PW4000 發動機角齒輪箱支撐銷及襯套脫出的工程預防措施

■ 趙南/北京飛機維修工程有限公司

0 引言

對在航線維護和基地維護的發動機而言，故障能否快速在翼排除將直接影響到飛機的航班計劃。PW4000 發動機角齒輪箱支撐銷及襯套脫出故障可以在翼排除，但需要更換整個角齒輪箱單元體，更換工作量大，且更換的前提是角齒輪箱單元體有備件。如果沒有備件，只能從其他的PW4000 發動機上串件或者直接換發，將對飛機的航班計劃產生非常不利影響。本文重點分析了PW4000 發動機角齒輪箱支撐銷及襯套脫出故障的原因，給出了詳細的排故步驟及依據，在最大限度避免該故障發生的同時建立了快速處置預案，以便在故障發生后快速響應，以最短的時間排除故障。

1 角齒輪箱單元體的作用及固定方式

PW4000 發動機共有11 個單元體，角齒輪箱是其中的一個單元體，主要作用是改變力的傳動角度。高壓壓氣機前轂通過傘齒輪組將水平方向的力傳遞給垂直方向的塔形軸，塔形軸驅動角齒輪箱，角齒輪箱驅動水平方向的齒輪箱驅動軸，達到利用高壓軸的力來驅動主齒輪箱的目的。角齒輪箱的作用是將垂直角度的力轉換為水平角度。

如圖1 所示，角齒輪箱安裝在中介機匣的六點位，由前方和后方兩個支撐點固定。前方通過殼體兩側的凸臺與中介機匣相連，后方通過齒輪箱驅動軸與主齒輪箱相連。角齒輪箱與齒輪箱驅動軸之間通過安裝邊螺栓的形式固定，內部還有相互嚙合的花鍵，此處的連接十分牢固。相比之下，前方支撐點的牢固程度就要弱一些。

圖1 角齒輪箱單元體位置示意圖

如圖2 所示，角齒輪箱與中介機匣的連接處共包含三個部分，即角齒輪箱殼體、起中間連接作用的吊耳（見圖3）和中介機匣。角齒輪箱殼體的兩側各有一個帶孔的凸臺，凸臺的孔中裝有襯套和支撐銷，支撐銷具有一定的伸長量（見圖4）。吊耳的孔中同樣裝有襯套。安裝角齒輪箱到中介機匣的過程是先將支撐銷伸出殼體的部分插入吊耳的孔中，再用螺栓將吊耳安裝到中介機匣上?？梢孕蜗蟮孛枋鰹椋驱X輪箱通過兩個吊耳掛在中介機匣上。此處共有兩個連接點：一是吊耳通過螺栓安裝到中介機匣上，固定方式可靠；二是角齒輪箱殼體與吊耳的連接，是角齒輪箱固定在發動機上的薄弱環節，故障就發生在此處。

圖2 角齒輪箱單元體

圖3 吊耳

圖4 角齒輪箱殼體凸臺、襯套和支撐銷

2 故障原因分析

根據客戶化的持續適航維修方案（Continuous Airworthiness Maintenance Program），按照一定的檢查間隔對角齒輪箱殼體進行重復性檢查。飛機維護手冊給出了檢查的具體條目及標準，其中支撐銷和襯套脫出是最為常見的故障形式（見圖5、圖6）。

圖5 左側為正常的支撐銷，右側為脫出的支撐銷

圖6 襯套脫出

按照手冊要求，殼體兩側凸臺內的支撐銷應與吊耳表面平齊，不應有向外的軸向位移，即脫出跡象。若發現支撐銷凸出吊耳表面，如果凸出距離小于3.175mm，維持原有的重檢間隔；如果凸出距離大于3.175mm 而小于6.35mm，則每25 循環重檢；如果凸出距離大于6.35mm，則立即更換角齒輪箱。同時對殼體兩側凸臺內的襯套以及兩個吊耳的襯套進行檢查，襯套應緊密貼合在凸臺及吊耳表面，不應有間隙，若有脫出跡象，可以保留故障至下次發動機大修時進行修復。

從大量的航線排故實例來看，如果能夠目視看出支撐銷脫出，經測量，位移肯定大于3.175mm，就需要執行每25 循環的重復檢查，不僅影響飛機的利用率，還會造成航線工作量的增加，而且后續肯定要更換角齒輪箱。若是大于6.35mm，則必須立即更換角齒輪箱。而且襯套脫出基本上都伴隨支撐銷的脫出。

支撐銷和襯套容易發生脫出故障的主要原因如下。

1）角齒輪箱主要負責改變力的傳動角度，工作過程中容易發生振動，使連接處發生松動；

2）角齒輪箱殼體為鑄鋁件，重量輕但結構強度弱，可修性差，為避免因應力集中的連接處損傷導致整個殼體報廢，將實際與吊耳發生接觸的部分設計為單獨的零件，即支撐銷和襯套與角齒輪箱殼體不是一體，而是依靠熱脹冷縮產生過盈配合維持緊固力。此設計導致支撐銷和襯套之間以及襯套和殼體之間的緊固力不強，在連接的可靠性上明顯不如單一零件或是通過緊固件緊固方式連接的零件，在長時間振動環境下工作后容易發生松動并脫出。

3 預防性工程措施

從以上分析可以得出，PW4000 發動機角齒輪箱自身的結構和安裝方式決定了支撐銷及襯套脫出的情況很難避免，發動機維護手冊也給出了相應的檢查要求，在安裝時還設計了保險措施。

