CFM56-7B發動機起動機連接螺栓失效分析

馮志偉 陶慧敏

摘要：CFM56-7B發動機使用的是3505945系列起動機，裝載于波音737NG飛機。連接螺栓的頭部發生斷裂失效是3505945系列起動機的一個常見故障，該故障導致非計劃性拆機，甚至引起航班延誤。本文根據3505945系列起動機的現有結構，結合其在發動機上的使用工況，對該起動機的連接螺栓進行了失效分析，總結出相關的改進措施，以提高起動機的持續適航性。

關鍵詞：發動機；起動機；螺栓；失效分析

Keywords：engine；starter；bolt；failure analysis

1 故障現象

3505945系列起動機主要包含進氣和渦輪減速輸出兩部分，如圖1所示。卡箍將進氣管道和起動機進氣部分連接在一起；進氣部分和渦輪減速輸出部分通過連接螺栓固連成一體；渦輪減速輸出部分與發動機AGB通過安裝法蘭和卡箍固定。發動機AGB的起動機安裝法蘭上有3個定位銷（見圖2），為起動機的安裝法蘭定位，并防止轉動和徑向移動。該起動機的一個常見故障就是連接螺栓的頭部發生斷裂失效（見圖3），導致非計劃性拆機。

2 失效分析

為了便于分析，將該起動機結構外形抽象化（見圖4）。在發動機啟動時，氣流通過進氣管道進入起動機進氣部分，然后通過渦輪減速輸出部分向發動機AGB輸出扭矩，帶動靜止的發動機轉動，直到發動機啟動。

如圖4所示，3505945系列起動機通過進氣部分的定子與渦輪減速輸出部分的渦輪室徑向尺寸配合來實現兩者的徑向定位。目前構型的定子和渦輪室之間的配合處有一定的間隙t（見圖5）。由于零件尺寸有一個公差范圍，因此，其間隙t也是一個不確定值，大約為0.10mm。該系列起動機的氣流入口通道軸線與渦輪減速輸出部分軸線成90°。在發動機啟動過程中，氣流通斷時，會在進氣部分產生向下的徑向沖擊力。在渦輪減速輸出部分與發動機AGB固定的情況下，這個沖擊力會導致進氣部分相對渦輪減速輸出部分發生徑向往復位移，這個位移的大小與間隙t的大小有關。在一次啟動循環過程中，至少會出現一次由于氣流通斷沖擊而產生的徑向往復位移。同時，在發動機工作過程中，振動的存在也會導致上述往復位移。

通過連接螺栓的安裝形式（見圖6）可以發現，渦輪減速輸出部分的螺栓孔僅僅是過孔，與螺桿之間有一定的間隙。當進氣部分相對渦輪減速輸出部分發生徑向位移時，由于連接螺栓安裝后有預緊力，螺栓頭部與渦輪減速輸出部分的殼體接觸區域存在較大摩擦力，所以，此時的連接螺栓可以抽象成一個懸臂梁結構（見圖7）。

發動機啟動時產生的徑向沖擊力以及發動機工作過程中產生的振動，使進氣部分相對渦輪減速輸出部分發生徑向往復位移，在連接螺栓的螺紋端產生位移載荷。通過用ANSYS Workbench對該螺栓進行分析，這個徑向位移載荷會在懸臂梁支點處（螺栓頭部與螺桿交接處）產生最大應力，并且該應力會隨著位移載荷的增大而變大（見圖8）。在這個應力的周期性作用下，材料出現疲勞現象，使懸臂梁支點處發生疲勞斷裂，即連接螺栓頭部發生斷裂故障。

3 結論

綜上所述，CFM56-7B發動機起動機連接螺栓斷裂的根本原因是其螺紋端出現了徑向位移載荷。而徑向位移的產生，需同時具備激勵源和結構條件。激勵源主要來自兩個方面：一是進氣部分的氣流入口通道軸線與渦輪減速輸出部分軸線成90°，引氣通斷時會產生徑向沖擊力；二是發動機工作時產生的振動。3505945系列起動機的整體結構不便改動，并且發動機工作時的振動不可避免，因此產生位移載荷的激勵源無法消除，所以只能從結構條件方面來解決。結合3505945系列起動機現有結構和使用工況，可以采取以下措施：

1）使用更高強度的連接螺栓，來承受徑向位移載荷；

2）在連接螺栓所在的圓周處增加徑向定位銷，防止產生徑向位移；

3）定子和渦輪室之間使用過盈配合，消除間隙t，防止產生徑向位移。

通過對3505945系列起動機連接螺栓斷裂故障的分析，參照3505582系列起動機的結構和故障率，本文更偏向于采用消除徑向位移的措施，這樣可以更有效地解決連接螺栓斷裂的問題，進而降低由連接螺栓斷裂導致的非計劃性拆機頻率。

參考文獻

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[4]哈爾濱工業大學理論力學教研室.理論力學（Ⅰ）[M].北京：高等教育出版社，2009.

作者簡介

馮志偉，工程師，主要從事機械設計制造及其自動化研究。

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