航空發(fā)動機持續(xù)適航文件中的維修間隔研究

王 偉，劉 帥，白 杰

（中國民航大學(xué) 航空工程學(xué)院，天津300300）

0 引言

航空發(fā)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(fā)動機的適航狀態(tài)，本質(zhì)是對航空發(fā)動機進行適航性控制的過程[1]。持續(xù)適航管理是航空發(fā)動機適航管理的一部分，依靠持續(xù)適航文件對其適航性進行控制。持續(xù)適航文件是用以在航空產(chǎn)品投入使用后，指導(dǎo)運營方正確地使用和維修航空產(chǎn)品，并保持其固有設(shè)計水平和可靠性[1]，是發(fā)動機保證其可靠性水平的重要文件，是發(fā)動機型號合格審定的一部分；同時該文件也是制定發(fā)動機維修方案的依據(jù)，構(gòu)成了基本維修大綱[2]。

航空發(fā)動機持續(xù)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(xù)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(lǐng)域討論比較激烈的問題。根據(jù)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(jīng)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(shù)學(xué)模型，導(dǎo)出間隔的函數(shù)關(guān)系，最終根據(jù)關(guān)系式得到維修間隔；試驗和經(jīng)驗法分別通過發(fā)動機試車試驗和以往機型的使用經(jīng)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(jīng)驗法的基礎(chǔ)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(fā)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(guī)要求發(fā)動機制造商給出并在持續(xù)適航文件中標(biāo)明的。維修手冊在持續(xù)適航文件的基礎(chǔ)上編輯而來，維修間隔在文件中和維修手冊中的關(guān)系和差異尚有待分析研究，對其本質(zhì)的認識也有待深化。

本文對持續(xù)適航文件中維修的概念進行分析，重點從發(fā)動機適航條款的角度對持續(xù)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(guān)系，并分析其本質(zhì)，為航空發(fā)動機實際維修管理提供理論指導(dǎo)。

1 持續(xù)適航文件的維修要求

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

1.1 持續(xù)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(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的維修定義為把產(chǎn)品保持在使用及運用狀態(tài)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(shè)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(yù)防性維修，預(yù)防性維修是指簡單的或輕微的防腐(保養(yǎng))操作和更換少量標(biāo)準(zhǔn)件非復(fù)雜組件的操作[10]。

在不同規(guī)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(fù)正常[6]。發(fā)動機維修的字面含義包括對沒有損壞的發(fā)動機及其零部件進行維護操作和對損壞的發(fā)動機及其零部件進行修理操作。實際上，對發(fā)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(cè)重點不同。發(fā)動機維修分為修復(fù)性與預(yù)防性維修，其中修復(fù)性維修是指發(fā)動機發(fā)生故障后使其恢復(fù)到規(guī)定狀態(tài)所進行的全部活動；預(yù)防性維修通過對發(fā)動機進行系統(tǒng)性檢查和定期更換以防止功能故障發(fā)生，使其保持在規(guī)定狀態(tài)所進行的全部活動[11]。FAR43對維修的定義中沒有區(qū)分預(yù)防性維修的概念是由于其適用范圍主要針對發(fā)動機整機、單元體或零部件即將到壽或已經(jīng)失效的狀態(tài)。對于已經(jīng)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(yù)防性維修沒有意義。FAR1區(qū)分修復(fù)性和預(yù)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(fā)動機的維修存在恢復(fù)和保持，防止故障發(fā)生的工作。持續(xù)適航文件用于航空發(fā)動機使用階段，其中維修是指包括預(yù)防性維修在內(nèi)的檢查、翻修、修理和更換零件的操作。

1.2 持續(xù)適航文件的維修分析

持續(xù)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(xiàn)象，包括目視、詳細和特殊詳細檢查[8]；（2）翻修的目的是恢復(fù)發(fā)動機的使用壽命或適航狀態(tài)[12]，一般針對發(fā)動機整機而言，通常根據(jù)監(jiān)控運行中的參數(shù)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(guī)定限制范圍內(nèi)繼續(xù)使用的工作[9]，即恢復(fù)偏離可用狀態(tài)的部件；（4）更換零件一般針對發(fā)動機限壽件和航線可更換件（LRU）；（5）預(yù)防性維修是指對發(fā)動機及其零部件進行簡單的保養(yǎng)和更換少量標(biāo)準(zhǔn)件，目的是為了防止發(fā)動機或其零部件失效。

1.3 發(fā)動機維修手冊中的維修要求分析

FAR33.4要求制定發(fā)動機持續(xù)適航文件，其中包含發(fā)動機維護和翻修手冊。發(fā)動機營運方根據(jù)文件并在其基礎(chǔ)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(fā)動機的維修任務(wù)進行規(guī)定。

