CFM56-7B 發(fā)動機VSV 機構(gòu)磨損監(jiān)控方案研究分析

■ 鄭立春/廈門航空有限公司

0 引言

CFM56 發(fā)動機發(fā)布的技術(shù)資料顯示，世界機隊中很多因發(fā)動機故障代碼75-X040Y 排故后發(fā)現(xiàn)需要更換磨損的曲柄組件的案例。依照美西南航經(jīng)驗，此類故障根據(jù)FIM 排故會造成大量部件的更換，隔離時間長，最終才發(fā)現(xiàn)是曲柄組件磨損需要更換。曲柄組件的不可逆磨損是因為特氟龍襯套磨損丟失后金屬連桿與金屬襯套直接相磨導致。因此，有必要建立有效的監(jiān)控方案，監(jiān)控特氟龍襯套磨損情況，提前干預(yù)，防止不可逆磨損的發(fā)生。

1 原理分析

CFM56-7B 發(fā)動機可變靜子葉片（VSV）系統(tǒng)主要包括兩個VSV 作動筒、兩個曲柄組件、作動環(huán)等部件。FADEC EEC 通過顯示電子組件（DEU）從ADIRU 獲 得TAT、PT 和P0，從 發(fā)動機傳感器獲得發(fā)動機數(shù)據(jù)，利用這些數(shù)據(jù)來計算VSV 的指令位置。發(fā)動機電子控制器（EEC）發(fā)送指令給液壓機械裝置（HMU），HMU 將伺服燃油送至兩個VSV 作動筒，兩個作動筒分別連接兩個曲柄組件，作動筒和曲柄組件通過4 個作動環(huán)驅(qū)動VSV。每個作動筒有一個LVDT，分別將作動筒的位置信號反饋給EEC 的A 和B 通道，在EEC內(nèi)部實現(xiàn)交輸共享。

根據(jù)波音FIM75-31TASK804，當VSV 的A/B 通道位置反饋信號絕對差值大于0.3in 時（大約相當于LVDT 差值大于3.8），將觸發(fā)VSV 位置信號不一致代碼75-X040Y（X代表A/B 通道，Y 代表發(fā)動機位置），可能涉及的故障部件有VSV作動器、J9線束、J10 線 束、EEC、VSV 作動系統(tǒng)本身機構(gòu)等。

根據(jù)廈航的維護經(jīng)驗，拆下VSV 作動筒檢查曲柄連桿，發(fā)現(xiàn)曲柄連桿均輕微晃動，一旦磨損程度加重，可能導致VSV 曲柄連桿斷裂、防喘功能紊亂、發(fā)動機參數(shù)波動，甚至喘振導致空停。此外，磨損程度嚴重的VSV 桿端有少量金屬碎屑，不斷灑落的金屬碎屑也會損傷作動器的鏡面光桿，機械系統(tǒng)如進一步磨損或卡滯也很危險。參考CFM WTT 會議材料，世界機隊已經(jīng)出現(xiàn)VSV 曲柄連桿斷裂故障（見圖1）。

圖1 VSV曲柄連桿磨損斷裂情況

2 監(jiān)控方案的討論

2.1 方案提出

日常航線維護中，可通過手搖泵人工作動VSV 作動筒，目視對比兩側(cè)VSV作動器桿端伸長量和作動時間差，間接確認曲柄機構(gòu)是否存在磨損。兩側(cè)作動器分別給EEC 提供VSV 系統(tǒng)的A 和B通道的位置反饋信號，受此啟發(fā)，對正常和故障飛機的譯碼數(shù)據(jù)進行對比研究。正常飛機VSV 的A 通道和B 通道反饋的位置數(shù)值基本一致（見圖2），而存在機構(gòu)磨損的飛機（已通過排故確認磨損存在），這兩個通道的數(shù)值存在明顯差異，并且磨損通道的極值較大（見圖3）。因此，可以合理地解釋為當VSV 朝開位或關(guān)位運動時，有空行程的作動筒可以伸得更長或縮得更短，與打壓作動的情況類似。此外，可以合理推斷差值越大存在的空行程也越大，即磨損量越大，當差值足夠大時就會觸發(fā)兩個通道不一致的代碼。

