CFM56發動機氣動起動機維修研究

方蕾

摘要：基于氣動起動機零件的可靠度威布爾分布特點來制定維修策略，為提高使用可靠性、消除和控制不可接受安全狀況以及降低維修成本提出維護措施和建議。本文可為起動機修理和航線的起動機維護提供一定參考和思路。

關鍵詞：可靠性；威布爾分布；起動機；維修

Keywords：reliability；Weibull distribution；starter；maintenance

0 引言

航空渦輪發動機起動機（ATS）有多種起動方式，用氣源代替電源來起動發動機成為現在所有高涵道比發動機的起動方式。CFM56和V2500發動機使用的三種空氣渦輪起動機的結構和傳動方式相同，其中，CFM56-7搭載的3505945系列起動機雖然比CFM56-5和V2500的兩款起動機晚十年面世，但霍尼韋爾在其經濟壽命設計上幾乎達到了極致，導致其使用可靠性在同類中最低。同時，由于該型起動機輸出軸蓋具有輸油孔與輔助齒輪箱AGB滑油連通共享滑油的獨特設計，當起動機發生漏油故障時會引起大發滑油通過起動機泄漏，嚴重時引起大發滑油量低告警甚至導致空停。另外，某些故障也會引發起動失效而造成航班運行中斷等延誤及惡性延誤情況，這些問題已引起航空營運人的高度關注。

1 起動機組成和起動原理

氣動起動機（見圖1）由三部分構成，即齒輪組件、擴散體和進氣道。起動機安裝在發動機風扇后五點半方向位置，利用輔助動力裝置（APU）或地面高壓氣源車的空氣壓力帶動自身轉動，再經過發動機的附件齒輪箱和傳輸齒輪箱帶動發動機N2轉子加速；當轉速增加到55%時，起動控制活門關閉氣源，起動過程結束，起動機與發動機脫開；發動機轉速繼續增加到59%后，發動機進入慢車位的穩定工作。

對CFM56-7而言，發動機旋轉時，起動機從輔助齒輪箱（AGB）獲得持續的滑油來冷卻和潤滑離合器、軸承和齒輪。反之，滑油回流AGB，少量滑油留在起動機內。

2 可靠性模型

在部件維修可靠性分析中，衡量飛機部件性能狀況的重要指標是可靠度及累積失效概率（不可靠度）。一般情況下，可靠性分析建立在大量故障數據樣本的基礎上，主要分析工具是概率論與數理統計。借助于計算機技術的發展，可以用輔助軟件對采集到的使用數據進行分析，將維修數據和故障數據輸入軟件，進行數據統計分布計算后找到這些數據屬于哪種分布，獲得可靠性參數的模型。建模分析的軟件很多，常用的有MATLAB、Weibull++、SAS等。

根據研究理論，空氣渦輪起動機零件的每個故障方式均可由一個威布爾分布表示，整個起動機的可靠性分布則由各零件的分布綜合而成。威布爾分布函數如下。

其中，R為可靠度，t為工作時間，η為特性值，k為威布爾形狀參數，γ為位置參數。k、η、γ是威布爾分布的三個基本參數。形狀參數描述分布的形狀并顯示總體中固有的問題類型；特性值η是63.2%的總體壽命；位置參數γ僅用于當產品的壽命以某些指定的工作小時數開始時，如與疲勞相關的數據，而當壽命起始點為零時則不用，此時也叫做雙參數威布爾分布。雙參數的分布在維修領域應用很廣泛，使用相關參數進行分析也非常方便。

根據研究理論，機件不同的形狀參數表現為不同的故障類型：當k<1.0時，故障類型屬于早期失效，且失效率遞減；當k=1.0時，故障類型屬隨機失效，失效率是個常數；當1.04.0時，故障類型屬快速損耗。

通常，確定起動機和零件的壽命分布類型的工作完成后，再根據分布情況計算可靠性參數或故障率或可靠度曲線，進一步做相應的可靠性的分析。此外，通過工程調查和計算得到的可靠性參數或故障率曲線也是實際維修工程工作制定維修計劃和措施中不可缺少的依據。

3 零件的可靠性分布及維修方式

固有可靠性需要基于起動機的設計，而使用可靠性則離不開人員、設備、環境、工藝等不同方面的影響和配合。在具體研究中，借助合適的數學分析工具建立與故障類型匹配的模型，通過定性或者定量的分析來預測部件的使用可靠性趨勢、確定故障類型應該采取的維修方法，可以有效地控制起動機及其零件運行可能產生風險的環節，從而提高起動機的使用可靠性。

統計分析某航空公司某型起動機中故障表現較為明顯的零件，其可靠度參數如表1所示，可靠性分布如圖2所示。

根據雙參數威布爾分布的物理意義，當形狀參數k值介于1和4之間時，故障類型屬于早期耗損類型，故障率也會因為時間的延長而升高，提高該階段的使用可靠性可以采用優化預定性維修計劃的辦法。

根據表1，齒輪屬于雙參數威布爾分布形狀參數在1和4之間的情況，可以根據備件庫存等實際情況，在可靠度達到某個可接受概率時，確定出硬時限大修時間；對于參數等于1的離合器，壽命區域（正常工作）屬于偶然失效；軸承有兩種故障方式，形狀參數在1.5和2.0時，疲勞或磨損是隨時間產生不同概率的故障表現；軸承則表現為早期致命破壞的第二種故障方式，形狀參數為0.5，這是因為僅統計抽樣檢驗的軸承，導致一些尺寸或制造誤差的零件進入起動機的組件，產生了一定程度的風險。

