航空發動機持續適航文件中的維修間隔研究

王 偉，劉 帥，白 杰

（中國民航大學 航空工程學院，天津300300）

0 引言

航空發動機的適航管理對于保障飛行器安全運行尤為重要，其目的是保證發動機的適航狀態，本質是對航空發動機進行適航性控制的過程[1]。持續適航管理是航空發動機適航管理的一部分，依靠持續適航文件對其適航性進行控制。持續適航文件是用以在航空產品投入使用后，指導運營方正確地使用和維修航空產品，并保持其固有設計水平和可靠性[1]，是發動機保證其可靠性水平的重要文件，是發動機型號合格審定的一部分；同時該文件也是制定發動機維修方案的依據，構成了基本維修大綱[2]。

航空發動機持續適航文件涵蓋維修類型和維修間隔2方面。維修類型相對固定，而維修間隔是持續適航文件的核心[3]，在一定程度上選取何種維修類型取決于維修間隔。確定維修間隔一直是維修領域討論比較激烈的問題。根據MSG-3邏輯分析確定，目前確定維修間隔的方法大致分為計算、試驗和經驗[3-5]3類，其中對分析計算法的研究比較廣泛，主要是通過建立數學模型，導出間隔的函數關系，最終根據關系式得到維修間隔；試驗和經驗法分別通過發動機試車試驗和以往機型的使用經驗確定衍生機型的維修間隔。目前基于案例推理的維修間隔確定方法是在經驗法的基礎上得到的。盡管確定維修間隔的研究有很多，但對其認識還停留在發動機制造商提供給營運方進行定期檢查、維護的1個固定的確定間隔。維修間隔是適航法規要求發動機制造商給出并在持續適航文件中標明的。維修手冊在持續適航文件的基礎上編輯而來，維修間隔在文件中和維修手冊中的關系和差異尚有待分析研究，對其本質的認識也有待深化。

本文對持續適航文件中維修的概念進行分析，重點從發動機適航條款的角度對持續適航文件中的維修間隔進行闡述并揭示文件和維修手冊中維修間隔的關系，并分析其本質，為航空發動機實際維修管理提供理論指導。

1 持續適航文件的維修要求

本文分析持續適航文件中的維修概念和任務，同時將持續適航文件與發動機維修手冊作比較，論述維修深度和維修間隔的關系。

1.1 持續適航文件的維修

詞典中解釋維修為維護和修理[6]；日本工業標準中的維修定義為把產品保持在使用及運用狀態以及為排除故障和缺陷所進行的一切處置及活動[6，7]；對可靠性工程而言，維修是為了確保設備原有的功能與特性，而不是提高其性能[8]；FAR43指出，維修是指對飛行器或其部件所進行的任何檢測、修理、排故、定期檢修、翻修工作[9]；FAR1中的維修是指檢查、翻修、修理和更換零件，但不包括預防性維修，預防性維修是指簡單的或輕微的防腐(保養)操作和更換少量標準件非復雜組件的操作[10]。

在不同規章或文獻中，維修的含義有所不同，但并不沖突。詞典解釋是字面意思：維護即維持保護，使不受到破壞；修理即使損壞的東西恢復正常[6]。發動機維修的字面含義包括對沒有損壞的發動機及其零部件進行維護操作和對損壞的發動機及其零部件進行修理操作。實際上，對發動機維修的研究基本上都是從維修的2方面含義展開的，只是側重點不同。發動機維修分為修復性與預防性維修，其中修復性維修是指發動機發生故障后使其恢復到規定狀態所進行的全部活動；預防性維修通過對發動機進行系統性檢查和定期更換以防止功能故障發生，使其保持在規定狀態所進行的全部活動[11]。FAR43對維修的定義中沒有區分預防性維修的概念是由于其適用范圍主要針對發動機整機、單元體或零部件即將到壽或已經失效的狀態。對于已經達到失效閾值的零部件（FAR43適用范圍中涵蓋此類）而言，討論預防性維修沒有意義。FAR1區分修復性和預防性維修的概念正是由于維修一詞的2層含義。

因此，投入運行發動機的維修存在恢復和保持，防止故障發生的工作。持續適航文件用于航空發動機使用階段，其中維修是指包括預防性維修在內的檢查、翻修、修理和更換零件的操作。

