某型民用航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)維修性設(shè)計優(yōu)化研究

摘要：通過對民用航空發(fā)動機維修性定性設(shè)計方法、結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進方法、虛擬維修技術(shù)的研究，以及在某型發(fā)動機研制過程中的應(yīng)用情況，分析了設(shè)計過程開展結(jié)構(gòu)維修性優(yōu)化改進的措施及收益，為后續(xù)民用航空發(fā)動機研制全面推行結(jié)構(gòu)維修性設(shè)計優(yōu)化及提前識別維修性設(shè)計缺陷，提高維修效率，降低全壽命周期的維修成本具有重要意義。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動機;維修性設(shè)計;優(yōu)化改進

中圖分類號：V263.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）16-0031-03

0? 引言

維修性是指產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)按規(guī)定的程序和方法進行維修時，保持或恢復(fù)到規(guī)定狀態(tài)的能力[1]。

航空發(fā)動機被譽為工業(yè)皇冠上的明珠，其重要性不言而喻，由于發(fā)動機結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零件數(shù)量多、工作條件惡劣，極易出現(xiàn)故障，且故障模式多而復(fù)雜，因此良好的航空發(fā)動機維修品質(zhì)是保障發(fā)動機持續(xù)安全運行的重要環(huán)節(jié)，其維修性的好壞，將直接影響飛機的出勤率和發(fā)動機航線維修使用成本[2]。

航空發(fā)動機的維修性是設(shè)計出來的，對維修性的優(yōu)化改進應(yīng)貫穿到發(fā)動機的全壽命周期，但起決定性作用的還是設(shè)計階段，即發(fā)動機的設(shè)計過程中應(yīng)充分考慮維修性設(shè)計要求并將維修性設(shè)計思想融入到結(jié)構(gòu)設(shè)計中[3]。國外成熟發(fā)動機研制公司如CFMI公司在研制CFM56系列發(fā)動機時除了貫徹6項維修性要求，還邀請維護人員參與發(fā)動機的設(shè)計改進工作中，并對整機和單元體以及重要的零部件的維護性設(shè)計進行評審;GE公司在GE90發(fā)動機研制過程中多次組織特邀飛機制造公司、航空公司的代表參加的專題評審會，與用戶一起對其維修性設(shè)計進行評估，以改善維修性設(shè)計;而RR公司的遄達系列發(fā)動機則被作為解決跨世紀未來發(fā)動機維修性設(shè)計的典范，足見維修性設(shè)計的重要性[4]。

本文主要介紹了民用航空發(fā)動機側(cè)重于結(jié)構(gòu)設(shè)計的維修性定性要求設(shè)計、一體化設(shè)計、虛擬維修等方面設(shè)計內(nèi)容，并以某型發(fā)動機為例分析了以上維修性設(shè)計的結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進措施。

1? 維修性定性設(shè)計

維修性定性設(shè)計準則主要包括單元體設(shè)計、可達性設(shè)計、標準件及互換性、防差錯和標識設(shè)計、冗余設(shè)計、維修安全設(shè)計及其他。其中主要可以在結(jié)構(gòu)設(shè)計中重點考慮的維修性優(yōu)化設(shè)計主要包括單元體設(shè)計、可達性設(shè)計、標準件及互換性設(shè)計、防差錯和標識設(shè)計，具體內(nèi)容如下：

1.1 單元體設(shè)計

單元體是指一組作為發(fā)動機組成部分的組合件、零件，由結(jié)構(gòu)和工藝保證，按照一定的設(shè)計要求，組成一個性能和結(jié)構(gòu)相對獨立的單元[5]。單元體設(shè)計是航空發(fā)動機廣泛采用的模塊化設(shè)計方法，民用航空發(fā)動機單元體通常分為風扇增壓級、高壓壓氣機、燃燒室、高壓渦輪、低壓渦輪等，具體的單元體數(shù)量及劃分方案需綜合考慮結(jié)構(gòu)方案、布局及試制供應(yīng)商等方面差異，如CFM56-7B有4個主單元體和17個維修單元體，PW4000有11個維修單元體，GE90有4個主單元體和19個維修單元體等，某型發(fā)動機共設(shè)置了4個主單元體和17個維修單元體，在研制過程中對單元體設(shè)計進行了優(yōu)化，其改進措施包括：

