缺陷，重構(gòu)凸輪輪廓表面。為此，以下重點(diǎn)討論凸輪輪廓重構(gòu)對(duì)其性能的影響，以分析修理的可行性。

1．1 輪廓重構(gòu)對(duì)型線(xiàn)的影響

凸輪的輪廓由基圓、緩沖段和工作段組成，其輪廓的型線(xiàn)由挺桿體升程函數(shù)決定，對(duì)配氣機(jī)構(gòu)的性能起著決定性作用，進(jìn)而影響發(fā)動(dòng)機(jī)工作可靠性、噪聲和振動(dòng)特性。

如圖1所示，原始凸輪的A點(diǎn)處(其對(duì)應(yīng)的凸輪轉(zhuǎn)角為α)，其挺桿體升程為OA－R。假設(shè)對(duì)凸輪輪廓進(jìn)行均勻磨削(磨削深度相同)后，其輪廓變?yōu)閳D1中的重構(gòu)輪廓，凸輪轉(zhuǎn)角為α?xí)r，挺桿體與凸輪的接觸點(diǎn)變?yōu)锳1，此時(shí)，挺桿體升程為OA1－R1。由于凸輪輪廓各處的磨削量相同，因此，OA－R=OA1－R1。綜上分析可知，均勻磨削凸輪輪廓不會(huì)改變其型線(xiàn)及挺桿體升程函數(shù)，不會(huì)影響配氣機(jī)構(gòu)性能。

1．2 輪廓重構(gòu)對(duì)接觸應(yīng)力的影響

凸輪與挺桿體間的接觸應(yīng)力表征凸輪接觸疲勞壽命和磨損率，分析凸輪輪廓磨削重構(gòu)對(duì)接觸應(yīng)力的影響對(duì)論證修理可行性具有重要意義［1］。凸輪與挺桿體呈線(xiàn)接觸，其接觸應(yīng)力的計(jì)算公式為:

式中:F為凸輪與挺桿體間的法向作用力;ρ2為挺桿體在接觸點(diǎn)的曲率半徑;R為凸輪的基圓半徑;h(α)為挺桿體的升程函數(shù);E1和E2分別為凸輪與挺桿體材料的彈性模量;μ1和μ2分別為相應(yīng)材料的泊松比;W為凸輪與挺桿體接觸線(xiàn)寬度。

對(duì)凸輪輪廓進(jìn)行均勻磨削后，式(1)中參數(shù)除R發(fā)生變化外，其余參數(shù)均不會(huì)發(fā)生變化。因此，由式(1)知，凸輪輪廓進(jìn)行均勻磨削而重構(gòu)輪廓會(huì)使R減小，導(dǎo)致凸輪與挺桿體間的接觸應(yīng)力增大。

1．3 輪廓重構(gòu)對(duì)潤(rùn)滑特性的影響

凸輪與挺桿體間的潤(rùn)滑特性對(duì)凸輪工作的可靠性和耐久性很重要［2］。為此，需對(duì)凸輪輪廓磨削后的潤(rùn)滑特性進(jìn)行分析。凸輪與挺桿體間的潤(rùn)滑特性通常由承載油膜的最小厚度進(jìn)行表征。此處討論的潤(rùn)滑特性均針對(duì)平底挺桿體，如果挺桿體為滾子式，則其為滾動(dòng)摩擦，油膜對(duì)潤(rùn)滑特性影響不大。凸輪與平底挺桿體之間最小潤(rùn)滑油膜厚度計(jì)算公式為:

式中:R為凸輪基圓半徑;h為挺桿體升程;ρ為凸輪外形曲率半徑。當(dāng)凸輪旋轉(zhuǎn)角速度確定時(shí);K為已知常數(shù)。

凸輪輪廓進(jìn)行均勻磨削而重構(gòu)輪廓后，凸輪基圓半徑R和凸輪外形曲率半徑ρ減小，其余參數(shù)不變。因此，由式(2)可知，對(duì)凸輪輪廓進(jìn)行均勻磨削而重構(gòu)輪廓會(huì)導(dǎo)致凸輪與挺桿體間的承載油膜厚度減小，其潤(rùn)滑特性變差。