1.2 持續適航文件的維修分析

持續適航文件中的維修概念廣義上分為（1）檢查的目的是尋找零部件的損傷、故障和不正常的現象，包括目視、詳細和特殊詳細檢查[8]；（2）翻修的目的是恢復發動機的使用壽命或適航狀態[12]，一般針對發動機整機而言，通常根據監控運行中的參數判斷翻修時機；（3）修理是對零部件任何損傷或缺陷進行處理使其達到在規定限制范圍內繼續使用的工作[9]，即恢復偏離可用狀態的部件；（4）更換零件一般針對發動機限壽件和航線可更換件（LRU）；（5）預防性維修是指對發動機及其零部件進行簡單的保養和更換少量標準件，目的是為了防止發動機或其零部件失效。

1.3 發動機維修手冊中的維修要求分析

FAR33.4要求制定發動機持續適航文件，其中包含發動機維護和翻修手冊。發動機營運方根據文件并在其基礎上編制更為詳細的維修手冊。與文件不同，手冊中的維修分別從5層含義對發動機的維修任務進行規定。

持續適航文件中的發動機維護、翻修手冊是針對發動機持續適航的最低要求，發動機營運方編制的發動機維修手冊對其維修要求一般會高于文件的要求。手冊大致分為維護、翻修、部件修理和裝配手冊，其中列出整機、零部件的維修間隔（或使用時限）和維修類型。整機的維修主要是返廠翻修。對零部件的維修一般按照能否進行修理進行劃分。對不可修理的零部件采取更換操作，進行更換維修的零部件包括限壽件、航線可更換件、封嚴件和線束等。更換的原因是某些重要件的損傷或缺陷無法通過修理的手段恢復到可用狀態。維修性設計理念是為使發動機維修不對飛行器造成延誤而提出的航線可更換件的概念。可進行修理維修的零部件需按照手冊對其進行相應修理，零部件包括壓氣機葉片、渦輪葉片、燃燒室和發動機附件等。修理技術主要有焊接、電鍍、金屬噴涂等。流程一般可以歸納為清洗、檢測、修復、后處理（擠壓強化或噴丸強化技術）。隨著修理技術的發展，對發動機零部件的修理正在向自動化修理的方向發展[13-14]。

維修手冊更側重維修類型，對于各種損傷都給出了維修方法（或工藝）；在維修間隔的相關內容上，只是給出了定期檢查的間隔以及限壽件的時限，在不同間隔執行不同維修任務，此外對維修間隔沒有描述。

1.4 發動機維修任務分析

文件體現了發動機適航規章對于保證發動機可靠性的最低標準。FAR33部規章對維修類型沒有做出明確規定，但FAR33.90條款針對維修間隔提出了要求[15]。

在FAR33.90中提到的維修檢查間隔即持續適航文件中的維修間隔，且維修檢查任務是手冊中定期維修任務的主要部分。通過檢查可以發現零部件的損傷，判斷發動機的狀態，確定維修任務，即依據狀態給定維修深度。不同的間隔會導致維修深度（維修任務）的差異，所以維修間隔是發動機維修的核心內容，在發動機適航規章的條款中對維修間隔做了明確的要求而未對維修深度有所要求。

2 持續適航文件的維修間隔分析

航空發動機有上萬個零部件，持續適航文件不會一一列出每個零部件的維修任務；維修間隔是維修任務的核心，但不是一成不變的。文件按部件和時間維度2方面闡述。所以為了揭示維修間隔的本質，首先對持續適航文件列出維修任務的零部件進行分析，然后研究其維修間隔以剖析本質。

2.1 關鍵件、重要件的確定

持續適航文件是保證發動機固有可靠性的基礎，其中發動機維修更多的是針對自身失效會對發動機產生重大后果的零部件。

并不是每個發動機零部件的失效都會影響其可靠性水平。例如在燃燒室中，允許范圍之內的燒蝕損傷會影響燃油消耗率而不會影響燃燒室生成高溫燃氣。相反，某些零部件影響發動機的可靠性水平，如防喘系統失效。依據FAR33.75條款提出重要性和危害性后果，將發動機零部件分為關鍵件、重要件和一般件，其中關鍵件、重要件的失效會導致發動機重要性或危害性后果。

重要性和危害性發動機后果的界定如下[15]。

（1）輕微后果是指1臺發動機失效，其惟一后果是該發動機部分或全部喪失推力或功率（和相關發動機使用狀態）。

（2）危害性后果包括非包容的高能碎片；客艙用發動機引氣中有毒物質濃度足以使機組人員或乘客失去行為能力；與駕駛員命令的推力方向相反的較大的推力；不可控火情；發動機安裝系統失效，導致非故意的發動機脫開；由發動機引起的螺旋槳脫開；完全失去發動機停車能力。

