CFM56-7發(fā)動機(jī)起動機(jī)殼體螺桿斷裂分析

方蕾

摘要：對CFM56-7發(fā)動機(jī)的起動機(jī)殼體螺桿斷裂產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，提出減少斷裂的措施和改裝設(shè)計(jì)建議，有利于提高起動機(jī)的使用可靠性和固有可靠性。

關(guān)鍵詞：起動機(jī);螺桿;斷裂

0引言

波音737NG飛機(jī)配裝CFM56-7型發(fā)動機(jī)，其起動機(jī)為霍尼韋爾公司生產(chǎn)的件號為3505945系列的空氣渦輪起動機(jī)。該型起動機(jī)通過來自地面、APU或其他發(fā)動機(jī)的氣源驅(qū)動起動機(jī)的渦輪，渦輪再通過附件齒輪箱帶動發(fā)動機(jī)高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，從而起動發(fā)動機(jī)。自2017年以來，因?yàn)槌霈F(xiàn)起動機(jī)螺桿斷裂，甚至大量螺桿同時(shí)斷裂的情況而造成的航班運(yùn)行中斷等延誤、惡性延誤情況時(shí)有發(fā)生，引起了航空營運(yùn)人的高度關(guān)注。本文從安裝要求、螺桿質(zhì)量、設(shè)計(jì)缺陷和同類起動機(jī)對比等方面對該型起動機(jī)螺桿斷裂成因進(jìn)行分析，提出了維護(hù)措施和改裝設(shè)計(jì)建議。

1故障表現(xiàn)

2018年7月29日，一架波音737NG飛機(jī)航后發(fā)現(xiàn)右發(fā)起動機(jī)上有6顆螺桿斷裂（共有9顆），螺桿頭丟失，如圖1所示，因當(dāng)?shù)責(zé)o備件造成航班延誤。

該起動機(jī)進(jìn)車間檢查情況：起動機(jī)輸出軸順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動正常，磁堵無鐵屑。詳細(xì)檢查斷裂的6根螺桿斷口，未發(fā)現(xiàn)有疲勞斷裂中典型的貝殼狀紋路，如圖2所示。

2原因分析

該起動機(jī)2017年11月翻修時(shí)更換了全部9根螺桿，且該起動機(jī)裝機(jī)使用時(shí)間不長，從6根螺桿的斷口情況可以推斷疲勞斷裂的可能性不大。一旦有某根螺桿斷裂，剩余螺桿上的負(fù)載顯著增加，會導(dǎo)致更多的螺桿斷裂。單從故障發(fā)生概率上來說，多根螺桿在一次起動過程中同時(shí)斷裂的可能性不大。調(diào)查顯示，在出現(xiàn)螺桿斷裂故障報(bào)告前，維修廠是按照生產(chǎn)廠家CMM要求對螺桿進(jìn)行檢查的，只更換損傷的螺桿，并未進(jìn)行批量更換;出現(xiàn)斷裂故障報(bào)告后，開始采用全部更換成新螺桿的方案，但仍出現(xiàn)部分螺桿斷裂乃至大量斷裂的情況。由此判斷故障的可能原因有：螺桿安裝時(shí)的力矩不規(guī)范;螺桿存在批次質(zhì)量問題;廠家設(shè)計(jì)存在缺陷。

2.1力矩要求

首先查閱CMM 80-11-79 R6及廠家標(biāo)準(zhǔn)施工手冊（SPM）中對殼體連接螺桿力矩的要求。該螺桿的IPL項(xiàng)目號為1-160，件號為MS9556-32。CMM中的要求是潤滑螺紋（見CMM 7003頁2.B（3）），力矩值為50～551b.in，另加自鎖力矩（見CMM 7028頁（8）段、8002頁及8003頁表4）?；裟犴f爾標(biāo)準(zhǔn)施工手冊SPM 20-00-02/70-00-01 R20第516～518頁有相關(guān)內(nèi)容，與CMM中的要求一致，如圖3所示，安裝時(shí)要求使用十字交叉模式對螺桿進(jìn)行擰緊到規(guī)定力矩值。

2.2螺桿質(zhì)量問題

螺桿件號MS9556-32，適用標(biāo)準(zhǔn)MS9556C，螺紋為0.1900-32UNJF-3A，即10～32的規(guī)格。螺桿材料為符合AMS5731-85的耐熱耐腐蝕鋼。美國的同等材料有A286（即SPM中所述材料）、ASTMA638 660 Type 2或ASTMA453660 Class B（即某些螺桿廠家說的Alloy660）。按AMS標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行熱處理，該材料的最小屈服強(qiáng)度為85ksi，最小抗拉強(qiáng)度為130ksi。查到的幾份資料中的數(shù)據(jù)基本一致，詳情可查后附參考文獻(xiàn)。

調(diào)查顯示，采購的螺桿MS9556-32的生產(chǎn)廠家均為Mac Fasteners，但有若干批號，發(fā)現(xiàn)斷裂的有L00003、L00007和L00009。對這些螺桿進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)存在差異，如圖4所示。

1）螺桿頭端面的廠家標(biāo)識號不同，L00003批次的標(biāo)識為0100，L00007和L00009的標(biāo)識為0010。

2）螺桿頭法蘭部分的厚度存在差異，上述批次的法蘭厚度薄，而新批次的法蘭厚一倍以上，但都符合MS標(biāo)準(zhǔn)中最小0.04in的規(guī)定。

3）業(yè)內(nèi)某些維修企業(yè)采購的同件號螺桿也是Mac Fasteners公司生產(chǎn)的，端面標(biāo)識為CS，與從起動機(jī)上拆下的原裝螺桿標(biāo)識相同。

