基于威布爾分布的CFM56-5B發(fā)動機(jī)風(fēng)扇潤滑間隔調(diào)整方法

徐貴強(qiáng) 吳小松

摘要：分析了發(fā)動機(jī)產(chǎn)生振動的原因，得出風(fēng)扇葉片潤滑是降低發(fā)動機(jī)振動水平的最有效方法；基于運(yùn)行數(shù)據(jù)使用Minitab工具建模，獲得潤滑后高振動事件的威布爾分布函數(shù)，并得到高振動事件概率，結(jié)合安全、成本因素等得出最優(yōu)潤滑間隔；通過機(jī)隊(duì)實(shí)踐，證明了該方法的有效性。

關(guān)鍵詞：CFM56-5B；N1 VIB；潤滑；Minitab；威布爾分布

Keywords：CFM56-5B；N1 VIB；lubrication；Minitab；Weibull distribution

0 引言

據(jù)某航空公司可靠性部門統(tǒng)計(jì)，2017年1月至2018年7月A320機(jī)隊(duì)CFM56-5B發(fā)動機(jī)振動問題較多，高振動事件千時(shí)率達(dá)到0.34，高于該公司的預(yù)警值。為了減少發(fā)動機(jī)高振動事件的發(fā)生，本文從原因、數(shù)據(jù)、方法等方面進(jìn)行分析，得出最優(yōu)的潤滑間隔，為可靠性部門調(diào)整潤滑間隔提供參考。

1 發(fā)動機(jī)振動原因

在發(fā)動機(jī)制造過程中，材質(zhì)不均勻、結(jié)構(gòu)不對稱、加工誤差以及裝配誤差等會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子質(zhì)量偏心大；在發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，轉(zhuǎn)子靜彎曲、熱彎曲、對中不良及轉(zhuǎn)靜子摩擦等會引起發(fā)動機(jī)不平衡振動。為降低不平衡振動，發(fā)動機(jī)制造時(shí)會在壓氣機(jī)、核心機(jī)等位置安裝配重，這些配重在航線維護(hù)時(shí)無法接近。為便于航線維護(hù)，CFM56-5B發(fā)動機(jī)在風(fēng)扇整流錐后部設(shè)計(jì)了36顆配平螺釘。

CFM56-5B發(fā)動機(jī)在航線維護(hù)過程中遇到的振動問題主要是風(fēng)扇振動（N1 VIB）水平高，而核心機(jī)振動（N2 VIB）問題較少，因此本文僅討論風(fēng)扇振動。風(fēng)扇振動水平高的原因包括風(fēng)扇區(qū)域因素、系統(tǒng)指示故障、外來物損傷、第4級LPT葉片搭接等，其中風(fēng)扇區(qū)域因素是主要因素。

風(fēng)扇區(qū)域因素中又以燕尾榫頭壓力面涂層過早脫落、風(fēng)扇葉片軸向移動、風(fēng)扇盤磨損為主。發(fā)動機(jī)長時(shí)間使用后，風(fēng)扇葉片根部、填充塊以及風(fēng)扇盤榫槽承壓面等位置的二硫化鉬會脫落，使風(fēng)扇榫頭與風(fēng)扇燕尾槽間隙過大，造成發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子各方向的動量矩不平衡，振動值升高?？赏ㄟ^對風(fēng)扇使用二硫化鉬重新潤滑，使發(fā)動機(jī)恢復(fù)到初始的振動構(gòu)型，達(dá)到降低振動值的目的；也可通過EVMU測相測幅法進(jìn)行發(fā)動機(jī)配平，通過配平螺釘反向疊加不平衡的相位和相幅達(dá)到降低振動值的目的。但實(shí)際上配平工作只是用配平釘?shù)窒瞬黄胶庥绊懀瑳]有從根本上解決振動水平高的問題。

為了防止發(fā)動機(jī)因長時(shí)間運(yùn)行造成葉片磨損以及高振動問題，空客A320飛機(jī)在MPD[1]中給出了定期潤滑任務(wù)“MSI722000-C2-1 DETAILED INSPECTION AND RELUBRICATION OF FAN BLADE DOVETAILS，MIDSPAN SHROUDS，RETAINERS，SPACERS，DAMPERS AND FAN DISC DOVETAIL SLOTS（詳細(xì)檢查并潤滑風(fēng)扇葉片燕尾、減振凸臺、固定器、墊片、減振器、風(fēng)扇盤燕尾槽工作）”，任務(wù)間隔為3000飛行循環(huán)（FC）。由于該航空公司采用此間隔后的高振動事件較多，下文分析如何合理調(diào)整潤滑間隔以減少高振動事件。