（3）重要性后果的嚴重程度介于（1）和（2）之間。

由于關鍵件和重要件失效會對航空發動機的運行產生重要影響，所以持續適航文件對發動機的維修在很大程度上是指對發動機關鍵件和重要件的維修。

2.2 關鍵件、重要件維修間隔

持續適航文件中的發動機維修更多是針對關鍵件和重要件的，所以討論持續適航文件中的維修間隔也針對關鍵件和重要件。

在零部件自身屬性與外界因素共同作用下，性能狀態會不斷退化，當超過一定數值時（失效閾值），零部件已無法完成規定的任務，判斷為失效[16]。為了避免失效，需要對發動機進行維修檢查以防止出現重要性或危害性后果。所以需要給出檢查的時間間隔，在時間節點上通過檢查判斷發動機狀態，確定維修任務。

2.2.1 初始維修檢查間隔

初始維修檢查間隔是指發動機投入運行后第1次進行維修檢查時的飛行小時數或循環數。FAR33.90要求申請人進行初始維修檢查試驗用來模擬預期的發動機工作狀態以確定初始維修檢查時限[14]。AC33.90-1為渦輪發動機的初始維修檢查試驗提供審定指導。該咨詢通告介紹了全循環和加速任務試驗[17]方法。通過對試驗后的發動機進行拆卸分解，檢查各部件是否符合設計和持續運轉要求，從而得到1個較為適合的初始維修檢查間隔。

FAR33部規章要求申請人通過試驗給出初始維修檢查間隔，對應的咨詢通告給出了試驗的指導材料。初始維修檢查試驗旨在對發動機的實際工作狀態進行模擬，使發動機性能在其自身屬性與外界因素的共同作用下不斷退化。通過分解檢查判斷發動機的性能狀態，從而找到某一狀態點（此狀態點在持續適航文件的適航性限制章節給出的限制范圍內），并進行維修檢查，既可以有效的保證發動機的固有可靠性水平又可以降低經濟成本。

所以規章中要求的初始維修檢查實際上是要求申請人確定1個維修檢查的基準點，其對應的發動機性能狀態既不會使發動機出現危害性或重要性后果；同時避免在未出現明顯性能衰退時進行檢查產生不必要的經濟花費。

本文定義初始維修檢查節點對應的發動機性能狀態為設計點維修檢查閾值。

2.2.2 維修檢查間隔

持續適航文件要求發動機型號合格證申請人給出發動機定期維護資料[15]，其中包含了對發動機及其零部件的維修檢查間隔，該間隔是指2次維修檢查之間飛行小時數或循環數，所以不同于初始維修檢查間隔。

持續適航文件只給出1個維修檢查的薦用周期，一般指初始維修檢查間隔的周期，但維修檢查間隔并不等同于初始維修檢查間隔。后者是前者的參考值，并且每次維修檢查的周期都存在差異。在給定的間隔節點對發動機進行維修檢查是監控零部件。如果發現損傷，則需要對磨損程度進行測量、評估損傷確定維修工作；同時需要根據檢查判斷零部件以及相關系統的狀態確定下次檢查間隔。

因此，在發動機的某次維修檢查節點上，需要通過進行周期性維修檢查并根據檢查時的狀態判斷是否進行預防性維修。如果零部件的性能狀態沒有達到預防性維修閾值，僅進行持續適航文件要求的勤務而不進行預防性維修；相反則立即進行預防性維修。當零部件性能狀態超過失效閾值時，零部件會失效并因此導致重要性或危害性后果，此時根據情況進行修理或者換件。最后根據此次對發動機定期維修的情況判斷下次維修檢查的時間。

為了確定設計點維修檢查閾值，發動機適航規章只對第1次的維修檢查間隔做出了要求。在該檢查中，判斷發動機狀態，確定維修深度，并確定下次檢查的間隔即判斷其性能衰退到設計點維修檢查閾值的時間。持續適航文件給出的維修間隔只是參考值，定期檢查的實際間隔是在一定范圍內波動的，即根據發動機狀態適當延長或縮短參考值。定義初始維修檢查節點對應的發動機性能狀態為設計點維修檢查閾值。如果將持續適航文件中給出的定期維修間隔（參考值）作為1個固定的維修檢查周期值寫入維修方案，使得依據固定周期進行維修檢查時對應的發動機性能狀態偏離設計點維修檢查閾值。從而造成固定周期的維修間隔相對于設計點維修檢查閾值對應的間隔偏大或偏小，可能會造成發動機的維修不足或維修過多，最終增加維修成本、降低經濟性同時還可能導致發動機可靠性下降。

