AE300发动机齿轮箱故障和维修技术浅析

引言

国内通用航空领域,用于飞行训练的初中教机钻石DA40NG和DA42NG飞机机队规模在不断扩大,飞行小时数不断攀升,因而作为飞机心脏的AE300型发动机的可靠性和安全性显得尤为重要。其中连接发动机和螺旋奖的齿轮箱在降低发动机转速和传递扭矩的过程中有着重要作用。国内目前还没有能力对故障齿轮箱进行修理,只能通过送修或置换的方式保障发动机的正常运行。本文通过对齿轮箱故障的判断与分析,简要介绍了齿轮箱的修理技术,以供参考。

1齿轮箱的作用和结构

AE300发动机作为一款四缸直列式的水冷涡轮增压航空活塞发动机,与我院现使用的莱康明和大陆发动机最大的区别就是配有减速齿轮箱。这款齿轮箱按螺旋奖轴与发动机曲轴轴线的相对位置来分属于偏位式齿轮箱,按轮系来分属于定轴式齿轮箱。螺旋奖转速过高会导致效率大大降低,而齿轮箱能够将发动机曲轴的转速降低后传递到螺旋奖上,经过减速后发动机和螺旋奖能够很好地匹配,从而具备良好的燃油经济性。

AE300发动机齿轮箱拥有三级传动机构,分别是输入轴齿轮、中间轴齿轮和输出轴齿轮,这些齿轮都是斜齿轮。发动机的曲轴与输入轴通过花键连接,输入轴齿轮与中间轴齿轮相连,中间轴齿轮再与螺旋奖轴齿轮相连。这种三级传动机构不仅能起到减速的作用,还能在地面螺旋奖撞击时通过齿轮箱中的中间轴齿轮的缓冲大大减少作用于发动机曲轴上的冲击载荷,达到保护发动机的目的。齿轮箱中还有完整的润滑系统,通过机械齿轮泵将润滑油输送到各个零部件,减少零部件的磨损与过热。

如图1所示,AE300发动机齿轮箱主要可以分成两个部分:齿轮箱壳体和齿轮箱盖板。齿轮箱壳体与发动机通过离合片相连。齿轮箱壳体内装配有与离合片相连的输入轴齿轮、中间过渡的中间轴齿轮、螺旋奖轴轴承、调速器齿轮轴轴承以及完整的润滑系统。润滑系统的核心是滑油泵、驱动齿轮、油滤和油路。润滑油被滑油泵由吸油管从齿轮箱底部吸上来,通过齿轮泵后增压输入到壳体中的滑油路供给各个运动部件,比如各个轴承。齿轮齿面的润滑是通过输入轴齿轮旋转时将浸没齿轮的润滑油甩起来泼溅到与之连接的齿轮上,再通过齿轮间的接触、转动润滑到各个齿面。齿轮箱壳体上还有安全活门、放油磁性堵头、通气管、温度传感器等零部件,还可以外接散热器、调速器。齿轮箱盖内装配有螺旋奖轴和齿轮、调速器驱动轴轴承和齿轮。把齿轮箱壳体和齿轮箱盖合在一起后,螺旋奖轴齿轮可以带动滑油泵齿轮运转工作。

图1 齿轮箱结构简图

2齿轮箱的故障分析

2.1齿轮箱渗漏滑油

齿轮箱安装到发动机上时,润滑油通过加油口盖加入到齿轮箱内腔,由于重力汇聚到齿轮箱底部,形成重力油池。如果发现齿轮箱某个位置有滑油渗漏的痕迹,首先需要判断滑油渗漏的确切位置,由于螺旋奖在旋转过程中会在其后方也就是齿轮箱和发动机的方向产生巨大的风力,能将渗漏的液体向后吹,所以在查找润滑油渗漏点时一定要从后往前不放过任何一个可能性。找到滑油渗漏的确切位置后,要从结构上分析该处渗漏点可能有润滑油途径的位置,然后一一排除。从齿轮箱的整体结构来分析,螺旋奖轴损伤或密封圈磨损、齿轮箱壳体或盖板密封面损伤、O型密封圈损伤、堵头密封不严等都有相当大的可能性造成润滑油渗漏。

2.2磁性放油堵头上有金属堆积

齿轮箱中的传动齿轮是通过硬连接的方式传递扭矩的,即使在正常润滑情况下也会产生磨损,但是正常磨损不会造成金属屑堆积或出现较大的金属块。齿轮箱中承受载荷的主要部件是输入轴齿轮、中间轴齿轮以及螺旋奖轴齿轮,这些部件理论设计载荷是超过正常工作的最大载荷的,正常情况下是不会出现异常损伤产生较大金属颗粒或金属块的。但如果齿轮箱工作不正常,比如齿轮箱温度过高,润滑效果不好,就会使齿轮齿面强度降低,渐开线接触位置产生热应力,最终使齿轮出现齿面点蚀、剥落、齿顶断裂等损伤,还会使高速旋转的轴承出现过度磨损,从而缩短轴承中旋转部件的使用寿命。过度磨损把会产生金属屑,从零部件上脱落的金属块和金属屑最后掉落到齿轮箱底部吸附在磁性堵头上产生金属堆积。

2.3齿轮箱温度高

滑油量偏低,对零部件的润滑和冷却不够:金属部件的异常磨损:零部件之间的工作间隙偏小,散热效果不良:轴承安装不到位产生异常磨损等都可能造成齿轮箱温度过高。齿轮箱温度过高能反映出旋转的齿轮温度过高,长时间在高温的状态下工作,必然会造成齿轮与轴承的异常磨损,导致齿轮箱的寿命缩短,引发飞行不安全事件。