1．4 輪廓重構(gòu)對(duì)耐磨性的影響

凸輪的耐磨性主要與表面的硬度有關(guān)［3］，分析凸輪輪廓磨削對(duì)耐磨性的影響主要是分析磨削后，是否會(huì)引起輪廓表面的硬度發(fā)生變化。通過(guò)反求分析某型航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸的材質(zhì)和熱處理狀況后，確定凸輪表面采用的是感應(yīng)加熱硬化處理，其硬化層深度為1．2～2 mm。因此，只要凸輪輪廓磨削量不大，凸輪表面的硬度不會(huì)發(fā)生變化，其耐磨性不會(huì)受到影響。

綜上可得，在凸輪輪廓重構(gòu)過(guò)程中，只要磨削量不大，磨削后的凸輪型線(xiàn)不會(huì)變化，不會(huì)影響配氣機(jī)構(gòu)性能，對(duì)接觸應(yīng)力、潤(rùn)滑特性及耐磨性的影響均非常小。因此，針對(duì)凸輪軸的失效進(jìn)行修理是可行的。

2 修理關(guān)鍵技術(shù)分析

2．1 主要技術(shù)指標(biāo)

通過(guò)研究凸輪軸的功用、性能特點(diǎn)及工作要求等，將凸輪軸修理中的技術(shù)指標(biāo)分為判斷是否可修指標(biāo)(簡(jiǎn)稱(chēng)修前指標(biāo))和修理后是否合格的指標(biāo)(簡(jiǎn)稱(chēng)修理后指標(biāo))。修前指標(biāo)主要有:①凸輪輪廓表面的最大磨損深度;②凸輪輪廓表面的最大點(diǎn)蝕深度;③凸輪輪廓表面的最大剝落深度與面積。修后指標(biāo)主要有:①凸輪輪廓型線(xiàn)精度;②凸輪輪廓表面粗糙度。

2．2 主要工藝步驟

凸輪軸修理的主要工藝步驟為:清洗與檢查→凸輪輪廓表面磨削→表面質(zhì)量檢測(cè)→型線(xiàn)精度檢測(cè)→油封包裝。凸輪修理的工藝步驟中，磨削凸輪輪廓表面和型線(xiàn)精度檢測(cè)為關(guān)鍵與難點(diǎn)。

2．3 輪廓表面磨削

凸輪輪廓表面磨削特點(diǎn)為:①凸輪軸屬于細(xì)長(zhǎng)軸類(lèi)零件，剛性較差，磨削時(shí)容易產(chǎn)生彎曲變形，并產(chǎn)生磨削振動(dòng)，影響磨削表面質(zhì)量;②凸輪輪廓型線(xiàn)為多段高次曲線(xiàn)，升程轉(zhuǎn)角與砂輪半徑之間存在非線(xiàn)性關(guān)系，各磨削點(diǎn)的移動(dòng)速度變化較大;③變化的磨削力容易引起磨削振動(dòng)，加上凸輪軸本身剛性較差，磨削振動(dòng)會(huì)加劇，磨削表面容易產(chǎn)生直線(xiàn)波紋;④凸輪磨削時(shí)，兩側(cè)加(減)速段的磨削速度最高，且在該區(qū)域冷卻液不易進(jìn)入切削區(qū)，最容易發(fā)生磨削燒傷。

