某航空活塞發動機氣門拆裝工具的優化*

■ 張勇 王裕林 /中國民航飛行學院新津分院 中國民航飛行學院機務處

0 引言

航空活塞發動機因成本低、耗油低和可靠性高等優點，作為動力裝置廣泛應用于中小型通航飛機。發動機氣門是控制發動機進氣排氣，影響發動機可靠性和使用壽命，以及發動機使用性能、燃油經濟、排放及代用燃料選擇的主要零件之一[1]。發動機氣門的工作環境非常惡劣，尤其是排氣門，工作溫度高達650～900℃。氣門卡阻是航空活塞發動機的多發故障之一，造成發動機氣門開閉不暢、燃氣不完全燃燒、發動機轉速發生間歇性的變化，導致功率降低，影響飛行效率[2]。

為了減少發動機發生氣門卡阻等故障，某型航空發動機要求每400小時對發動機氣門機構的相關部件進行檢查，并清除氣門導套內的油泥及沉積物。隨著飛行任務的逐年增加，發動機400小時定檢任務也逐年增加，對氣門的拆裝更加頻繁。氣門拆裝檢查是發動機400小時定檢過程中最慢的環節，僅拆裝一個氣缸蓋的氣門，使用傳統工具所花時間就需20～30分鐘，每個發動機4個氣缸，一架飛機僅拆裝氣門就需耗時1～2小時[3]。為了提高工作效率，改善工具實用性，氣門拆裝工具的優化是十分有必要的研究課題[4]。

1 普通氣門拆裝工具存在的問題

現階段氣門拆裝工具為撬棍式拆裝工具（如圖1所示)，主要由操作手柄、加力桿、氣門彈簧壓縮頂塊、搖臂軸掛鉤組成。利用杠桿原理，用手壓住操作手柄，氣門彈簧壓縮頂塊將氣門彈簧頂住并壓縮，即可取出氣門卡瓣。安裝過程則反之。

圖1 撬棍式氣門拆裝工具

由于壓氣門時著力方向與氣門軸線存在一定夾角，易造成進氣門頸部被鋒利的卡瓣槽劃傷[5]。此外，撬棍式拆裝氣門工具利用的是杠桿原理，需操作者用手一直按壓撬棍，單手拆裝氣門卡瓣增加了氣門拆裝的難度，不便于單人完成氣門拆裝工作。為了改善這種狀況，需要對氣門拆裝工具進行優化，有針對性地解決這一問題。

2 氣門拆裝工具優化設計方案

2.1 優化設計目標

1)工具能安全、高效地進行氣門拆裝作業，拆裝一個氣門的時間控制在15～20分鐘。

2)整體結構簡單，實用性強，便于存放。

3)不損傷氣門桿頸部和發動機氣缸的其他部件。

4)操作方便，便于單人完成氣門拆裝工作。

2.2 提出設計方案

根據對材料、工具、合作對象的選擇和目標值，設計了兩種制作方案。

1)方案一

氣門拆裝工具1的結構如圖2所示。螺紋式雙彈簧頂壓工具由螺紋旋轉手柄、套筒、氣門彈簧壓縮頂塊和雙螺紋螺桿組成。雙螺紋螺桿依次穿過氣門彈簧壓縮頂塊、套筒和螺紋旋轉手柄，通過螺紋與氣缸頭固定連接。氣門彈簧壓縮頂塊壓緊氣缸進氣門和排氣門的彈簧，通過旋轉手柄將氣門彈簧壓縮，以便拆取和安裝氣門卡瓣。

圖2 氣門拆裝工具1

圖3 氣門拆裝工具2

2)方案二

氣門拆裝工具2的結構如圖3所示。螺紋式氣門彈簧拆裝工具由橫桿、螺紋旋轉手柄、氣門彈簧壓縮頂塊、承力掛鉤和頂桿組成。橫桿的一端設有螺紋孔，另一端設有頂桿連接孔，中間設有承力掛鉤的連接孔。與橫桿螺紋孔相連接的是螺紋旋轉手柄，螺紋桿與下端的氣門彈簧壓縮頂塊能自由轉動。橫桿的中部通過銷軸與承力掛鉤相連，另一端頂桿通過銷軸與橫桿相連接。