持續(xù)適航文件中的發(fā)動機維護、翻修手冊是針對發(fā)動機持續(xù)適航的最低要求，發(fā)動機營運方編制的發(fā)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(fù)到可用狀態(tài)。維修性設(shè)計理念是為使發(fā)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?？蛇M行修理維修的零部件需按照手冊對其進行相應(yīng)修理，零部件包括壓氣機葉片、渦輪葉片、燃燒室和發(fā)動機附件等。修理技術(shù)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(fù)、后處理（擠壓強化或噴丸強化技術(shù)）。隨著修理技術(shù)的發(fā)展，對發(fā)動機零部件的修理正在向自動化修理的方向發(fā)展[13-14]。

維修手冊更側(cè)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(guān)內(nèi)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(zhí)行不同維修任務(wù)，此外對維修間隔沒有描述。

1.4 發(fā)動機維修任務(wù)分析

文件體現(xiàn)了發(fā)動機適航規(guī)章對于保證發(fā)動機可靠性的最低標(biāo)準(zhǔn)。FAR33部規(guī)章對維修類型沒有做出明確規(guī)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(xù)適航文件中的維修間隔，且維修檢查任務(wù)是手冊中定期維修任務(wù)的主要部分。通過檢查可以發(fā)現(xiàn)零部件的損傷，判斷發(fā)動機的狀態(tài)，確定維修任務(wù)，即依據(jù)狀態(tài)給定維修深度。不同的間隔會導(dǎo)致維修深度（維修任務(wù)）的差異，所以維修間隔是發(fā)動機維修的核心內(nèi)容，在發(fā)動機適航規(guī)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(xù)適航文件的維修間隔分析

航空發(fā)動機有上萬個零部件，持續(xù)適航文件不會一一列出每個零部件的維修任務(wù)；維修間隔是維修任務(wù)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(zhì)，首先對持續(xù)適航文件列出維修任務(wù)的零部件進行分析，然后研究其維修間隔以剖析本質(zhì)。

2.1 關(guān)鍵件、重要件的確定

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

并不是每個發(fā)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(nèi)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(fā)動機的可靠性水平，如防喘系統(tǒng)失效。依據(jù)FAR33.75條款提出重要性和危害性后果，將發(fā)動機零部件分為關(guān)鍵件、重要件和一般件，其中關(guān)鍵件、重要件的失效會導(dǎo)致發(fā)動機重要性或危害性后果。

重要性和危害性發(fā)動機后果的界定如下[15]。

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

（2）危害性后果包括非包容的高能碎片；客艙用發(fā)動機引氣中有毒物質(zhì)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(fā)動機安裝系統(tǒng)失效，導(dǎo)致非故意的發(fā)動機脫開；由發(fā)動機引起的螺旋槳脫開；完全失去發(fā)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(guān)鍵件和重要件失效會對航空發(fā)動機的運行產(chǎn)生重要影響，所以持續(xù)適航文件對發(fā)動機的維修在很大程度上是指對發(fā)動機關(guān)鍵件和重要件的維修。

2.2 關(guān)鍵件、重要件維修間隔

持續(xù)適航文件中的發(fā)動機維修更多是針對關(guān)鍵件和重要件的，所以討論持續(xù)適航文件中的維修間隔也針對關(guān)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(tài)會不斷退化，當(dāng)超過一定數(shù)值時（失效閾值），零部件已無法完成規(guī)定的任務(wù)，判斷為失效[16]。為了避免失效，需要對發(fā)動機進行維修檢查以防止出現(xiàn)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(jié)點上通過檢查判斷發(fā)動機狀態(tài)，確定維修任務(wù)。

2.2.1 初始維修檢查間隔

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

FAR33部規(guī)章要求申請人通過試驗給出初始維修檢查間隔，對應(yīng)的咨詢通告給出了試驗的指導(dǎo)材料。初始維修檢查試驗旨在對發(fā)動機的實際工作狀態(tài)進行模擬，使發(fā)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(fā)動機的性能狀態(tài)，從而找到某一狀態(tài)點（此狀態(tài)點在持續(xù)適航文件的適航性限制章節(jié)給出的限制范圍內(nèi)），并進行維修檢查，既可以有效的保證發(fā)動機的固有可靠性水平又可以降低經(jīng)濟成本。

所以規(guī)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(zhǔn)點，其對應(yīng)的發(fā)動機性能狀態(tài)既不會使發(fā)動機出現(xiàn)危害性或重要性后果；同時避免在未出現(xiàn)明顯性能衰退時進行檢查產(chǎn)生不必要的經(jīng)濟花費。

本文定義初始維修檢查節(jié)點對應(yīng)的發(fā)動機性能狀態(tài)為設(shè)計點維修檢查閾值。

2.2.2 維修檢查間隔

持續(xù)適航文件要求發(fā)動機型號合格證申請人給出發(fā)動機定期維護資料[15]，其中包含了對發(fā)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(shù)或循環(huán)數(shù)，所以不同于初始維修檢查間隔。

持續(xù)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(jié)點對發(fā)動機進行維修檢查是監(jiān)控零部件。如果發(fā)現(xiàn)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(jù)檢查判斷零部件以及相關(guān)系統(tǒng)的狀態(tài)確定下次檢查間隔。

