CFM56-7B發(fā)動機(jī)的起動機(jī)螺桿斷裂分析

姜琪 高藝聰 葉阿哲

摘要：波音737NG飛機(jī)裝配的CFM56-7B發(fā)動機(jī)起動時采用空氣渦輪起動機(jī)，其作用是給發(fā)動機(jī)起動或冷轉(zhuǎn)程序提供動力。近年來，霍尼韋爾公司生產(chǎn)的件號為3505945系列的空氣渦輪起動機(jī)殼體螺桿斷裂或脫落問題呈現(xiàn)多發(fā)性狀態(tài)，本文對此故障的成因進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：發(fā)動機(jī)；起動機(jī)；殼體螺桿

Keywords：engine；starter；bolts of starter housing

1 3505945系列空氣渦輪起動機(jī)

1.1 起動機(jī)構(gòu)造

件號為3505945系列的空氣渦輪起動機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、維護(hù)方便等特點(diǎn)，應(yīng)用廣泛。其主要由進(jìn)氣組件、靜葉、渦輪、保持環(huán)、切割環(huán)、內(nèi)部支撐組件、小齒輪、行星齒輪組件、離合器、大齒輪、離合器、油泵組件、盤、輸出軸拉桿、加放油孔、磁性探測器等部分組成 [1] ，如圖1所示。起動機(jī)的殼體通過件號為MS9556-32的螺桿進(jìn)行連接，其作用是通過APU或地面氣源的壓縮空氣使渦輪做功，獲得高轉(zhuǎn)速低扭矩，經(jīng)過減速部分使齒輪獲得低轉(zhuǎn)速高扭矩，通過輸出軸轉(zhuǎn)動發(fā)動機(jī) [2] 。

1.2 廈航機(jī)隊(duì)起動機(jī)使用情況

圖2為廈航機(jī)隊(duì)起動機(jī)因殼體固定螺桿斷裂送修及其他故障（起動異常、漏油、磁堵碎屑）送修的分布圖。2016年機(jī)隊(duì)首次出現(xiàn)螺桿斷裂故障，此后數(shù)量持續(xù)上升，至2019年因螺桿斷裂送修的起動機(jī)占故障送修起動機(jī)總數(shù)的46%，對機(jī)隊(duì)送修成本、備件庫存周轉(zhuǎn)等造成較大的影響。

2 殼體固定螺桿斷裂故障情況

螺桿件號為MS9556-32，長2-1/2"，螺紋規(guī)格為10-32，螺紋長11/16"，直徑0.190"。最小拉伸強(qiáng)度130000psi，最小屈服強(qiáng)度85000psi，硬度等級為248-341布氏硬度 [3] 。手冊要求擰緊力矩50～55in.lb。運(yùn)行中螺桿斷裂在螺紋端和螺桿頭端均有發(fā)生，比例約為2：3。

2.1 斷口分析

以2020年4月一次起動機(jī)故障為例進(jìn)行分析。該起動機(jī)在執(zhí)行周勤務(wù)工卡時發(fā)現(xiàn)7、8號螺桿頭端斷裂，觀察螺桿表面光滑，除頭部斷裂外未見其他損傷，未見彎曲變形等明顯損傷。對螺桿頭部和桿部過渡位置進(jìn)行檢查，未見裂紋。對螺桿斷裂位置的觀察可見，斷口周邊未見特殊的磨損、腐蝕等特征，與其他未斷裂螺桿對比，各螺桿頭部與桿部過渡位置也未見異常。對其余7根未斷裂螺桿進(jìn)行熒光滲透檢查，發(fā)現(xiàn)9號螺桿也存在裂紋（見圖3）。

圖4是電鏡下觀察到的8號螺桿斷面形貌?？梢娐輻U斷口整體平坦，主疲勞起源于左上邊緣位置，呈小線源特征，未見材料缺陷和其他損傷，源區(qū)附近平坦細(xì)膩，為裂紋張開后兩裂紋面對磨所致。中部為疲勞臺階，呈45°貝殼紋，測量在0.62mm的長度內(nèi)有23條明顯應(yīng)力裂紋，從左上角到右下角，疲勞源擴(kuò)展為初期、中期、后期，貝殼紋的間距逐步擴(kuò)大。疲勞擴(kuò)展最后階段，裂紋轉(zhuǎn)而向右疲勞擴(kuò)展，疲勞弧線明顯，弧線間疲勞條帶特征明顯。這種情況應(yīng)與局部受力發(fā)生的變化有關(guān)。瞬斷區(qū)較小，為明顯的韌窩特征，疲勞區(qū)占整個斷口面積的80%以上。根據(jù)上述特征可以判斷，該螺桿的斷裂性質(zhì)為高周疲勞斷裂，導(dǎo)致其發(fā)生疲勞斷裂的應(yīng)力較小。