針對殼體兩側凸臺內襯套和吊耳襯套的位移，手冊中有明確的位移量檢查要求，超過位移極限值就要求更換襯套。針對殼體兩側凸臺內的支撐銷，手冊中有明確的外徑檢查要求，超過外徑極限值就要求更換支撐銷。以上檢查要求可以發現襯套位移故障，但是對于支撐銷位移故障，僅僅檢查外徑是不夠的。由于支撐銷與殼體之間是通過緊配合實現連接，如果兩者的緊固力不強，不需要表面發生明顯磨損就可能已經脫出。實際上，絕大部分支撐銷脫出的案例中，支撐銷的外徑均符合手冊要求。某次維修過程中，支撐銷外徑沒有明顯磨損但已經脫出，而手冊僅要求檢查支撐銷外徑，沒有支撐銷位移的相關檢查要求。如果在這種情況下對于脫出的支撐銷不執行更換工作，就錯過了一次發現問題和解決故障的機會。

有一種解決方案，是在安裝角齒輪箱時，將一個止擋條擰在吊耳的螺紋孔中，止擋條擋住了支撐銷發生位移的方向，可起到防止支撐銷脫出的作用。但在很多故障實例中，發現止擋條已經被脫出的支撐銷頂彎，并沒有發揮預期作用，這種情況往往是因止擋條本身強度不夠造成的（見圖7）。

圖7 支撐銷與止擋條的狀態

因此有必要制定新的工程預防措施，避免大修后的發動機帶著襯套脫出和支撐銷脫出故障出廠。

預防性工程措施應包括兩個方面，一是此次進廠的角齒輪箱不從發動機上拆下，二是角齒輪箱從發動機上拆下并分解（一般不存在角齒輪箱從發動機上拆下且不分解的情況）。

針對第一種情況，在發動機進廠檢查階段，即按照航線的檢查要求，檢查角齒輪箱支撐銷和襯套是否脫出。一旦發現脫出，即報告客戶擴大工作包范圍，將角齒輪箱單元體和吊耳拆下并分解，更換襯套和支撐銷為新件。經測算，從發動機上拆下角齒輪箱、分解角齒輪箱、零件檢查并更換脫出的襯套和銷釘、組裝角齒輪箱到將角齒輪箱安裝到發動機上，共需要工時28h，完全可以包含在發動機的維修周期中。

針對第二種情況，可將更換角齒輪箱殼體支撐銷和襯套以及吊耳襯套作為例行工作，即無論支撐銷和襯套是否有位移，均更換為新件，目的是確保將殼體與襯套和支撐銷與襯套之間的緊度恢復至最佳狀態。經測算，器材費用約為2000 美元，工時為9h。而一臺PW4000發動機大修級別維護費用在數百萬美元量級，工時約10000h。由此可見，此預防性維修措施產生的額外花費可忽略不計，但是得到的收益卻十分可觀，可以最大程度地避免航線運營期間發生該故障導致飛機停場維修的情況。

4 快速處置預案

以上所述的預防性工程措施是利用發動機進廠維護的時機將故障點排除，最大程度地避免在航線上發生該故障。但該故障屬于PW4000 發動機角齒輪箱的結構設計問題，不可能完全避免，因此還應考慮航線發生故障時的快速處置預案。

航線上發現該故障后的處置流程為：在翼拆下角齒輪箱→在大修車間分解角齒輪箱→零件檢查并更換脫出的襯套和銷釘→組裝角齒輪箱→在翼安裝角齒輪箱→執行相應的在翼試車項目。以上工作中，在翼拆裝角齒輪箱和在翼試車是無法節省時間的，唯一可以優化的環節是在大修車間執行恢復角齒輪箱的工作。優化的方法是提前做好更換角齒輪箱的航材備件準備，將處置流程簡化為：在翼拆下故障角齒輪箱→在翼安裝備用角齒輪箱→在翼試車。經測算，在翼拆裝角齒輪箱共需要8h；分解角齒輪箱、零件檢查并更換脫出的襯套和銷釘、組裝角齒輪箱，共需要21h。在做好航材備件的情況下，可明顯縮短排故時間，最大限度的降低故障對飛機航班計劃的影響。

同時，將拆下的故障角齒輪箱盡快送到大修車間完成修理、測試和放行，成為可用的航材備件。除準備好備用角齒輪箱外，還應準備好排故所需的工具工裝、兩套排故所需的所有消耗器材（消耗器材易損壞，故準備兩套）以及所有工卡，以便航線維護中出現該故障時啟動快速處置預案，最大程度地縮短排故時間。

在與某航空公司進行的長期維修合作中，建立的快速處置預案能夠高效完成排故工作，沒有造成過航班的延誤和取消。

5 總結

PW4000 發動機角齒輪箱支撐銷及襯套脫出故障主要是由角齒輪箱的結構和安裝方式所決定?；诎l動機維護手冊的檢查要求，并不能很好地發現并排除該故障。因此提出了比現有手冊更為全面的預防性工程措施，并建立了該故障的快速處置預案。采用新的工程預防措施，能夠確保經大修車間維修的角齒輪箱殼體支撐銷和襯套都處于最佳的緊固狀態，最大程度地降低因緊固力不夠，在使用過程中發生支撐銷和襯套脫出的風險，確保了發動機的安全運行。同時，通過建立的航線快速反應處置預案，能夠在最短的時間內完成在翼排故，保障機隊的正常運營。