3齿轮箱修理的一般程序

由于绝大多数故障在不分开齿轮箱的情况下并不能被排除,因此如何对齿轮箱进行修理以排除故障就显得尤为重要。

3.1分解齿轮箱

对需要修理的齿轮箱进行分解,将整个齿轮分解成一件件单个的零件。首先,拆卸通气活门、加油口盖、油滤盖上的保险,拆卸温度传感器（有的传感器在油滤盖上,有的在油滤盖侧面）,拆卸调速器输入轴的卡环和衬套。

分解拆卸齿轮箱盖,先拆掉齿轮箱的盖板螺钉,将壳体与盖板分开,露出齿轮箱中的齿轮等零部件。分解齿轮箱盖板,先拆掉卡环和保持锁环,然后再拆下螺旋奖轴轴承内圈,取下螺旋奖轴上的垫片,同时拆下螺旋奖轴齿轮和调速器齿轮、调速器齿轮轴承内圈。之后拆卸螺旋奖轴大螺帽、调速器齿轮前轴承卡环、螺旋奖轴轴承盖螺钉和调速器齿轮前轴承。最后取下螺旋奖轴和螺旋奖轴密封圈。

分解拆卸齿轮箱壳体,先拆掉输入轴和中间轴的轴承座盖板,露出齿轮和轴承。再取出各个轴齿轮,拆卸滑油泵和齿轮。拆卸壳体内的其他零部件,比如滑油管路等。

由于齿轮箱外壳采用的是铝合金材料,轴承外圈采用的是合金钢材料,两种材料的膨胀率不同,可以采用加热齿轮箱壳体和齿轮箱盖的方式无损地拆下安装在齿轮箱壳体或盖板中的轴承外圈。最终将齿轮箱内部所有的零部件一一拆下进行检查。

3.2清洗齿轮箱零部件

齿轮箱分解完成后,首先报废所有必须更换的零部件,比如密封圈、卡环。然后对剩余可用零部件进行清洗。可以先对齿轮箱壳体进行粗清洗,使用除碳剂清洗掉壳体上的积碳等较多的沉积物,然后采用超声波清洗的方法对各个零部件进行再次清洗,由于超声波清洗方法能够通过把声能转换成机械振动的方式将零部件各个角落都清洗干净,而且不会损伤零件表面,因此采用超声波清洗效果最佳。

3.3检查齿轮箱零部件

清洗完成后对各个零部件进行目视检查。目视检查齿轮箱壳体和盖板的配合表面是否存在凹坑、划痕、裂纹等缺陷,检查齿轮和轴是否存在点蚀、划痕、微振腐蚀、凹坑等缺陷,检查轴承是否有异常磨损、划伤、腐蚀、高温烧蚀等缺陷,检查滑油管路是否有扭曲变形、与相邻零部件有干涉磨损的痕迹。如果发现零部件有不能接受的缺陷就要报废。目视检查只能初步检查到肉眼可分辨的、比较明显的缺陷,一些细小的缺陷必须通过无损检测才能被发现,比如细小的裂纹等。齿轮和轴通常采用磁粉检测方法,而齿轮箱壳体和盖板采用荧光渗透检测方法。检测发现零部件有裂纹等不能接受的缺陷就必须报废,装配时更换新的零部件。

通过分解后对零部件的检查,能够收集到大量的故障数据,分析故障原因和故障率,最终能反映出设计、使用、维护等各个方面存在的不足之处,进而采取措施进行纠正改进,使得齿轮箱运行使用更加可靠,更好地保障飞行安全。

3.4齿轮箱的恢复装配

轴承是齿轮箱工作中的主要承力部件。修理过程中所有有异常磨损、划伤、腐蚀、高温烧蚀等缺陷的轴承都必须更换成新的。密封圈和卡环也是一次性的,一旦拆卸就必须更换。

检查后符合要求的零部件可以继续使用。

所有零部件准备好之后就能开始进行装配,装配时首先通过加热的方式将轴承的内外圈分别安装在轴和轴承座内。然后安装输出轴齿轮、输入轴齿轮和中间轴齿轮,输入轴齿轮和中间轴齿轮在安装时需要调整齿轮端面与轴承座盖板的间隙符合要求,避免两者之间的间隙过小造成异常磨损,导致齿轮箱工作不正常。最后将齿轮箱壳体和盖板内部附件安装上后,将两者合拢到一起,齿轮箱就能恢复到分解前的状态。

装配齿轮箱的过程中要确保所有有力矩值要求的螺钉、螺帽都必须按照要求选择力矩,在正确的位置使用轴承紧固胶、螺纹紧固胶或密封胶（比如乐泰2701或乐泰620）。

齿轮箱装配完成后还需要进行功能测试,将齿轮箱连接到测试发动机上,在测试发动机正常试车运转时间内,监控齿轮箱的运转、温度、润滑油消耗量等参数,要求所有数据均符合要求,才能认定修理好的齿轮箱合格。

4结语

本文仅以修理为例,简要分析了AE300发动机齿轮箱的维修技术。AE300发动机齿轮箱无论是在故障无法排除进行修理时,还是到达翻修间隔时间TBO进行翻修时,整个维修程序都包括一般流程一分解、清洗、检查、装配、检测。要想完全掌握AE300维修技术,关键是掌握各个步骤的难点和要求,比如零部件分解的顺序和方法,零部件的检查与判断,装配过程中轴承内圈使用紧固胶和紧固件力矩顺序等。需要不断积累工作经验,将理论和实践有机结合起来,才能快速理解AE300发动机齿轮箱的结构、工作原理、工作特性,从而掌握其维修技术。