蝸輪磨損引起飛機座艙溫度異常問題的解決

田 軍 王 宏 張選洲 劉 杰

（空軍駐甘肅地區軍代表室，甘肅 蘭州 730070）

1 問題的提出

DG–124環控電動機構（以下簡稱DG–124）根據環控系統的控制信號自動控制QDK–27球形活門開啟或關閉，以此來控制發動機壓縮器熱氣流量，從而控制飛機設備艙和座艙溫度，保證飛行過程中座艙適宜溫度和設備正常工作。DG–124由1.5W直流串激電動機、三級直齒圓柱齒輪和蝸輪蝸桿副組成的減速器、連桿機構、角度調節裝置、微動開關等組成。自批量交付部隊領先使用以來，在外場（廠）使用中陸續發生產品不工作故障，產品出現故障時間在300飛行小時左右。產品若不工作，環控系統工作將出現異常，無法控制進入座艙和設備艙的熱氣，導致艙內溫度過低或過高，嚴重影響飛行員空中飛行操縱和機載設備的正常工作。該故障不但危及飛行安全，而且機上安裝、拆卸難度大，增加了部隊維護工作量，部隊反映強烈。

2 故障模式及機理分析

2.1 故障模式

檢查故障件發現產品不工作，經檢查原因有兩方面：一是蝸輪磨損，電機空轉，產品輸出軸不轉動，蝸輪的齒磨損變平，齒廓消失，表面已涂抹的潤滑脂干涸，無潤滑油膜，見圖1，而產品其他零組件正常。二是電機不工作，除蝸輪磨損，還發現電機轉子繞組斷路，當電刷停在有斷線的換向片上時導致電機不工作。

圖1 外場使用已磨損的蝸輪

從故障產品統計看，DG–124蝸輪齒磨損是一個漸進過程，當磨損到一定程度后蝸桿與蝸輪間嚙合不良，出現工作不穩定現象，繼續使用，蝸輪齒的磨損進一步加劇，直至齒磨平。蝸輪上無齒則失去了傳遞機械運動的功能，蝸輪停止旋轉，使電機一直處于通電空轉，而產品卻不工作。這遠遠達不到飛機首翻期，嚴重影響部隊正常使用。

2.2 機理分析

2.2.1 蝸輪齒磨損機理分析

蝸桿傳動是機械減速裝置的重要方式，它以傳動比大，結構緊湊，沖擊載荷小，傳動平穩，噪聲低，能自鎖而受到廣泛使用。基于蝸桿傳動的優點，在DG–124設計中便采用蝸桿傳動的方式。它的缺點是傳動效率低，齒面滑動速度較大，容易發熱、磨損，使潤滑情況惡化。

為防止蝸輪、蝸桿磨損失效，必須要有一個良好的潤滑環境，一般采用油池浸油潤滑或壓力噴油潤滑等，使蝸輪、蝸桿傳動接觸面始終保留有一層潤滑油膜，傳動時才能減少磨損。然而DG–124的結構特點和飛機上的使用條件，決定了其蝸桿傳動只能采用潤滑脂潤滑的方式，其他潤滑方式均難以實現。這種潤滑方式的不穩定因素埋下了DG–124外場使用蝸輪磨損的隱患。經分析調研DG–124蝸輪磨損主要原因有以下幾方面。

2.2.1.1 蝸輪、蝸桿潤滑脂潤滑特性差

DG–124控制的熱氣來自發動機壓縮器，最高溫度可達500℃以上，技術協議要求產品工作環境溫度為–60℃～＋125℃，規定溫度沖擊試驗高溫段為150℃下保溫2 h，溫度－高度試驗在溫度為185℃，時間10 min內能夠正常工作。7112航空潤滑脂是一種寬溫度潤滑脂，使用溫度為–70℃～180℃，短期可達200℃。在–60 ℃下具有較好的啟動性能，具有高溫下長期工作的能力，因此，DG–124選用7112作為其蝸桿傳動的潤滑材料。7112雖然耐高溫性能好，但潤滑特性差，在零件表面形成油膜能力和安定能力差。對外場使用300飛行小時左右出現故障的產品分解后，發現蝸輪、蝸桿傳動表面無潤滑脂，嚙合面上無油膜，處于干摩擦狀態，這說明DG–124選用的7112的潤滑性不能滿足產品實際使用要求。

另外，涂抹7112潤滑脂工藝中，沒有明確規定潤滑脂的用量、涂抹位置和涂抹方法，涂抹潤滑脂的隨意性大，這樣在長期工作情況下難以保證蝸輪、蝸桿得到足夠的潤滑脂而受到持續潤滑。