基于上述凸輪輪廓表面磨削特點(diǎn)，凸輪軸修理中應(yīng)使用數(shù)控凸輪軸磨床并配備CBN砂輪。數(shù)控凸輪軸磨床具有如下顯著特點(diǎn):①數(shù)控裝置控制砂輪架滑臺(tái)、工件旋轉(zhuǎn)主軸以及工作臺(tái)移動(dòng)滑臺(tái)聯(lián)動(dòng)，在編程軟件之中輸入凸輪的升程表、尺寸等可自動(dòng)計(jì)算顯示凸輪轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)，并生成數(shù)控程序?qū)ν馆嗇喞M(jìn)行磨削;②當(dāng)砂輪直徑變化時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)自動(dòng)修正磨削加工程序，補(bǔ)償砂輪的磨損量;③砂輪主軸采用內(nèi)置式主軸電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，具有很高的響應(yīng)速度，砂輪可達(dá)到100 mm/s以上的線(xiàn)速度，并保持速度恒定，即當(dāng)砂輪直徑變小時(shí)，砂輪轉(zhuǎn)速提高，保持線(xiàn)速度不變;④凸輪在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中轉(zhuǎn)速不斷變化，使凸輪輪廓上各部分磨削速度相同;⑤數(shù)控裝置控制金剛石滾輪進(jìn)行砂輪修整，提高了CBN砂輪的修整精度;⑥采用自動(dòng)平衡裝置，保證砂輪在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)振動(dòng)量很小。

采用數(shù)控凸輪軸磨床不僅能基本消除凸輪輪廓磨削后的各種缺陷(如表面燒傷、振紋)，凸輪輪廓型線(xiàn)最大誤差控制在0．01 mm之內(nèi)，極大地保證凸輪修理質(zhì)量，而且人為因素影響小，有利于質(zhì)量的穩(wěn)定性，同時(shí)也不需要額外的工裝，可直接進(jìn)行裝夾而不降低裝夾精度。

2．4 型線(xiàn)精度檢測(cè)

凸輪輪廓型線(xiàn)不僅影響發(fā)動(dòng)機(jī)配氣性能和動(dòng)力學(xué)性能，而且還影響凸輪與挺桿體之間的接觸應(yīng)力和潤(rùn)滑特性。因此，凸輪輪廓型線(xiàn)精度是表征凸輪輪廓修理質(zhì)量的最重要指標(biāo)，修理后必須對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)。凸輪輪廓形狀復(fù)雜，需采用專(zhuān)用裝置進(jìn)行檢測(cè)。

3 輪廓型線(xiàn)反求

凸輪輪廓磨削重構(gòu)的技術(shù)核心是型線(xiàn)參數(shù)即挺桿體的升程函數(shù)，只要有了型線(xiàn)參數(shù)，便以此在數(shù)控凸輪磨床中進(jìn)行編程并開(kāi)展磨削修理。通常情況下，航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)廠(chǎng)家不會(huì)提供凸輪輪廓型線(xiàn)參數(shù)，只能依據(jù)實(shí)物進(jìn)行反求獲得。

3．1 型線(xiàn)反求測(cè)量

以凸輪軸新件作為反求樣本，采用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x對(duì)凸輪輪廓型線(xiàn)進(jìn)行測(cè)量，以獲取一組凸輪軸轉(zhuǎn)角與挺桿體升程的離散數(shù)據(jù)，這樣便可以獲得型線(xiàn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。凸輪輪廓型線(xiàn)測(cè)量時(shí)，將探針在標(biāo)準(zhǔn)球上校準(zhǔn)，以消除由于環(huán)境條件變化所產(chǎn)生的探針半徑誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。找正凸輪軸坐標(biāo)系，并把凸輪軸固定在工作臺(tái)上，測(cè)量時(shí)只要凸輪軸保持穩(wěn)定即可。凸輪軸穩(wěn)定后，即可對(duì)其進(jìn)行測(cè)量得到凸輪輪廓型線(xiàn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。測(cè)量步長(zhǎng)取0．5～1°即可，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的精度選擇0．005 mm即可。

3．2 型線(xiàn)重構(gòu)

