活塞式航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣門機(jī)構(gòu)故障分析

唐嗣杰

摘要：氣門機(jī)構(gòu)是控制氣門適時(shí)開(kāi)、閉的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)。氣門早開(kāi)晚關(guān)、晚開(kāi)早關(guān)都會(huì)嚴(yán)重影響活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的功率、效率等?；钊胶娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)的氣門機(jī)構(gòu)主要部件包括推桿、搖臂、氣門彈簧、氣門等。本文旨在通過(guò)對(duì)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)氣門機(jī)構(gòu)中各個(gè)部件以及該部件常見(jiàn)的故障和故障發(fā)生的原因進(jìn)行研究以提早制定維護(hù)使用計(jì)劃，消除相關(guān)安全隱患。

關(guān)鍵詞：活塞發(fā)動(dòng)機(jī)?氣門機(jī)構(gòu)?典型故障

1.氣門機(jī)構(gòu)

為了使活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作，氣門必須要在規(guī)定的時(shí)間打開(kāi)，并且在規(guī)定的時(shí)間關(guān)閉。這樣才能保證發(fā)動(dòng)機(jī)工作正常并且容積率較高、氣缸溫度較低。氣門的定時(shí)開(kāi)或者關(guān)的運(yùn)動(dòng)是由氣門機(jī)構(gòu)來(lái)控制的。不同發(fā)動(dòng)機(jī)的氣門機(jī)構(gòu)有所不同，但主要的組成部分是一樣的。圖1所示為典型的航空活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的氣門機(jī)構(gòu)。從圖中可以看出：氣門機(jī)構(gòu)主要由凸輪、挺柱、推桿、搖臂軸、搖臂、氣門彈簧座、氣門彈簧、氣門導(dǎo)管、氣門和氣門座組成[1]。其工作過(guò)程是：當(dāng)凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，凸起部分頂著一個(gè)挺柱工作，挺柱推動(dòng)推桿，推桿又作用于搖臂，壓縮氣門彈簧使氣門打開(kāi)。當(dāng)挺柱沿著凸輪盤較低的部分滾動(dòng)時(shí)，氣門在彈簧張力作用下?關(guān)閉，搖臂和挺柱也恢復(fù)到原來(lái)的位置[1]。常見(jiàn)的氣門機(jī)構(gòu)故障有：推桿彎折、氣門間隙過(guò)大或過(guò)小等。

2.推桿彎折

推桿是圓筒形的，其作用是將挺柱傳遞來(lái)的力再傳遞給搖臂。管形的推桿不但輕，而且強(qiáng)度高，它可以使發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油在壓力的作用下，穿過(guò)空心推桿去潤(rùn)滑搖臂等機(jī)件。推桿彎曲或折斷是非常嚴(yán)重的氣門機(jī)構(gòu)故障，一旦發(fā)生，氣門機(jī)構(gòu)將不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)使發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降、劇烈抖動(dòng)嚴(yán)重的甚至?xí)斐砂l(fā)動(dòng)機(jī)空中停車。

推桿彎折形成的主要原因有：（1）發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部有污染物。發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部有污染物極易導(dǎo)致推桿彎折，積碳、空氣中的雜質(zhì)、粉塵、潤(rùn)滑油中的異物等，這些物質(zhì)堆積在推桿與推桿導(dǎo)套內(nèi)，有的可以被潤(rùn)滑油清除掉。但如果操作不當(dāng)或使用的潤(rùn)滑油不好會(huì)導(dǎo)致氣門機(jī)構(gòu)內(nèi)部污染，從而導(dǎo)致推桿彎折。（2）潤(rùn)滑不良。發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，氣門機(jī)構(gòu)始終處于高速運(yùn)作的狀態(tài)，比如在1200RPM的轉(zhuǎn)速下氣門機(jī)構(gòu)每分鐘就要來(lái)回運(yùn)動(dòng)1200次[1]。潤(rùn)滑不良將會(huì)導(dǎo)致氣門機(jī)構(gòu)各部件之間的摩擦急劇增大，嚴(yán)重時(shí)將會(huì)導(dǎo)致推桿彎折、搖臂磨損等故障。（3）氣門積碳。積碳是由發(fā)動(dòng)機(jī)的油料未能充分燃燒，在高溫和氧的催化作用下形成鹽酸和樹(shù)脂狀的膠質(zhì)，粘附在零件表面上，再經(jīng)過(guò)高溫作用進(jìn)一步濃縮成瀝青質(zhì)和油焦質(zhì)等復(fù)雜的混合物。氣門機(jī)構(gòu)中積碳容易產(chǎn)生在排氣門與氣門座之間，燃油品質(zhì)以及燃油的不充分燃燒是導(dǎo)致積碳產(chǎn)生的主要原因。積碳在氣門與氣門座之間過(guò)多的堆積將導(dǎo)致氣門卡阻從而導(dǎo)致推桿彎折[2]。

推桿彎折的預(yù)防方法。（1）避免發(fā)動(dòng)機(jī)功率突然下降。飛行使用中發(fā)動(dòng)機(jī)功率的突然下降將會(huì)導(dǎo)致燃油燃燒不充分。未能充分燃燒的燃油將在氣門附近高溫和氧的催化作用下形成積碳致使推桿運(yùn)動(dòng)受阻。（2）使用規(guī)定牌號(hào)的燃油。