①取消壓氣機后靜子散件狀態(tài)的維修單元體層級，同時將燃燒室機匣和火焰筒合并為一個維修單元體;

②為實現(xiàn)風扇增壓級單元體，將核心機高壓轉(zhuǎn)子前端壓緊大螺母由前擰緊的安裝結(jié)構(gòu)變?yōu)楹蠖藬Q緊的安裝結(jié)構(gòu);

③針對使用維修頻次、時限壽命相當?shù)娜紵覇卧w和高壓渦輪單元體，劃分為聯(lián)合主單元體，與壓氣機并行裝配，提高核心機單元體裝配、維修效率;

④單元體界面間接口如安裝邊增加頂絲孔和定位銷釘;

⑤單元體界面間結(jié)構(gòu)盡可能簡化：在滿足強度、氣動、傳熱等相關(guān)專業(yè)的功能需求前提下，將單元體界面劃分更為清晰，連接結(jié)構(gòu)盡量簡化、便于維修與更換。

通過以上改進措施，達到單元體劃分更為合理、故障單元體維修更為便捷、單元體換裝更為快速等目的。

1.2 可達性設(shè)計

通過可達性的設(shè)計，使得各零組件間拆裝空間合理可達，對應(yīng)的維修操作滿足“看得見、夠得著”的目的。尤其在航線使用維護過程中，針對航線可更換組件，其良好的可達性將直接影響維修效率與維修便捷性。

某型發(fā)動機通過可達性優(yōu)化設(shè)計，針對易損件、消耗件、需要測試或調(diào)整以及航線可更換的相關(guān)零組件，進行布局及空間間隔尺寸優(yōu)化設(shè)計，同時增加拆裝路徑的尺寸限制要求，并在設(shè)計階段提前評估維修工具及維修人員操作空間等，最終通過裝配干涉檢查等環(huán)節(jié)確認裝拆路徑上是否直觀可達、可維修，以確保其可達性。

1.3 標準件及互換性設(shè)計

在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，綜合考慮功能后，針對不同部位的連接件、緊固件、密封件等小零件，應(yīng)盡可能統(tǒng)一規(guī)格和種類，盡可能選用標準件，同時同類別零組件考慮具有互換性，對快速換裝、減少維修工具數(shù)量、降低維修成本具有重要意義。

某型發(fā)動機在研制過程中，以需求為牽引，持續(xù)不斷的開展標準件數(shù)量及規(guī)格的精簡工作以及自設(shè)件替換為標準件的評估工作，以期提高維修效率，降低試制、使用及維修成本。

1.4 防差錯和標識設(shè)計

通過防錯設(shè)計及增加標識設(shè)計，可以提高維修效率，方便快速定位與查找，防止出現(xiàn)人為判斷導(dǎo)致的錯誤裝配等質(zhì)量問題。

某型發(fā)動機在防差錯設(shè)計優(yōu)化改進中，主要開展了以下工作：

①對稱部位結(jié)構(gòu)采用不對稱緊固件：如各機匣安裝邊設(shè)置防錯偏置孔;法蘭安裝座螺栓間距不同等;

②涉及流體連接件及管路進行標識;

③有朝向的成附件、傳感器設(shè)置非對稱連接結(jié)構(gòu);

④測試點及檢查點設(shè)置醒目標識。

除了以上措施還制定了詳細的典型結(jié)構(gòu)件防錯設(shè)計準則，通過這些結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計措施可極大的避免發(fā)生誤裝或裝錯的風險，同時提高維修效率。

2? 其他結(jié)構(gòu)維修性優(yōu)化設(shè)計

某型發(fā)動機在研制過程針對裝配困難、干涉、維修性差等問題進行全面收集與整理，識別典型故障問題并考慮結(jié)構(gòu)改進方案：

①某型發(fā)動機首臺整機試驗件在停車后進行壓氣機零件導(dǎo)葉孔探檢查時，其孔探安裝堵頭無自鎖功能，且裝拆空間緊張，需要分解裝拆路徑上的支板蒙皮結(jié)構(gòu)，此時發(fā)現(xiàn)支板蒙皮安裝螺栓設(shè)計為一字型的螺栓頭結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致拆裝過程中螺栓分解困難且容易損壞，嚴重影響維修檢查效率。

