蜗轮磨损引起飞机座舱温度异常问题的解决

田 军 王 宏 张选洲 刘 杰

（空军驻甘肃地区军代表室，甘肃 兰州 730070）

1 问题的提出

DG–124环控电动机构（以下简称DG–124）根据环控系统的控制信号自动控制QDK–27球形活门开启或关闭，以此来控制发动机压缩器热气流量，从而控制飞机设备舱和座舱温度，保证飞行过程中座舱适宜温度和设备正常工作。DG–124由1.5W直流串激电动机、三级直齿圆柱齿轮和蜗轮蜗杆副组成的减速器、连杆机构、角度调节装置、微动开关等组成。自批量交付部队领先使用以来，在外场（厂）使用中陆续发生产品不工作故障，产品出现故障时间在300飞行小时左右。产品若不工作，环控系统工作将出现异常，无法控制进入座舱和设备舱的热气，导致舱内温度过低或过高，严重影响飞行员空中飞行操纵和机载设备的正常工作。该故障不但危及飞行安全，而且机上安装、拆卸难度大，增加了部队维护工作量，部队反映强烈。

2 故障模式及机理分析

2.1 故障模式

检查故障件发现产品不工作，经检查原因有两方面：一是蜗轮磨损，电机空转，产品输出轴不转动，蜗轮的齿磨损变平，齿廓消失，表面已涂抹的润滑脂干涸，无润滑油膜，见图1，而产品其他零组件正常。二是电机不工作，除蜗轮磨损，还发现电机转子绕组断路，当电刷停在有断线的换向片上时导致电机不工作。

图1 外场使用已磨损的蜗轮

从故障产品统计看，DG–124蜗轮齿磨损是一个渐进过程，当磨损到一定程度后蜗杆与蜗轮间啮合不良，出现工作不稳定现象，继续使用，蜗轮齿的磨损进一步加剧，直至齿磨平。蜗轮上无齿则失去了传递机械运动的功能，蜗轮停止旋转，使电机一直处于通电空转，而产品却不工作。这远远达不到飞机首翻期，严重影响部队正常使用。

2.2 机理分析

2.2.1 蜗轮齿磨损机理分析

蜗杆传动是机械减速装置的重要方式，它以传动比大，结构紧凑，冲击载荷小，传动平稳，噪声低，能自锁而受到广泛使用。基于蜗杆传动的优点，在DG–124设计中便采用蜗杆传动的方式。它的缺点是传动效率低，齿面滑动速度较大，容易发热、磨损，使润滑情况恶化。

为防止蜗轮、蜗杆磨损失效，必须要有一个良好的润滑环境，一般采用油池浸油润滑或压力喷油润滑等，使蜗轮、蜗杆传动接触面始终保留有一层润滑油膜，传动时才能减少磨损。然而DG–124的结构特点和飞机上的使用条件，决定了其蜗杆传动只能采用润滑脂润滑的方式，其他润滑方式均难以实现。这种润滑方式的不稳定因素埋下了DG–124外场使用蜗轮磨损的隐患。经分析调研DG–124蜗轮磨损主要原因有以下几方面。

2.2.1.1 蜗轮、蜗杆润滑脂润滑特性差

DG–124控制的热气来自发动机压缩器，最高温度可达500℃以上，技术协议要求产品工作环境温度为–60℃～＋125℃，规定温度冲击试验高温段为150℃下保温2 h，温度－高度试验在温度为185℃，时间10 min内能够正常工作。7112航空润滑脂是一种宽温度润滑脂，使用温度为–70℃～180℃，短期可达200℃。在–60 ℃下具有较好的启动性能，具有高温下长期工作的能力，因此，DG–124选用7112作为其蜗杆传动的润滑材料。7112虽然耐高温性能好，但润滑特性差，在零件表面形成油膜能力和安定能力差。对外场使用300飞行小时左右出现故障的产品分解后，发现蜗轮、蜗杆传动表面无润滑脂，啮合面上无油膜，处于干摩擦状态，这说明DG–124选用的7112的润滑性不能满足产品实际使用要求。

另外，涂抹7112润滑脂工艺中，没有明确规定润滑脂的用量、涂抹位置和涂抹方法，涂抹润滑脂的随意性大，这样在长期工作情况下难以保证蜗轮、蜗杆得到足够的润滑脂而受到持续润滑。