因此，在發(fā)動機的某次維修檢查節(jié)點上，需要通過進行周期性維修檢查并根據(jù)檢查時的狀態(tài)判斷是否進行預(yù)防性維修。如果零部件的性能狀態(tài)沒有達到預(yù)防性維修閾值，僅進行持續(xù)適航文件要求的勤務(wù)而不進行預(yù)防性維修；相反則立即進行預(yù)防性維修。當(dāng)零部件性能狀態(tài)超過失效閾值時，零部件會失效并因此導(dǎo)致重要性或危害性后果，此時根據(jù)情況進行修理或者換件。最后根據(jù)此次對發(fā)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(shè)計點維修檢查閾值，發(fā)動機適航規(guī)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(fā)動機狀態(tài)，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(shè)計點維修檢查閾值的時間。持續(xù)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(nèi)波動的，即根據(jù)發(fā)動機狀態(tài)適當(dāng)延長或縮短參考值。定義初始維修檢查節(jié)點對應(yīng)的發(fā)動機性能狀態(tài)為設(shè)計點維修檢查閾值。如果將持續(xù)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(jù)固定周期進行維修檢查時對應(yīng)的發(fā)動機性能狀態(tài)偏離設(shè)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(shè)計點維修檢查閾值對應(yīng)的間隔偏大或偏小，可能會造成發(fā)動機的維修不足或維修過多，最終增加維修成本、降低經(jīng)濟性同時還可能導(dǎo)致發(fā)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(jīng)濟性協(xié)調(diào)的節(jié)點（設(shè)計點維修檢查閾值），每次檢查節(jié)點的發(fā)動機可靠性水平需要參考初始維修檢查間隔節(jié)點對應(yīng)的可靠性水平。發(fā)動機性能狀態(tài)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(shù)關(guān)系，即在多個固定的時間間隔內(nèi)，發(fā)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(tài)的，根據(jù)本次的狀態(tài)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(fā)動機機隊為例進行分析。根據(jù)國際發(fā)動機（CFMI）公司提供的持續(xù)適航文件，選取維修檢查中的反推系統(tǒng)的檢查任務(wù)。文件要求：檢查左、右發(fā)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(fā)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(fā)動機型號合格證申請人通過規(guī)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(fā)動機在實際運行過程中，球型軸承的滾珠因不斷磨損而導(dǎo)致其性能下降，在7500飛行小時節(jié)點對其進行檢查，判斷滾珠的狀態(tài)，然后選擇做勤務(wù)潤滑或者換件。

綜上所述，零部件初始維修檢查節(jié)點的狀態(tài)實際上是型號合格證申請人給出的狀態(tài)參考點（設(shè)計點維修檢查閾值），之后每次都與參考點狀態(tài)進行比較。如果在7500飛行小時節(jié)點狀態(tài)的維修任務(wù)是更換球型軸承滾珠或者是預(yù)防性的勤務(wù)潤滑，那么下次確定更換操作或者勤務(wù)潤滑操作的依據(jù)便是零件與參考點狀態(tài)相近。若是執(zhí)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(tǒng)不出現(xiàn)意外為前提）；若是執(zhí)行勤務(wù)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(tài)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(zhí)行換件操作，那么第3次維修檢查時的狀態(tài)可以依據(jù)參考點狀態(tài)選擇7500飛行小時（第3次維修檢查進行勤務(wù)潤滑），可也以參考換件節(jié)點的狀態(tài)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(jīng)濟性因素。以此類推，每次的檢查間隔都不固定，根據(jù)上次維修檢查的狀態(tài)和給出維修任務(wù)來確定下個維修檢查的間隔，在狀態(tài)判斷過程中，需要根據(jù)某一參考點進行比對，該參考點是初始維修檢查節(jié)點對應(yīng)的零部件性能狀態(tài)點（設(shè)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(guī)章要求的初始維修檢查間隔實際上是適航審定當(dāng)局要求申請人設(shè)定1個性能狀態(tài)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(jù)上次的性能狀態(tài)和執(zhí)行的維修任務(wù)。

3 總結(jié)

（1）持續(xù)適航文件中的維修包括預(yù)防性維修在內(nèi)的檢查、翻修、修理和更換零件的操作的概念。預(yù)防性維修、換件或者修理的維修任務(wù)是根據(jù)維修檢查時對發(fā)動機狀態(tài)判斷得到并實施的，而不是在一定的維修間隔節(jié)點上執(zhí)行固定的維修任務(wù)。

（2）從適航規(guī)章的角度分析維修間隔的本質(zhì)，定期維修間隔是需要根據(jù)發(fā)動機狀態(tài)改變的，維修間隔節(jié)點的發(fā)動機狀態(tài)表征某種發(fā)動機可靠性狀態(tài)。初始維修檢查間隔對應(yīng)了1種設(shè)計點的可靠性狀態(tài)。適航規(guī)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(guī)章要求且維修經(jīng)濟性水平較低的維修檢查的基準(zhǔn)點。

（3）持續(xù)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(zhí)行維修檢查以及執(zhí)行相應(yīng)維修任務(wù)后得到的間隔。

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