反求測(cè)量獲得的型線(xiàn)參數(shù)中包含制造誤差、測(cè)量誤差等，其值與原始設(shè)計(jì)參數(shù)存在一定誤差。由于凸輪輪廓型線(xiàn)對(duì)配氣機(jī)構(gòu)的性能影響較大，如直接利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)開(kāi)展修理，修理后的凸輪軸性能將可能影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能和使用安全。因此，需依據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，利用相關(guān)理論，對(duì)凸輪輪廓型線(xiàn)進(jìn)行重構(gòu)，以盡量獲取真實(shí)的原始設(shè)計(jì)型線(xiàn)。型線(xiàn)重構(gòu)的技術(shù)思路為:樣條函數(shù)預(yù)光順→N次諧波凸輪逼近，其具體理論如下。

(1)樣條函數(shù)預(yù)光順。依據(jù)反求測(cè)量所得的凸輪輪廓型線(xiàn)參數(shù):凸輪軸轉(zhuǎn)角α的一系列節(jié)點(diǎn)α0，α1，…αn，挺桿體對(duì)應(yīng)的升程值 h0，h1，…h(huán)n，構(gòu)造三次樣條插值函數(shù)，其形式為:

對(duì)式(3)進(jìn)行推導(dǎo)，可得到 k0，k1，…，kn所應(yīng)滿(mǎn)足的線(xiàn)性代數(shù)方程組如下:

其中:

式(4)是對(duì)角方程組，可以用追趕法求解k0，k1，…，kn。將求出的 k0，k1，…，kn代回到式(3)中，得到

－了h (α)的分段表達(dá)式。

采用“回彈法”進(jìn)行預(yù)光順，其步驟如下:

① 引 進(jìn) 各 小 區(qū) 間 ［αi，αi+1］ 的 中 點(diǎn)，再加上原來(lái)的兩個(gè)端點(diǎn)α0和αn，共得到n+2個(gè)節(jié)點(diǎn)，將它們由小到大排列，并記為 β0，β1，…，βn(即－，將 h (α)在這些點(diǎn)的值依次記為② 根據(jù)節(jié)點(diǎn)和升程用式(3)做三次樣條函數(shù)插值，得到新的插值函數(shù)

④這樣的修正可以反復(fù)進(jìn)行，直到相鄰兩次修正值hi與 h～

i之間的差滿(mǎn)足條件為止。其中ε為事先指定的很小的正數(shù)。最后一次的修正值即為光順后的凸輪輪廓型線(xiàn)參數(shù)值。

(2)N次諧波凸輪逼近。由于凸輪輪廓型線(xiàn)函數(shù)h(α)是以2π為周期的函數(shù)，故h(α)只要有適當(dāng)?shù)墓饣裕涂梢栽冢?，2π］上展開(kāi)為傅立葉級(jí)數(shù):

其中:

將式(5)展開(kāi)到有限項(xiàng)為止，即截取:

N為事先取定的正整數(shù)。

采用定步長(zhǎng)辛普森求積分去求得式(6)中的A0，Ai，Bi。其具體方法如下:

將節(jié)點(diǎn)α0，α1，…αn取為等間隔，且使n為偶數(shù)2 k，定步長(zhǎng)辛普森求積公式為:

其中:

式(7)中f(x)分別為 h(α)，h(α)cos iα，h(α)sin iα。這些函數(shù)在各節(jié)點(diǎn)上的值均已知，故可以按式(7)計(jì)算出所要的積分，從而確定 A0，Ai，Bi，這樣就構(gòu)造出式(6)所定義的ˉh(α)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文分析了航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸的凸輪輪廓磨削對(duì)型線(xiàn)、接觸應(yīng)力、潤(rùn)滑特性以及耐磨性的影響，結(jié)果表明凸輪軸修理是可行的，修理后的凸輪軸不會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的綜合性能。分析了凸輪軸修理的主要技術(shù)指標(biāo)、主要工藝步驟、輪廓表面磨削以及型線(xiàn)精度檢測(cè)等關(guān)鍵技術(shù)，提出了輪廓型線(xiàn)反求的測(cè)量方法和型線(xiàn)重構(gòu)的理論模型。本文可為航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸的修理提供理論指導(dǎo)，對(duì)提高國(guó)內(nèi)航空維修單位的維修能力具有積極意義。

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