2.2 殼體固定螺桿斷裂原因分析

1）卡箍改裝

2013～2014年世界機(jī)隊(duì)發(fā)生3起舊構(gòu)型起動機(jī)卡箍斷裂導(dǎo)致發(fā)動機(jī)空中停車的案例。2015年4月21日CFM頒發(fā)CFM56-7BSB80-0016，引入新件號起動機(jī)卡箍以提高可靠性和維護(hù)性。如圖5所示，新起動機(jī)卡箍件號為2635M04P01（31428-6600），有更高的可靠性，可解決舊卡箍疲勞斷裂導(dǎo)致發(fā)動機(jī)滑油大量泄漏問題。為避免出現(xiàn)發(fā)動機(jī)空中停車重大安全隱患，廈航經(jīng)綜合評估后決定從2015年7月開始陸續(xù)將所有舊構(gòu)型卡箍更換為新件號卡箍，至2016年3月28日全機(jī)隊(duì)完成改裝。

舊構(gòu)型卡箍材料較薄，卡箍擰緊力矩為49～55lb·in，廈航機(jī)隊(duì)歷史上曾出現(xiàn)8起舊構(gòu)型卡箍焊點(diǎn)脫落、疲勞斷裂故障，卡箍平均斷裂時間21261飛行小時。新件號的V型卡箍為較厚材料的一體成型結(jié)構(gòu)，不采用焊點(diǎn)連接，比舊構(gòu)型重370g，擰緊力矩為115～125lb·in [4] 。起動機(jī)尺寸為444.5mm×210.82mm×223.52mm，重量14kg，其前后連接點(diǎn)分別為進(jìn)氣管卡箍和起動機(jī)卡箍，兩個卡箍互成90°角，起動機(jī)殼體由中間的9根螺桿連接（見圖6），在起動高負(fù)載階段，螺桿及卡箍承受較大載荷。

針對上述故障，初步懷疑在卡箍改裝后，起動機(jī)前后兩端都由較為剛性的V型卡箍固定，且起動機(jī)尺寸較長、重量較重，兩端緊固力矩顯著提升后載荷相應(yīng)地轉(zhuǎn)移至殼體固定螺桿，導(dǎo)致螺桿在高周疲勞下產(chǎn)生斷裂。如圖7所示，廈航機(jī)隊(duì)在2015年完成卡箍改裝后，因螺桿斷裂送修的起動機(jī)逐年上升。圖8為廈航起動機(jī)協(xié)議廠家承修的起動機(jī)常見故障占比數(shù)據(jù)，從中可以看出螺桿斷裂占比增速較為突出。

2）螺桿設(shè)計(jì)缺陷

MS9556-32螺桿早期生產(chǎn)廠家為Mac Fasteners，端面標(biāo)識為CS。隨著世界機(jī)隊(duì)螺桿斷裂日益增多，霍尼韋爾公司技術(shù)代表建議使用3V Fasteners公司生產(chǎn)的螺桿，端面標(biāo)識為3V，但斷裂的趨勢并未停止，可以看出螺桿斷裂并非生產(chǎn)質(zhì)量或批次問題。從與其他航空公司、制造廠商的交流中了解到，V2500發(fā)動機(jī)使用的790425A系列的起動機(jī)重量約15kg，與3505945系列起動機(jī)相近；790425A起動機(jī)由12根螺紋規(guī)格為1/4～28的螺桿固定，力矩值30～40lb.in。即790425A起動機(jī)在輸出功率更大、螺桿截面積更大、與3505945系列起動機(jī)尺寸重量相近的情況下，其螺桿力矩更小 [5] 。廈航也通過波音咨詢霍尼韋爾，霍尼韋爾仍堅(jiān)持表示該力矩符合相關(guān)規(guī)范，無問題。