2.2.1.2 蝸輪蝸桿結構設計存在缺陷

檢測、計量零件發現，蝸輪、蝸桿沒有進行銳邊倒鈍處理，其齒頂鋒利，尖邊現象明顯，這給蝸輪、蝸桿間嚙合傳動帶來很大隱患。在旋轉嚙合運動過程中，較硬的蝸桿的齒尖邊會反復“刮削”較軟的蝸輪齒面，刮削產生鐵屑、銅屑等多余物，掉進潤滑脂中，在嚙合面間，這些多余物將加劇劃傷兩者間較軟的蝸輪，長期使用易引起蝸輪、蝸桿膠合，加劇蝸輪的磨損速度。

2.2.1.3 蝸桿加工工藝存在缺陷

蝸輪材料選用銅棒鋁青銅QAL9–2，硬度低、耐磨性差，蝸桿材料選用40CrNiMoA鋼棒，硬度為HRC37～HRC42，因此蝸桿材料的硬度高，而蝸輪的材料硬度低。在蝸桿加工中僅用車床加工螺紋，齒面粗糙度精度低，經計量為3.2。用放大鏡檢查蝸桿，發現其表面粗糙度低，個別處還有明顯刀痕。在蝸桿和蝸輪的嚙合過程中，表面粗糙度低加大了兩者間摩擦系數，加劇了蝸輪磨損。

綜上所述，由于7112潤滑脂選用不當，涂抹工藝方法不明確，蝸輪、蝸桿嚙合面的齒等尖邊處未倒鈍處理，蝸桿齒表面粗糙度精度低，蝸輪材料選用不當等因素綜合影響，導致DG–124蝸輪齒磨損嚴重。

2.2.2 電機轉子斷路機理分析

對斷路的電機轉子進一步分解檢查，發現導線斷裂主要集中在換向器接線槽處，斷線發生在轉子的1～3個換向片上，數量有2～8根導線，其中每個元件共有41匝導線。導線的牌號為QY–2/200，裸線直徑為Ф0.17 mm。電機的功率為1.5W，轉子直徑為Ф20 mm，屬于微型電機。這種電機繞組導線線徑太細（Ф0.17 mm），且耐溫度高（200℃），在加工過程中極易斷線，這是其最薄弱環節，一直制約著電機可靠性水平的提高。將導線從接線槽處脫離后，用放大鏡觀察斷口，對導線的受力進行分析，發現引起導線斷裂的主要原因如下。

● 嵌線完畢，向換向片的接線槽上接線時長度選取不合理，焊完后扎線時由于拉力過大將導線拉斷，這是斷線最重要的原因。

● 焊接溫度、時間控制不當，過熱損傷導線。

● 去除導線表面絕緣漆皮時，砂紙顆粒度大，打磨用力不均易劃傷導線，產生斷線隱患。

3 攻關方案

在廣泛調研、理論分析、試驗驗證的基礎上，弄清了DG–124蝸輪齒磨損嚴重和電機轉子斷線而引起產品不工作的原因，故障機理分析清楚、透徹，在此基礎上制定了切實可行的改進方案。

3.1 解決蝸輪磨損的改進措施

3.1.1 重新研制潤滑脂，保證蝸輪、蝸桿傳動具有良好的潤滑性

為解決DG–124蝸輪嚴重磨損問題，研制潤滑性能好、耐高溫的潤滑脂，改善其潤滑條件是最有效的途徑。

由于潤滑脂耐高溫與潤滑性是相互矛盾的，傳統的潤滑脂均難以滿足DG–124高溫工作環境要求，必須重新研制開發新潤滑脂，因此，在傳統潤滑脂基礎上，經過多次改進潤滑脂成分和配方，研制了特221–1潤滑脂。使用特221–1潤滑脂的DG–124經低溫工作（–60℃、貯存2 h），高溫工作（150℃、貯存2 h）和溫度–高度（高溫185℃、高度15 250 m、貯存10 min）等驗證試驗。試驗后分解產品檢查蝸輪、蝸桿傳動部分潤滑良好，無油脂溶化和流失，蝸桿傳動表面有一層潤滑油膜，可以滿足DG–124最高185℃實際環境使用要求，確定將產品的潤滑脂由7112改為特221–1。

另一方面，由于DG–124在飛機上長期工作，潤滑脂涂抹量少或涂抹方法不合理，都會影響產品長期工作潤滑性能。為使DG–124蝸輪、蝸桿在長期工作時保持良好的潤滑，經反復摸索和試驗，研究確定了涂抹6g～7g潤滑脂，并從蝸輪、蝸桿下方的殼體處開始涂抹，直至將蝸輪、蝸桿包裹的工藝方法，可以保證潤滑脂不斷補充到蝸輪、蝸桿間的嚙合面上，使嚙合面一直有潤滑脂，保證了產品長期良好工作。