起動機的可靠性是單個零件可靠性的乘積。由于各種零件的威布爾形狀參數不相等，因此起動機的可靠性不符合威布爾分布，擬合曲線如圖2中虛線①所示。理論計算的某起動機的平均故障間隔時間是19380次起動循環，符合其63.2%可靠度的特性參數，在此之前，軸承和齒輪的疲勞故障方式對起動機的可靠性無顯著影響。從圖2虛線①可靠性分布可以看出，起動機整機屬于早期故障，故障率初期較高，隨時間的增加而遞減，浴盆曲線的早期階段明顯，所以在硬時限大修之前宜采用狀態監控的方式。

4 故障形式分析和維修對策

4.1 故障形式分析

從某航可靠性系統調取近兩年ATS拆下數據，拆換原因統計分布如圖3所示，分別為：孔探發現葉片油跡（26%），孔探葉片缺陷（22%），起動機有油跡（漏油）（17%），磁堵有金屬屑（13%），螺桿斷裂（9%），起動失效（4%），孔探法蘭有劃痕（4%）。

起動機的主要故障形式是漏油和起動失效，而運行中拆換的原因和故障形式多與這兩種故障相關。例如，磁堵檢查金屬屑、孔探葉片有缺陷和螺桿斷裂說明某些零件產生了故障，將導致起動機無法正常運轉，從而導致起動失效。AMM中關于漏油的檢查，一是檢查排氣口殼體上油濕的區域是否形成油滴并滴落，如果沒形成滴落則無需采取措施，二是檢查磁堵及安裝處是否有滲漏。在CFM56-7的起動機維護中，為了提前發現故障，避免航班運行中斷，會使用孔探的檢查方法進行狀態監控。這些檢查標準高于手冊要求，但能有效地將不可接受的故障控制在一定水平，效果明顯，例如，拆下發現油跡的孔探葉片有利于及時發現渦輪軸動靜封嚴的缺陷。

圖3中，在翼孔探檢查葉片是否有漏油故障的跡象以及葉片和擴散體法蘭劃痕是否有缺陷和異常的比例合計占52%，表明在起動機維修中采用狀態監控的比例相比硬時限維修和視情維修要高。起動機在硬時限大修之前采用狀態監控的方式可較好預防航班因起動機故障運行中斷的情況。

4.2 維修對策

ATS修理中需要更換和修理的零件可以分為三種。第一種是手冊分解章節中推薦的更換件，如滾柱軸承、碳封嚴等二十多項；第二種是檢查后不合格需更換或修理的部件，如齒輪、軸承、靜封嚴、渦輪等十幾項；第三種是可以進行深度修理甚至超規范修理的部件，如擴散體、進氣罩、渦輪轉子等。

1）手冊分解章節有推薦更換件分析。該章節CMM手冊里包括推薦更換的航材清單，同時有一句注意事項“In-service experience can be used for actual replacement of parts”，這句話包含兩層意思。一層意思是指該零件使用后的狀態，需要通過工程評估來判定零件狀態是否已達到需要更換的標準。對于基于經驗維修的MRO而言有一定的評估難度，這是因為MRO可能無法獲知OEM的設計余量，但并不意味著這條路是關閉的。例如，PN：3502858-1軸承在INSPECTION（檢測）章節有送原廠檢查的建議，由于軸承常見的兩種故障方式是疲勞和早期致命性故障，故障分布符合威布爾曲線，使用一段時間后已排除了早期致命性故障，而針對疲勞故障，可以通過理論設計循環壽命并借助一定的經驗數據來建立該件號軸承的可接受循環壽命。另一層意思是指維修人員的經驗，該人員對更換件的判斷應基于該件的可接受程度，對適航而言該程度最好是有證據表明或能量化的。

2）檢查后不合格件分析。這部分的更換主要在于檢測手段以及零件功能的可達性檢查。例如，零件號為3507015-1的密封盤（ROTOR OF SEAL），該密封轉子如果僅按照手冊做磁粉探傷檢查遠遠不夠。該件與渦輪轉子軸肩配合實現滑油腔的靜密封。起動機使用后傳動系出現松動會導致此處密封失效，產生漏油；如修理后此處安裝和檢測不到位，使用時也會出現漏油現象。因此，該靜密封需要通過氣密性測試和平面平晶的平面度檢查來確保密封功能的可達性。與之配合的渦輪軸密封肩的檢查也十分重要，手冊中要求該處與軸承安裝面的垂直度為0.0002in，并要求表面粗糙度為62μin，屬于機械加工配合面的精度。該位置與密封盤的密封配合檢查如果等待起動機完全組裝完后再進行整機測試顯然不經濟，可以考慮增加氣密性檢查作為密封功能可達性的檢查，避免后續因漏油而返工。

3）貴重件深度修理分析。在限制PMA件使用的情況下，零件深度修理的開展程度將大大拉開整機的維修成本，影響使用可靠性。超規范修理的使用也會進一步加劇這種趨勢。例如，行星齒輪（PN：3507463-1）執行SB80-1709后要求整套更換，價格非常昂貴，該套行星齒輪的深度修理從相關航空齒輪翻修工藝和理論上看存在一定的可行性，但原廠設計資料中缺乏對硬化層深度和加工余量的說明，必須深入研究翻修工藝，才能降低維修成本，更好地確保傳動系的平穩性。

5 結束語

起動機的運行健康狀況對航班正點到達的影響較大，發生起動失效也容易造成運行中斷而導致航班延誤。本文從起動機的零件和組件的可靠度分布特點出發制定維修策略，為提高使用起動機的可靠性，消除運行中斷導致的航班延誤，控制不可接受安全狀況以及降低維修成本提出維護措施和建議。