通用航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣常見(jiàn)故障探討

馮文瑞

（中國(guó)民用航空飛行學(xué)院，四川 廣漢618307）

美國(guó)萊康明發(fā)動(dòng)機(jī)公司是全球最大的通用航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)制造商，其生產(chǎn)的航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全可靠。而我國(guó)的通用航空正在以前所未有的速度迅猛發(fā)展，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)現(xiàn)用的萊康明各型航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)多達(dá)800多臺(tái)。萊康明航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)在使用2000小時(shí)后廠家適航性文件要求必須對(duì)其進(jìn)行翻修以恢復(fù)期適航性，而在發(fā)動(dòng)機(jī)翻修中，機(jī)匣的狀況好壞又直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的翻修時(shí)間周期和經(jīng)濟(jì)成本。故本文以萊康明某型發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣為例，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)翻修中發(fā)現(xiàn)的機(jī)匣常見(jiàn)故障、形成原因及對(duì)應(yīng)的修復(fù)措施進(jìn)行探討，希望對(duì)航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的維修同行們帶來(lái)有益的借鑒和幫助。

1 基本介紹

萊康明航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)絕大部分是水平對(duì)置氣冷式，其機(jī)匣是整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的基本骨架，通常由兩半鋁合金箱體結(jié)構(gòu)經(jīng)貫穿螺栓緊配合聯(lián)結(jié)組合而成[1]，典型的某型萊康明發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣如圖1所示。機(jī)匣不僅為曲軸、凸輪軸和汽缸等主要部件提供安裝基座，而且還是各種大小和方向都成周期性變化的力及力矩的承載者，同時(shí)，機(jī)匣還承受著周期性變化的熱負(fù)荷并將螺旋槳的拉力傳遞給機(jī)身。故機(jī)匣不僅要有精準(zhǔn)的幾何尺寸，還得有足夠的強(qiáng)度和剛度才能經(jīng)受上述各種載荷的苛刻考驗(yàn)。

圖1 萊康明發(fā)動(dòng)機(jī)典型的兩半式機(jī)匣

2 常見(jiàn)故障及原因

2.1 磨蝕

這里說(shuō)的磨蝕主要指機(jī)匣上曲軸軸承安中孔支撐平臺(tái)貼合面的微振磨蝕，經(jīng)驗(yàn)表明萊康明發(fā)動(dòng)機(jī)通常在使用4000小時(shí)后通常會(huì)出現(xiàn)這種磨蝕。磨蝕是萊康明發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣出現(xiàn)最多的故障，其在所有機(jī)匣故障中占比高達(dá)百分之八十左右。典型的機(jī)匣貼合面磨蝕如圖2所示。磨蝕形成的原因是：萊康明發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣是曲軸和汽缸的安裝基座，工作時(shí)汽缸中的燃?xì)鈮毫突钊B桿組件的往復(fù)慣性力的反作用力導(dǎo)致兩半機(jī)匣受到分開(kāi)和結(jié)合的高頻載荷，此高頻載荷引起機(jī)匣貫穿螺栓產(chǎn)生輕微的彈性變形，高頻載荷和貫穿螺栓所產(chǎn)生聯(lián)結(jié)力的交替作用導(dǎo)致兩半機(jī)匣發(fā)生相互的輕微振動(dòng)[2]，這種相互間的輕微振動(dòng)導(dǎo)致機(jī)匣結(jié)合面產(chǎn)生高頻的脈動(dòng)接觸應(yīng)力，脈動(dòng)接觸應(yīng)力引起機(jī)匣貼合面發(fā)生接觸疲勞和磨損而產(chǎn)生磨蝕坑點(diǎn)。