3.1.2 改進蝸桿、蝸輪的設計尺寸

改進蝸桿和蝸輪輪齒、端部等尖邊設計，對蝸桿和蝸輪的齒頂尖邊等銳邊處倒鈍R≤0.5處理。這樣在蝸桿、蝸輪嚙合過程中，齒面以圓弧過渡接觸，杜絕了蝸桿對蝸輪的“刮削”作用。

3.1.3 提高蝸桿表面粗糙度精度

改進蝸桿、蝸輪機械加工工藝方法。車床加工完蝸桿齒形后，增加磨削和拋光工序。先用齒面砂輪磨削齒面，再采用麂皮反復拋光3至5次，去除蝸桿齒面刀痕，最后再用研磨膏和綢布打磨正反面各一次，使其表面粗糙度達到0.4以上。滾齒機上加工蝸輪時，細化步進量控制，起步階段步進量控制在0.5 mm/圈，進入齒輪的中間部位時，步進量控制在0.2 mm/圈～0.3 mm/圈范圍內，同時允許零行程滾齒來去除刀痕，以提高蝸輪齒表面粗糙度。這樣大大降低了蝸桿和蝸輪齒面的摩擦系數。

3.1.4 選擇適宜的蝸輪材料

常用的蝸輪材料為鑄造錫青銅、鑄造鋁鐵青銅以及灰鑄鐵等。相對比較錫青銅硬度高，耐磨性好，為縮小兩個零件間的硬度差，將蝸輪的材料由鋁青銅QAl9–2改為錫青銅QSn4–3，而蝸桿材料不變，使蝸輪、蝸桿耐磨性更匹配。

3.2 解決電機轉子斷路的改進措施

在摸清轉子繞組元件斷線故障機理的基礎上，制定了改進措施，主要有：

換向器組件與電樞沖片間填放絕緣材料ET100無堿玻璃纖維帶時，在末端繞包后填充絕緣材料部位應平整，最后一圈高度不得低于接線槽底；接線時元件端頭的導線應呈弧狀，至少留有5mm的余量，這樣即使在扎線后不會讓繞組導線在焊接處受拉應力。

根據綜合對比分析和工程實踐方法，確定產品電機轉子焊接方法采用浸沉焊，且一次焊接，不允許反復焊接，錫液溫度為320℃～350℃，保持時間在20 s～25 s。經驗證采用這種焊接規范焊接的轉子發生斷路問題故障率極低，可防止因焊接過熱而引起導線受損。

細化去導線絕緣漆皮工藝方法，將600目的砂紙改用800目的拋光砂紙，去除方法由正反一次改為邊旋轉邊打磨，共循環3次，保證每次去除量小且保證最終去除徹底，防止導線被砂礫劃傷。

增加過程控制能力，在鉛焊換向器、光錫瘤、換扎線、校正動平衡等容易損傷導線的加工工序后，增加用示波器檢測轉子有無斷路的工序，防止后續加工轉子產生的缺陷沒有及時發現而應用到產品上。

4 試驗、試飛驗證

DG–124經過設計、工藝和材料改進后，抽取兩臺產品進行了地面環境鑒定試驗和壽命試驗考核，其中壽命試驗按產品首翻期的1.5倍進行。試驗后產品工作正常，分解檢查產品，蝸桿、蝸輪潤滑情況良好，嚙合面有一層油膜，清洗潤滑脂后發現蝸輪輪齒表面有輕微磨損，同時檢測轉子導線無斷路現象。改進后的DG–124經部隊試用，產品性能穩定，工作可靠，未出現不工作故障，能保證部隊作訓任務的順利完成。由此可見，改進措施有效，改進方案合理可行。

5 總結語

經過大量的調研、分析和試驗，通過設計、工藝改進，采用新材料等方法，研制出了耐高溫且潤滑特性較好的特221–1潤滑脂，改進潤滑脂的涂抹工藝，解決了DG–124在高溫和長期工作條件下傳動部件潤滑性差，導致蝸輪、蝸桿磨損嚴重的難題。優化設計方案，改進蝸桿、蝸輪結構設計，采用硬度高、耐磨性好的蝸輪材料，應用研磨、拋光等工藝方法，提高了蝸桿表面粗糙度精度，降低了蝸輪、蝸桿間磨損。優化微型電機轉子加工工藝方法，細化轉子焊接規范、導線長度確定、絕緣層厚度設置、導線絕緣漆皮去除方法等先進工藝，能夠有效防止轉子繞組導線斷路，解決了微型電機轉子易斷路難題。這些措施和方法在航空機載設備中具有先進性。

經攻關解決了DG–124外場使用中暴露的不工作問題，保證了某殲擊機座艙和設備艙溫度正常調節，防止溫度失控，提高了產品的可靠性，達到首翻期要求，消除危及飛行的安全隱患，有效提高戰備完好率，減少外場維修工作量，具有顯著的軍事、經濟效益。■