2.2.1.2 蜗轮蜗杆结构设计存在缺陷

检测、计量零件发现，蜗轮、蜗杆没有进行锐边倒钝处理，其齿顶锋利，尖边现象明显，这给蜗轮、蜗杆间啮合传动带来很大隐患。在旋转啮合运动过程中，较硬的蜗杆的齿尖边会反复“刮削”较软的蜗轮齿面，刮削产生铁屑、铜屑等多余物，掉进润滑脂中，在啮合面间，这些多余物将加剧划伤两者间较软的蜗轮，长期使用易引起蜗轮、蜗杆胶合，加剧蜗轮的磨损速度。

2.2.1.3 蜗杆加工工艺存在缺陷

蜗轮材料选用铜棒铝青铜QAL9–2，硬度低、耐磨性差，蜗杆材料选用40CrNiMoA钢棒，硬度为HRC37～HRC42，因此蜗杆材料的硬度高，而蜗轮的材料硬度低。在蜗杆加工中仅用车床加工螺纹，齿面粗糙度精度低，经计量为3.2。用放大镜检查蜗杆，发现其表面粗糙度低，个别处还有明显刀痕。在蜗杆和蜗轮的啮合过程中，表面粗糙度低加大了两者间摩擦系数，加剧了蜗轮磨损。

综上所述，由于7112润滑脂选用不当，涂抹工艺方法不明确，蜗轮、蜗杆啮合面的齿等尖边处未倒钝处理，蜗杆齿表面粗糙度精度低，蜗轮材料选用不当等因素综合影响，导致DG–124蜗轮齿磨损严重。

2.2.2 电机转子断路机理分析

对断路的电机转子进一步分解检查，发现导线断裂主要集中在换向器接线槽处，断线发生在转子的1～3个换向片上，数量有2～8根导线，其中每个元件共有41匝导线。导线的牌号为QY–2/200，裸线直径为Ф0.17 mm。电机的功率为1.5W，转子直径为Ф20 mm，属于微型电机。这种电机绕组导线线径太细（Ф0.17 mm），且耐温度高（200℃），在加工过程中极易断线，这是其最薄弱环节，一直制约着电机可靠性水平的提高。将导线从接线槽处脱离后，用放大镜观察断口，对导线的受力进行分析，发现引起导线断裂的主要原因如下。

● 嵌线完毕，向换向片的接线槽上接线时长度选取不合理，焊完后扎线时由于拉力过大将导线拉断，这是断线最重要的原因。

● 焊接温度、时间控制不当，过热损伤导线。

● 去除导线表面绝缘漆皮时，砂纸颗粒度大，打磨用力不均易划伤导线，产生断线隐患。

3 攻关方案

在广泛调研、理论分析、试验验证的基础上，弄清了DG–124蜗轮齿磨损严重和电机转子断线而引起产品不工作的原因，故障机理分析清楚、透彻，在此基础上制定了切实可行的改进方案。

3.1 解决蜗轮磨损的改进措施

3.1.1 重新研制润滑脂，保证蜗轮、蜗杆传动具有良好的润滑性

为解决DG–124蜗轮严重磨损问题，研制润滑性能好、耐高温的润滑脂，改善其润滑条件是最有效的途径。

由于润滑脂耐高温与润滑性是相互矛盾的，传统的润滑脂均难以满足DG–124高温工作环境要求，必须重新研制开发新润滑脂，因此，在传统润滑脂基础上，经过多次改进润滑脂成分和配方，研制了特221–1润滑脂。使用特221–1润滑脂的DG–124经低温工作（–60℃、贮存2 h），高温工作（150℃、贮存2 h）和温度–高度（高温185℃、高度15 250 m、贮存10 min）等验证试验。试验后分解产品检查蜗轮、蜗杆传动部分润滑良好，无油脂溶化和流失，蜗杆传动表面有一层润滑油膜，可以满足DG–124最高185℃实际环境使用要求，确定将产品的润滑脂由7112改为特221–1。

另一方面，由于DG–124在飞机上长期工作，润滑脂涂抹量少或涂抹方法不合理，都会影响产品长期工作润滑性能。为使DG–124蜗轮、蜗杆在长期工作时保持良好的润滑，经反复摸索和试验，研究确定了涂抹6g～7g润滑脂，并从蜗轮、蜗杆下方的壳体处开始涂抹，直至将蜗轮、蜗杆包裹的工艺方法，可以保证润滑脂不断补充到蜗轮、蜗杆间的啮合面上，使啮合面一直有润滑脂，保证了产品长期良好工作。