圖2 典型的貼合面磨蝕

2.2 裂紋

萊康明發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣裂紋通常發(fā)生在發(fā)電機(jī)支架安裝基座位置附近，典型的裂紋故障如圖3所示。此處易出現(xiàn)裂紋的原因：發(fā)電機(jī)前端的皮帶輪是通過(guò)皮帶與發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)[3]。帶傳動(dòng)中，皮帶應(yīng)有一定的張緊力，此張緊力以彎矩形式作用在機(jī)匣的發(fā)電機(jī)支架安裝座上。因此，機(jī)匣此位置承受著平衡張緊力所產(chǎn)生的彎矩的應(yīng)力。發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)的振動(dòng)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)產(chǎn)生慣力載荷，為平衡此慣性載荷，機(jī)匣上的發(fā)電機(jī)支架安裝座承受交變應(yīng)力，且此應(yīng)力值隨著發(fā)動(dòng)機(jī)振幅的增大而成倍增加。另外，發(fā)電機(jī)支架的不正常安裝也會(huì)導(dǎo)致在機(jī)匣上的發(fā)電機(jī)支架安裝座承受附加應(yīng)力。在機(jī)匣上的發(fā)電機(jī)支架安裝座承受的應(yīng)力中，由于發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)所引起的交變應(yīng)力占主要部分。機(jī)匣上的發(fā)電機(jī)支架安裝座在上述三種主要應(yīng)力的綜合作用下，產(chǎn)生疲勞裂紋。

圖3 機(jī)匣典型位置裂紋

3 修復(fù)方法

3.1 磨蝕的修復(fù)

機(jī)匣貼合面微振磨蝕的修復(fù)，其主要目標(biāo)是去除微振磨損，恢復(fù)機(jī)匣貼合面的平面度和粗糙度。通常的修復(fù)方法分兩類(lèi)。如果機(jī)匣貼合面微振磨損量少，坑點(diǎn)較淺時(shí)，可采用手工打磨的方法去除微振磨損，以恢復(fù)貼合面的光滑與平整，此種修理相對(duì)較為簡(jiǎn)單；如果機(jī)匣貼合面微振磨損量多，坑點(diǎn)較深時(shí)，采用手工打磨的方法無(wú)法去除微振磨損，此時(shí)必須采用銑削的機(jī)械加工法去除貼合面部分金屬來(lái)消除磨蝕坑點(diǎn)，此種修理一定要控制金屬的去除量不能太多（通常銑削深度不能大于0.5 mm）。銑削時(shí)必須設(shè)計(jì)、制作一套專用夾具，該專用夾具應(yīng)以汽缸的安裝面為定位基準(zhǔn)，使機(jī)匣定位準(zhǔn)確、夾持可靠，且?jiàn)A緊加工過(guò)程中機(jī)匣不會(huì)變形和振動(dòng)，以此保證機(jī)匣貼合面銑削后的平面度、粗糙度。

3.2 裂紋的修復(fù)

機(jī)匣通常都是鋁合金鑄造件，鋁合金熱膨脹系數(shù)大、導(dǎo)熱快，故對(duì)像發(fā)電機(jī)支架安裝座附近出現(xiàn)的一定程度范圍內(nèi)（通常應(yīng)小于2英寸）的裂紋可選擇與木材相匹配的焊絲使用熱量集中的氬弧焊焊接來(lái)修復(fù)。焊接前可采用機(jī)械方法（如手持電動(dòng)工具）沿裂紋進(jìn)行銑削，形成一個(gè)“V”形槽，以全部清除裂紋，防止焊接修理過(guò)程中裂紋擴(kuò)展，同時(shí)也有利于構(gòu)造焊接坡口。焊接完成后，應(yīng)對(duì)焊接部位進(jìn)行打磨拋光處理以消除應(yīng)力集中，最后用熒光滲透的無(wú)損檢測(cè)法檢測(cè)焊機(jī)部位應(yīng)無(wú)氣孔、裂紋等缺陷。

4 結(jié)束語(yǔ)

機(jī)匣是航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)核心部件的基座，其在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)承受各種交變載荷和熱負(fù)荷，故其狀況的好壞直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性和安全性。對(duì)故障機(jī)匣進(jìn)行可靠的有針對(duì)性的修理不僅可以縮短發(fā)動(dòng)機(jī)翻修時(shí)間和節(jié)約資金，而且也是發(fā)動(dòng)機(jī)可靠運(yùn)轉(zhuǎn)的有力保證。只有在熟悉機(jī)匣的基本結(jié)構(gòu)、工作原理及故障的失效機(jī)理基礎(chǔ)上，才能對(duì)癥提出相應(yīng)可靠的修理方法。希望本文的探討能夠給從事航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)維修的同行們有所裨益。