靈活地確定維修檢查間隔就是為了尋求1個可靠性與經濟性協調的節點（設計點維修檢查閾值），每次檢查節點的發動機可靠性水平需要參考初始維修檢查間隔節點對應的可靠性水平。發動機性能狀態受多方面因素影響，性能衰退與使用時間并不存在1個固定的函數關系，即在多個固定的時間間隔內，發動機性能衰退的程度不同。所以定期維修的檢查間隔是動態的，根據本次的狀態給出下次的間隔。

2.2.3 實例分析

以中國某航空公司CFM56-7B發動機機隊為例進行分析。根據國際發動機（CFMI）公司提供的持續適航文件，選取維修檢查中的反推系統的檢查任務。文件要求：檢查左、右發動機阻力連桿的球型軸承滾珠，按需更換（Detailedinspectionoftheleft/right enginethrustreverserdraglinksphericalbearings），給出的間隔為7500飛行小時，實際上為初始維修檢查間隔，但發動機營運方將每次維修檢查的定為7500飛行小時并寫入維修方案中。發動機型號合格證申請人通過規章要求的試驗確定該部件的初始維修檢查間隔7500飛行小時，即發動機在實際運行過程中，球型軸承的滾珠因不斷磨損而導致其性能下降，在7500飛行小時節點對其進行檢查，判斷滾珠的狀態，然后選擇做勤務潤滑或者換件。

綜上所述，零部件初始維修檢查節點的狀態實際上是型號合格證申請人給出的狀態參考點（設計點維修檢查閾值），之后每次都與參考點狀態進行比較。如果在7500飛行小時節點狀態的維修任務是更換球型軸承滾珠或者是預防性的勤務潤滑，那么下次確定更換操作或者勤務潤滑操作的依據便是零件與參考點狀態相近。若是執行換件操作，則可以近似將下次換件的間隔定為7500飛行小時（反推系統不出現意外為前提）；若是執行勤務潤滑操作，則需要估算球型軸承滾珠從參考點磨損至需要換件狀態的時間間隔。下次維修檢查間隔需要具體問題具體分析，如果7500飛行小時中零件性能退化較大，可能第2次維修檢查間隔需要縮短（小于7500飛行小時）并在此次執行換件操作，那么第3次維修檢查時的狀態可以依據參考點狀態選擇7500飛行小時（第3次維修檢查進行勤務潤滑），可也以參考換件節點的狀態將第1次和第1、2次檢查間隔時間的總和作為第2、3次的檢查間隔（第3次進行換件），但此間隔的確定還需要考慮經濟性因素。以此類推，每次的檢查間隔都不固定，根據上次維修檢查的狀態和給出維修任務來確定下個維修檢查的間隔，在狀態判斷過程中，需要根據某一參考點進行比對，該參考點是初始維修檢查節點對應的零部件性能狀態點（設計點維修檢查閾值）。

因此，通過實例可以更加形象地理解適航規章要求的初始維修檢查間隔實際上是適航審定當局要求申請人設定1個性能狀態參考點便于在多次維修檢查中進行參考比較；同時維修檢查的間隔不固定，確定間隔需要依據上次的性能狀態和執行的維修任務。

3 總結

（1）持續適航文件中的維修包括預防性維修在內的檢查、翻修、修理和更換零件的操作的概念。預防性維修、換件或者修理的維修任務是根據維修檢查時對發動機狀態判斷得到并實施的，而不是在一定的維修間隔節點上執行固定的維修任務。

（2）從適航規章的角度分析維修間隔的本質，定期維修間隔是需要根據發動機狀態改變的，維修間隔節點的發動機狀態表征某種發動機可靠性狀態。初始維修檢查間隔對應了1種設計點的可靠性狀態。適航規章中要求申請人通過試驗確定初始維修檢查間隔實際是要求給出1個可靠性水平不低于規章要求且維修經濟性水平較低的維修檢查的基準點。

（3）持續適航文件提到的維修檢查間隔是指初始維修檢查間隔，第N次維修檢查間隔是第N-1次執行維修檢查以及執行相應維修任務后得到的間隔。

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