針對此項問題，后期優(yōu)化改進孔探堵頭安裝座結(jié)構(gòu)，增加自鎖功能;同時支板蒙皮安裝螺栓頭改善為內(nèi)六角的結(jié)構(gòu)，解決了不易裝拆的問題。（圖1）

②某型發(fā)動機首臺整機試驗后，進行各部件孔探檢查時發(fā)現(xiàn)，從增壓級轉(zhuǎn)子沿軸向至低壓渦輪孔探檢查孔的周向分布角度差別較大，往往需要操作人員從發(fā)動機的一側(cè)到另一側(cè)開展檢查，同時局部的角向位置分布在發(fā)動機的偏上方區(qū)域，需要借助梯子等工具進行檢查，操作極為不便。

針對這一問題，后期優(yōu)化改進了孔探孔的周向分布，盡可能靠近偏下方區(qū)域，同時沿發(fā)動機軸向位置盡可能靠近同側(cè)方向。

3? 一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計

航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)設(shè)計的越簡單，零件數(shù)目越少，其維修就越容易，維修成本就越低，因此發(fā)動機在設(shè)計過程中綜合所有功能需求后會結(jié)合簡化結(jié)構(gòu)的方向進行改進設(shè)計，其中一個方向就是一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計。

某型發(fā)動機在設(shè)計過程中就廣泛的采用了一體化融合設(shè)計，包括對燃燒室前置擴壓器和壓氣機末級導(dǎo)葉的融合設(shè)計，對風扇出口導(dǎo)葉和空心承力支板采用融合設(shè)計并對中介機匣內(nèi)外框架進行分體裝配，通過這些措施實現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡化的目的，提高了維修效率。

4? MBD技術(shù)及虛擬維修

隨著全三維數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用推廣，航空發(fā)動機研制過程逐步通過三維數(shù)模設(shè)計技術(shù)開展設(shè)計，其典型特征是基于模型的定義（Model Based Definition，簡稱MBD），即用三維實體模型作為產(chǎn)品整個研制過程中的唯一數(shù)據(jù)源，并將其應(yīng)用于設(shè)計、制造、裝配、使用維護，從而在產(chǎn)品設(shè)計階段提前發(fā)現(xiàn)和解決問題，提高了產(chǎn)品的可制造性、可裝配性和可維護性[6][7]。

基于MBD技術(shù)使得虛擬維修技術(shù)成為現(xiàn)實，并日趨受到重視，通過設(shè)計階段的虛擬維修性分析評估，可從維修性的角度提前發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷進而改進結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高了產(chǎn)品的可維護性，節(jié)約了研發(fā)費用，縮短了研發(fā)周期，其作用與邀請客戶和維護人員提前參與設(shè)計過程有異曲同工之妙。（圖2）

虛擬維修主要指在包含產(chǎn)品數(shù)字樣機、維修人員人體模型的虛擬場景中，通過驅(qū)動人體模型完成整個維修過程仿真的技術(shù)[8]。

目前某型發(fā)動機的研制過程中基于虛擬維修技術(shù)的優(yōu)化設(shè)計尚處于初期階段，初步開展了基于模型的動態(tài)/靜態(tài)干涉檢查，同時考慮人體和工具的使用情況，此項技術(shù)的研究仍在持續(xù)開展。

相比傳統(tǒng)的維修設(shè)計，其具有成本低，效率高、受限少的諸多優(yōu)勢，是未來提高維修性設(shè)計的一項重要技術(shù)，值得深入研究與探索。

5? 結(jié)語

本文通過研究維修性定性設(shè)計方法、結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進方法、虛擬維修技術(shù)以及相應(yīng)技術(shù)/方法在某型發(fā)動機研制過程中的應(yīng)用，分析了在設(shè)計過程開展結(jié)構(gòu)維修性優(yōu)化改進工作的收益及影響，為后續(xù)民用航空發(fā)動機研制全面推行維修性設(shè)計優(yōu)化、提前識別維修性設(shè)計缺陷、提高維修效率、降低全壽命周期的維修成本具有重要意義。

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