燃油含鉛量超標(biāo)達(dá)不到使用標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致鉛油泥積聚過(guò)多可能直接堆積在氣門和氣門導(dǎo)套之間，阻塞通路[3]。（3）防止?jié)櫥妥冑|(zhì)。長(zhǎng)時(shí)間敞開(kāi)放置的潤(rùn)滑油將會(huì)氧化，氧化變質(zhì)后的潤(rùn)滑油不僅不能起到潤(rùn)滑作用，反而會(huì)腐蝕機(jī)件、產(chǎn)生泡沫使金屬表面的油膜不連續(xù)，增大機(jī)件摩擦力和磨損。因此，使用過(guò)程中應(yīng)防止加入長(zhǎng)時(shí)間敞開(kāi)放置的潤(rùn)滑油且定期更換潤(rùn)滑油以保證其起到良好的潤(rùn)滑效果。

3.氣門間隙過(guò)大或過(guò)小

當(dāng)氣門處于全關(guān)位時(shí)搖臂和氣門桿頂端之間的間隙定義為氣門間隙。氣門間隙將影響氣門開(kāi)關(guān)的定時(shí)性、氣門的升程和氣門打開(kāi)所延續(xù)的時(shí)間。氣門間隙的作用時(shí)保障氣門在關(guān)閉時(shí)與氣門座貼合嚴(yán)密。如果沒(méi)有這個(gè)間隙，則氣門可能因?yàn)橹圃炝慵r(shí)尺寸上的誤差，或者因?yàn)闅忾T與氣門座磨損等原因而使氣門關(guān)閉不嚴(yán)，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作。冷發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)的氣門間隙叫冷間隙，發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)氣門的間隙叫熱間隙。對(duì)有氣門的航空活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)講，氣門間隙的大小對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作影響較大，氣門間隙過(guò)大或過(guò)小都不好。

（1）氣門間隙過(guò)大。氣門間隙過(guò)大會(huì)使氣門晚開(kāi)早關(guān)，這是由于凸輪盤上的凸起開(kāi)始在挺柱下通過(guò)時(shí)需要凸輪盤上凸起導(dǎo)坡的更多部分來(lái)抵消氣門間隙，結(jié)果使氣門比它應(yīng)開(kāi)的時(shí)間晚些打開(kāi)。也就是說(shuō)，氣門在到了凸起修正處任沒(méi)打開(kāi)，過(guò)了凸起修正處一段距離后才打開(kāi)。同理，如果氣門在未到凸起修正處之前就關(guān)閉，這就使氣門開(kāi)啟的角度變小，從而使開(kāi)啟時(shí)間比應(yīng)有的短，縮短了氣門的升程。進(jìn)氣門間隙過(guò)大致使進(jìn)入氣缸的空氣量比正常值小。排氣門間隙過(guò)大致使排出的廢氣比正常值小。這兩種情況都會(huì)減少汽缸內(nèi)的充填量，減小發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率;同時(shí)也不利于汽缸頭的冷卻。（2）氣門間隙過(guò)小。氣門間隙過(guò)小使氣門早開(kāi)晚關(guān)，造成氣門開(kāi)啟角變大，開(kāi)啟延續(xù)的時(shí)間變長(zhǎng)，增加氣門的升程。進(jìn)氣門早開(kāi)會(huì)使進(jìn)入氣缸的新鮮混合氣從排氣門直接排入大氣，使發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性變差;進(jìn)氣門關(guān)的晚，使已進(jìn)入氣缸的新鮮混合氣又通過(guò)進(jìn)氣門被壓回進(jìn)氣管，減少了氣缸的充填量，減小發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率。排氣門早開(kāi)，縮短了膨脹作工的過(guò)程，造成功率損失。排氣門晚關(guān)會(huì)使進(jìn)入氣缸的新鮮混合氣通過(guò)排氣門直接排入大氣，也使發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性變差。氣門間隙過(guò)小影響混合比，使慢車時(shí)混合比趨于過(guò)分貧油。在小功率時(shí)，會(huì)造成回火。

氣門間隙的檢查。氣門間隙不當(dāng)，不可能所有的氣門都在同一方向錯(cuò)調(diào)，而是某些汽缸的氣門間隙過(guò)大，另一些汽缸的氣門間隙過(guò)小，這就造成汽缸與汽缸之間的工作情況不同，輸出功率不相等。為此，發(fā)動(dòng)機(jī)制造廠家規(guī)定了氣門檢查的周期，而且還規(guī)定任何時(shí)候發(fā)生發(fā)動(dòng)機(jī)抖動(dòng)、回火、壓縮不足或難以啟動(dòng)，都應(yīng)檢查和調(diào)整氣門間隙。

4.總結(jié)

氣門機(jī)構(gòu)故障嚴(yán)重威脅飛行安全，嚴(yán)格按照廠家規(guī)定的檢查周期對(duì)氣門機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢查;研究其常見(jiàn)故障的故障現(xiàn)象、故障機(jī)理指導(dǎo)日常維護(hù)使用方法對(duì)于保障飛行安全意義重大。

參考文獻(xiàn)

[1]唐慶如.活塞發(fā)動(dòng)機(jī)[M].北京：兵器工業(yè)出版社，2007.

[2]杜仲.航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)氣門卡阻故障研究[J].航空維修與工程，2013.

[3]孟現(xiàn)召，馮巖鵬.某型航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)排氣門積鉛機(jī)理[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2020.