圖2 正常飛機兩個VSV通道數(shù)值基本一致

圖3 故障飛機兩側(cè)VSV通道數(shù)值存在明顯差異

2.2 方案可行性論證

QAR 數(shù)據(jù)中VSV 的A、B 通道的數(shù)值分別對應(yīng)左右兩側(cè)VSV 作動器LVDT的移動情況，正常情況下兩側(cè)VSV 作動是一致的。當某個VSV 作動機構(gòu)出現(xiàn)磨損，即出現(xiàn)了空行程時，左右VSV 移動的行程出現(xiàn)差異，QAR 數(shù)據(jù)中顯示的A、B 通道的差值就會擴大。因此，通過監(jiān)控VSV 的A、B 通道差值來對機構(gòu)的磨損量進行監(jiān)控，在理論上是可行的。要建立監(jiān)控方案，需要獲取表征磨損量的參數(shù)并確定磨損量參數(shù)與磨損程度的對應(yīng)關(guān)系。

設(shè)計方案如下：計算航段中特定時間段內(nèi)兩個通道的平均差值，該差值實際上表征空行程的大小，而空行程與磨損量直接相關(guān)。因此，選擇平均差值作為表征磨損量的參數(shù)，簡稱 W，通過分析VSV 的作動規(guī)律，將W 的提取時間段定義為發(fā)動機慢車穩(wěn)定到關(guān)車階段VSV 作動器A、B 兩個通道的平均差值的絕對值，則W值越大，表明磨損量越大。

圖4、圖5 分別列出了兩架飛機雙發(fā)的W 值，該參數(shù)很好地表征了航段內(nèi)兩個通道數(shù)值的差異程度。

圖4 W值表征雙通道差值案例1

圖5 W值表征雙通道差值案例2

3 監(jiān)控方案的建立與實施

通過上述的分析研究，磨損量提取邏輯設(shè)立為航段中發(fā)動機慢車穩(wěn)定到關(guān)車階段兩個通道的平均差值W，以W值作為表征磨損量的參數(shù)，建立以磨損參數(shù)W 為核心的監(jiān)控方案，根據(jù)案例的驗證確定W 的預(yù)警值，該預(yù)警值設(shè)立在剛剛磨損到特氟龍襯套時，達到該預(yù)警值后應(yīng)對特氟龍襯套磨損情況進行檢查并更換，以防止機械連桿機構(gòu)進一步磨損。

為了驗證上述方案的可行性，選取一架飛機的歷史QAR 數(shù)據(jù)進行譯碼分析，從2020 年8 月至2021 年3 月間選取兩個時間點來對比該飛機W 值的發(fā)展趨勢，表1 列出了該機雙發(fā)在這兩個時間點的W 值變化情況，圖6 展示了W 值在上述時間段內(nèi)的變化趨勢。

表1 兩個時間點的W值

圖6 W值的發(fā)展趨勢

由此得到兩個信息：

1）2020 年12 月后，左發(fā)W 值的離散程度和數(shù)值有所減小，但是減小幅度有限，查詢維修記錄發(fā)現(xiàn)當時左發(fā)更換了已經(jīng)磨損的金屬襯套，但未安裝特氟龍襯套。

2）右發(fā)W 值有逐漸變大的趨勢，意味著磨損量正逐漸增加，據(jù)此推測其特氟龍襯套很可能已經(jīng)受損。后續(xù)的排故工作也驗證了推測的準確性。

廈航機隊中另一架飛機左發(fā)觸發(fā)了VSV 位置信號不一致代碼，譯碼發(fā)現(xiàn)當時W 值約為2，排故檢查主連桿有擴孔，金屬襯套磨損，特氟龍襯套不在位。更換金屬和特氟龍襯套后W 值明顯下降至0.5 左右，如圖7 所示。

圖7 更換金屬和特氟龍襯套前后W值的變化情況

4 結(jié)束語

復(fù)雜的應(yīng)力沖擊導致右側(cè)VSV 曲柄機構(gòu)主連桿處特氟龍襯套更容易磨損/碎裂丟失，該襯套丟失后將使主連桿與套筒（bushing）直接相磨，造成主連桿擴孔，累積的空行程達到一定程度后將觸發(fā)VSV 位置信號不一致代碼。主連桿磨損如果過于嚴重，即使更換襯套和套筒，代碼也可能在短時間內(nèi)重現(xiàn)，只能下發(fā)修復(fù)。同時，主連桿磨損嚴重可能存在斷裂風險，造成發(fā)動機推力失控。歷史案例表明，當前維修方案對該處磨損的檢查并不可靠，而代碼存在滯后性，意味著觸發(fā)代碼時主連桿多數(shù)已經(jīng)受損。而譯碼數(shù)據(jù)可以較好地甄別不同的VSV 系統(tǒng)故障，可以根據(jù)兩個通道的交錯差異值來推測磨損所處階段，即特氟龍襯套一旦磨損即采取排故措施。綜上所述，提出了用譯碼數(shù)據(jù)推測磨損程度的預(yù)防性維修設(shè)想。