3.1.2 改进蜗杆、蜗轮的设计尺寸

改进蜗杆和蜗轮轮齿、端部等尖边设计，对蜗杆和蜗轮的齿顶尖边等锐边处倒钝R≤0.5处理。这样在蜗杆、蜗轮啮合过程中，齿面以圆弧过渡接触，杜绝了蜗杆对蜗轮的“刮削”作用。

3.1.3 提高蜗杆表面粗糙度精度

改进蜗杆、蜗轮机械加工工艺方法。车床加工完蜗杆齿形后，增加磨削和抛光工序。先用齿面砂轮磨削齿面，再采用麂皮反复抛光3至5次，去除蜗杆齿面刀痕，最后再用研磨膏和绸布打磨正反面各一次，使其表面粗糙度达到0.4以上。滚齿机上加工蜗轮时，细化步进量控制，起步阶段步进量控制在0.5 mm/圈，进入齿轮的中间部位时，步进量控制在0.2 mm/圈～0.3 mm/圈范围内，同时允许零行程滚齿来去除刀痕，以提高蜗轮齿表面粗糙度。这样大大降低了蜗杆和蜗轮齿面的摩擦系数。

3.1.4 选择适宜的蜗轮材料

常用的蜗轮材料为铸造锡青铜、铸造铝铁青铜以及灰铸铁等。相对比较锡青铜硬度高，耐磨性好，为缩小两个零件间的硬度差，将蜗轮的材料由铝青铜QAl9–2改为锡青铜QSn4–3，而蜗杆材料不变，使蜗轮、蜗杆耐磨性更匹配。

3.2 解决电机转子断路的改进措施

在摸清转子绕组元件断线故障机理的基础上，制定了改进措施，主要有：

换向器组件与电枢冲片间填放绝缘材料ET100无碱玻璃纤维带时，在末端绕包后填充绝缘材料部位应平整，最后一圈高度不得低于接线槽底；接线时元件端头的导线应呈弧状，至少留有5mm的余量，这样即使在扎线后不会让绕组导线在焊接处受拉应力。

根据综合对比分析和工程实践方法，确定产品电机转子焊接方法采用浸沉焊，且一次焊接，不允许反复焊接，锡液温度为320℃～350℃，保持时间在20 s～25 s。经验证采用这种焊接规范焊接的转子发生断路问题故障率极低，可防止因焊接过热而引起导线受损。

细化去导线绝缘漆皮工艺方法，将600目的砂纸改用800目的抛光砂纸，去除方法由正反一次改为边旋转边打磨，共循环3次，保证每次去除量小且保证最终去除彻底，防止导线被砂砾划伤。

增加过程控制能力，在铅焊换向器、光锡瘤、换扎线、校正动平衡等容易损伤导线的加工工序后，增加用示波器检测转子有无断路的工序，防止后续加工转子产生的缺陷没有及时发现而应用到产品上。

4 试验、试飞验证

DG–124经过设计、工艺和材料改进后，抽取两台产品进行了地面环境鉴定试验和寿命试验考核，其中寿命试验按产品首翻期的1.5倍进行。试验后产品工作正常，分解检查产品，蜗杆、蜗轮润滑情况良好，啮合面有一层油膜，清洗润滑脂后发现蜗轮轮齿表面有轻微磨损，同时检测转子导线无断路现象。改进后的DG–124经部队试用，产品性能稳定，工作可靠，未出现不工作故障，能保证部队作训任务的顺利完成。由此可见，改进措施有效，改进方案合理可行。

5 总结语

经过大量的调研、分析和试验，通过设计、工艺改进，采用新材料等方法，研制出了耐高温且润滑特性较好的特221–1润滑脂，改进润滑脂的涂抹工艺，解决了DG–124在高温和长期工作条件下传动部件润滑性差，导致蜗轮、蜗杆磨损严重的难题。优化设计方案，改进蜗杆、蜗轮结构设计，采用硬度高、耐磨性好的蜗轮材料，应用研磨、抛光等工艺方法，提高了蜗杆表面粗糙度精度，降低了蜗轮、蜗杆间磨损。优化微型电机转子加工工艺方法，细化转子焊接规范、导线长度确定、绝缘层厚度设置、导线绝缘漆皮去除方法等先进工艺，能够有效防止转子绕组导线断路，解决了微型电机转子易断路难题。这些措施和方法在航空机载设备中具有先进性。

经攻关解决了DG–124外场使用中暴露的不工作问题，保证了某歼击机座舱和设备舱温度正常调节，防止温度失控，提高了产品的可靠性，达到首翻期要求，消除危及飞行的安全隐患，有效提高战备完好率，减少外场维修工作量，具有显著的军事、经济效益。■