螺紋式氣門彈簧拆裝工具安裝在橫桿一端并能沿橫桿上下移動，該絲杠的下端裝有能轉動的氣門座卡套，該氣門座卡套處于轉動狀態時能屏蔽掉絲杠的旋轉狀態，并能將下壓力傳遞至進氣門座上，使進氣門座克服進氣門彈簧的伸展力，壓縮彈簧到足夠位置，從而輕松通過卡套中間的空隙取下或安裝進氣門卡瓣。

2.3 最優設計方案的選擇

1)方案一的分析

利用備用氣缸蓋進行試驗，發現存在以下問題：

a. 拆裝工具通過雙螺紋螺桿固定在氣缸頭上，拆裝費時。

b. 螺桿固定后需同時拆裝兩個氣門，不能單獨拆裝一個氣門彈簧。

目標值完成情況：

a. 制作成本為50.5元，小于300元，達到了預定目標值。

b. 重量0.5 kg，輕便易攜，使用簡單，達到了預定目標值。

c. 不符合安全、高效，未能達到預定目標值。

2)方案二的分析

試驗過程中未出現明顯的安全和技術問題。氣門快速拆裝工具目標值完成情況：

a. 制作成本為87.5元，小于300元，達到了預定目標值。

b. 17分鐘以內完成一個氣缸蓋的氣門拆裝工作，達到了預定目標值。

c. 通過旋轉手柄可以完成彈簧的壓縮，使用簡單，便于單人操作，達到了預定目標值。

d. 氣門彈簧壓縮頂塊垂直壓住彈簧，不會損傷氣門桿頸部。

根據以上試驗結果的對比可看出，方案二在保證本身性能合格的情況下，各項數據均能達到預定目標，因此方案二為最優設計方案。

3 效益分析

3.1 安全效益

該工具的承力掛鉤在使用過程中能勾住氣門搖臂軸桿，為橫桿提供向下拉力，并配合頂桿以保持橫梁不會因絲杠擰進時產生的反向力而產生向上位移，從而確保了本氣門拆裝器不會損傷氣門導套（如圖4所示)。頂桿能為橫桿提供向上的支撐力，并配合承力掛鉤以確保橫桿不發生位移，該外承力桿還能調節長度使橫桿保持水平狀態，以確保氣門座卡套能垂直抵壓在進氣門座上，從而確保了本氣門拆裝器不會損傷氣門桿頸部。

3.2 經濟效益

圖4 改進后的氣門拆裝工具

該工具可顯著提高工作效率25%，使每臺Lycoming IO-360-L2A發動機的檢修工作縮短作業時間32分鐘左右，按每小時人工成本400元計，每臺發動機節約費用約為200元。中國民航飛行學院每年飛行小時約為26萬小時，每400小時發動機檢修一次，一年檢修650次，預計可節約工時費13萬元。

4 結論

新型的氣門拆卸工具可成功取代傳統的拆卸工具，具有拆裝效率高、拆裝平穩、安全可靠等特點，可有效提高作業效率25%。該器具已在Lycoming IO-360-L2A發動機檢修中投入使用，取得了較好的效果，可提高發動機維修的經濟和社會效益，具有良好的推廣應用前景。

[1]鄭志飛, 張少宗. 發動機排氣門開裂原因分析 [J]. 理化檢驗-物理分冊,2015, 51 (11): 820-823.

[2]謝均, 吳快發. 萊康明航空活塞式發動機氣門卡阻故障淺析 [J]. 山東工業技術, 2016, (15): 229-229.

[3]趙乾, 邱慶華. 內燃機車氣門拆裝工具的優化設計與應用 [J]. 煤礦機械,2014, 35 (2): 98-100.

[4]李峰濤, 張莉. 190系列柴油機缸蓋氣門彈簧拆裝工具 [J]. 設備管理與維修, 2015, (5): 65-65.

[5]安雁秋, 武長河. 氣門拆裝工具的改進與設計 [J]. 山東工業技術, 2015,(3): 26-27.