4）不同標(biāo)識的螺桿頭的標(biāo)識清晰度有差異，CS的最清晰，其他的較模糊。

這個(gè)差異本身并不能表明質(zhì)量有問題，但是由于某批次在全部更換新件的情況下螺桿出現(xiàn)大量斷裂的現(xiàn)象，由此可以懷疑螺桿存在批次質(zhì)量問題。

2.3廠家設(shè)計(jì)缺陷

在與其他航空公司的交流中發(fā)現(xiàn)，737NG發(fā)動機(jī)起動機(jī)連接螺桿斷裂情況多有發(fā)生。因此對該處螺桿的使用情況進(jìn)行了對比分析。

1）與其他廠家的起動機(jī)對比

V2500發(fā)動機(jī)用的是Sumitomo公司生產(chǎn)的790425A系列的起動機(jī)，該型起動機(jī)的原始設(shè)計(jì)商是Hamilton，最大起動力矩為穩(wěn)態(tài)4771b.ft，瞬態(tài)4891b.ft，脫開轉(zhuǎn)速為5000rpm，最大重量33.51b。而3505945系列起動機(jī)的起動力矩是lOOOrpm時(shí)約為2701b.ft，脫開轉(zhuǎn)速是8100rpm，最大重量29.91b。相比之下，790425A的輸出功率和力矩可能更大一些，但兩種起動機(jī)的尺寸和重量相差不大。790425A起動機(jī)的殼體連接螺桿是12根螺紋規(guī)格為1/4～28的螺栓，力矩值30～401b.in，廠家件號、材料未知;而3505945系列起動機(jī)的連接螺桿是9根螺紋規(guī)格為10～32的螺栓，力矩值為50～551b.in。10～32的螺桿單個(gè)橫截面積只有1/4～28螺桿的6成左右，因此3505945的連接件總截面積只有790425A的45%。如果兩種螺桿的材料強(qiáng)度基本一致，那么霍尼韋爾公司的設(shè)計(jì)連接強(qiáng)度不到Hamilton公司設(shè)計(jì)的一半，意味著強(qiáng)度裕度遠(yuǎn)低于Hamilton的設(shè)計(jì)（不排除有Hamilton過度設(shè)計(jì)的可能）。

2）與其他標(biāo)準(zhǔn)力矩值對比

CMM上推薦未注力矩值參考FAA-H-8083-30的標(biāo)準(zhǔn)力矩，該手冊的最新版本為A版，要求螺桿取力矩上限，力矩表截圖見圖5。按照推薦的標(biāo)準(zhǔn)力矩，MS9556-32的螺桿標(biāo)準(zhǔn)力矩應(yīng)為251b.in。波音標(biāo)準(zhǔn)施工手冊SOPM20-50-01中要求螺桿力矩參照BAC5009。BAC5009中對不同強(qiáng)度的材料給出了不同的推薦力矩值。對于10～32的鋼螺桿，220ksi強(qiáng)度的潤滑力矩為601b.in（BAC5009第35頁表vni），160～220ksi強(qiáng)度的潤滑力矩為251b.in（第37頁表X），95～160ksi強(qiáng)度的潤滑力矩為251b.in（第38頁表Ⅺ）。MS9556的螺桿沒有出現(xiàn)在BAC5009的力矩表中，但如果以強(qiáng)度范圍劃分，標(biāo)準(zhǔn)力矩應(yīng)該是251b.in。

與FAA和波音推薦的標(biāo)準(zhǔn)力矩相比，霍尼韋爾的力矩要大一倍，意味著螺桿承受的預(yù)加拉伸負(fù)載大很多。如果工作負(fù)載變化大，最大拉伸負(fù)載可能接近甚至超過材料的強(qiáng)度極限，可導(dǎo)致螺桿斷裂的情況發(fā)生。

3）不同航空公司及維修企業(yè)的情況

該型起動機(jī)普遍用于波音737NG飛機(jī)配裝的CFM5 6-7發(fā)動機(jī)上。據(jù)了解，南航、廈航、東航等也都發(fā)生過螺桿頭斷裂丟失的情況。有的維修企業(yè)采取探傷后再安裝的方式，有的維修企業(yè)則是按力矩的下限值安裝，具體效果尚不清楚。南航機(jī)隊(duì)中，幾家不同的維修企業(yè)修過的起動機(jī)都發(fā)生過螺桿斷裂，原裝起動機(jī)也發(fā)生過幾起螺桿頭斷裂情況。從螺桿斷裂發(fā)生的分散性來看，存在起動機(jī)連接設(shè)計(jì)偏薄弱的可能性。

4）與790425A系列起動機(jī)的拆機(jī)對比

查詢某航空公司可靠性系統(tǒng)，自2012年1月1日以來，790425A系列起動機(jī)沒有一起殼體連接螺桿斷裂或丟失的記錄，同期3505945系列至少有22條螺桿斷裂或丟失的記錄。

綜上分析認(rèn)為，霍尼韋爾公司在起動機(jī)連接件的設(shè)計(jì)上可能存在強(qiáng)度不足的情況，導(dǎo)致螺桿容易斷裂。

3措施和建議

從以上分析可以看出，避免螺桿斷裂牽涉的方面較多。首先，應(yīng)確保采購的螺桿質(zhì)量可靠，懷疑某些批次有問題，應(yīng)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)來檢驗(yàn)其強(qiáng)度;第二，重視檢查環(huán)節(jié)，可一次性更換為新螺桿;第三，安裝時(shí)嚴(yán)格按照CMM要求的交叉十字法進(jìn)行，并規(guī)范力矩值;第四，建議廠家改進(jìn)起動機(jī)殼體連接設(shè)計(jì)，如使用更高強(qiáng)度的螺桿或增加螺桿數(shù)量等，以減少螺桿斷裂的可能。

參考文獻(xiàn)

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