3 解決方案探討

3.1 對航空公司成本的影響

自2003年起，廈航總共發(fā)生64起波音737NG起動機(jī)渦輪與軸承嚴(yán)重?fù)p壞事件，其中60起為導(dǎo)致地面起動失敗的重大使用困難事件，4起為導(dǎo)致空中滑油泄漏的重大不安全事件。多年來，廈航以及國內(nèi)各航司為此做了大量努力，制定了多項(xiàng)預(yù)防性措施，但收效甚微。起動機(jī)的嚴(yán)重故障往往造成航班長時間延誤、空中漏油，導(dǎo)致飛機(jī)備降甚至空中停車，且起動機(jī)送修時要支付巨大成本，以國內(nèi)某中型航空公司年均送修100臺次為例（因廈航起動機(jī)為整體包修，較難精確計(jì)算單臺故障送修成本），單臺起動機(jī)送修平均費(fèi)用為38.5萬元，因渦輪損壞等嚴(yán)重故障的送修費(fèi)用高達(dá)102萬元。渦輪和軸承的損壞與螺桿斷裂都源自起動機(jī)高負(fù)載、高振動工作環(huán)境，螺桿斷裂或出現(xiàn)裂紋會顯著降低起動機(jī)渦輪的剩余不平衡量，有可能加速渦輪與軸承的損壞。作為CFM56-7B系列發(fā)動機(jī)起動機(jī)的唯一制造商，霍尼韋爾公司一直無法提供有效解決方案，目前只對徑向軸承失效提供商務(wù)補(bǔ)償，但軸承失效導(dǎo)致的高價渦輪葉片等部件損壞報廢卻未納入商務(wù)補(bǔ)償范圍，明顯不合理，全球航空公司一直在積極申訴爭取。

3.2 波音提供在翼更換螺桿的方案

在2019年6月更新的AMM R69上增加了起動機(jī)螺桿在翼更換程序，根據(jù)波音SR的反饋，該手冊只允許航空公司在翼更換螺桿，不可在拆下的情況下更換。而按手冊要求，更換螺桿需對所有9根螺桿擰松后重新打力矩，對于起動機(jī)背面的螺桿無在翼施工空間。其次，對于螺紋處斷裂的螺桿，也只能拆下起動機(jī)進(jìn)行更換。在翼更換螺桿對于該故障只是治標(biāo)不治本的妥協(xié)方案，且無法按提供的手冊執(zhí)行，即使在翼更換斷裂的螺桿，其他螺桿的潛在裂紋仍是起動機(jī)渦輪不平衡量的較大隱患，波音仍需推動霍尼韋爾改進(jìn)螺桿的設(shè)計(jì)。

3.3 對螺桿的強(qiáng)度及力矩的設(shè)計(jì)

2019年8月的新版CMM中，對大修的起動機(jī)要求在大修程序中全部更換9根螺桿。但對航空公司來說，起動機(jī)進(jìn)廠維修并非都需要大修，部分起動僅進(jìn)行小修。因此，建議廠家在修理起動機(jī)的過程中，對非大修的起動機(jī)加入對螺桿的檢查程序，明確對重復(fù)使用的螺桿進(jìn)行探傷檢查或者使用全新件的要求（螺桿采購價在1.7美元左右）。

卡箍、螺桿的斷裂與渦輪、軸承失效都源于起動機(jī)特殊固定方式下的長期高振動工作環(huán)境。通過以上螺桿的設(shè)計(jì)、力矩值分析及數(shù)據(jù)驗(yàn)證，有理由懷疑3505945系列起動機(jī)在殼體連接螺桿的強(qiáng)度、力矩值方面存在較大的設(shè)計(jì)缺陷，建議波音與霍尼韋爾對螺桿的強(qiáng)度、力矩值進(jìn)行重新評估，改進(jìn)設(shè)計(jì)。

4 結(jié)束語

提高3505945系列空氣渦輪起動機(jī)的安全性和可靠性牽涉到多方面的共同研究。通過以上論述分析，當(dāng)前應(yīng)著重從以下幾方面進(jìn)行推進(jìn)。

首先，鑒于當(dāng)前航空公司對起動機(jī)螺桿的設(shè)計(jì)、力矩等設(shè)計(jì)方面的質(zhì)疑，制造廠家霍尼韋爾公司應(yīng)對該螺桿重新進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，對強(qiáng)度、力矩重新進(jìn)行評估。

第二，螺桿設(shè)計(jì)不合理、螺桿斷裂或出現(xiàn)裂紋降低起動機(jī)渦輪的剩余不平衡量，可能加速渦輪與軸承的嚴(yán)重?fù)p壞。對于軸承失效導(dǎo)致的渦輪葉片損傷，制造廠家目前僅對徑向軸承提供商務(wù)補(bǔ)償，這是不合理的。航空公司應(yīng)積極申訴，爭取將損壞或報廢的高價渦輪葉片等部件納入商務(wù)補(bǔ)償?shù)姆秶?/p>

第三，航空公司應(yīng)持續(xù)與國內(nèi)修理廠家共同探討，推動起動機(jī)修理工藝的改進(jìn)與提高。

參考文獻(xiàn)

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