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分類

為簡化分析，使用在一個(gè)潤滑周期（3000FC）內(nèi)發(fā)生風(fēng)扇高振動事件的數(shù)據(jù)，根據(jù)該航空公司飛機(jī)利用率，以2017年1月至2018年7月為一個(gè)潤滑周期。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，該周期內(nèi)共計(jì)發(fā)生風(fēng)扇高振動事件41次（已排除無效數(shù)據(jù)，詳細(xì)數(shù)據(jù)略），發(fā)動機(jī)運(yùn)行數(shù)量為50臺。

將統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)按照上一次維護(hù)措施進(jìn)行分類。其中，自上次執(zhí)行潤滑后發(fā)生振動事件34次，部分?jǐn)?shù)據(jù)如表1所示；自上次執(zhí)行配平后發(fā)生振動事件7次，這7次事件是潤滑周期內(nèi)34次高振動事件的發(fā)動機(jī)執(zhí)行配平工作之后再次發(fā)生的，分布情況如圖1所示。將數(shù)據(jù)按照執(zhí)行的維護(hù)措施分類，在航線維護(hù)中，由于潤滑工作較為耗時(shí)，優(yōu)先采用配平方式，因此41次事件使用了26次配平和15次潤滑。

2.2 數(shù)據(jù)建模

任何一臺發(fā)動機(jī)在一個(gè)潤滑周期內(nèi)都有可能發(fā)生高振動事件，出現(xiàn)高振動之后可能執(zhí)行潤滑也可能執(zhí)行配平。如果執(zhí)行潤滑，發(fā)動機(jī)進(jìn)入下一個(gè)潤滑周期；如果執(zhí)行配平，發(fā)動機(jī)仍在本潤滑周期之內(nèi)。分別計(jì)算潤滑周期內(nèi)兩者工作后的高振動概率即可預(yù)測未來發(fā)動機(jī)數(shù)量增加后出現(xiàn)高振動事件的數(shù)據(jù)，從而對潤滑間隔進(jìn)行調(diào)整。

1）潤滑后的高振動概率

對于符合威布爾分布的故障描述為：假設(shè)一個(gè)結(jié)構(gòu)由n個(gè)小元件串聯(lián)而成，可以形象地將其看成是由n個(gè)環(huán)構(gòu)成的一條鏈條，其壽命取決于最薄弱環(huán)的壽命。單個(gè)鏈的壽命為一隨機(jī)變量，設(shè)各環(huán)壽命相互獨(dú)立，分布相同，則求鏈壽命的概率分布就變成了求極小值分布問題。發(fā)動機(jī)執(zhí)行潤滑后二硫化鉬不斷被磨損，導(dǎo)致風(fēng)扇振動水平高，這種磨損分布在每個(gè)發(fā)動機(jī)的葉片上，該失效模式為磨損累計(jì)失效，因此潤滑后高振動事件符合威布爾分布。

表1所統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)為50臺發(fā)動機(jī)在一個(gè)潤滑間隔（3000FC）內(nèi)潤滑后出現(xiàn)的高振動事件，而超過一個(gè)潤滑間隔其失效概率是未知的，這種情況在統(tǒng)計(jì)學(xué)上稱為刪失數(shù)據(jù)（censored data）。由于極大似然法對存在刪失數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)樣本具有較高的參數(shù)估計(jì)精度，因此本文選用極大似然法對威布爾分布進(jìn)行參數(shù)估計(jì)。

因A320風(fēng)扇潤滑屬于MSG-3分析制定的間隔，調(diào)整間隔將參照國際維修審查委員會政策委員會制定的《Evolution/Optimization Guidelines IMRBPB IP44》[2]，IP44要求威布爾分布擬合后采用的置信區(qū)間為95%，工程上不能再低于該值，因此本文采用的置信區(qū)間為95%。

利用Minitab軟件，將潤滑后的34次高振動事件建立模型[3]，如圖2所示，得到潤滑后風(fēng)扇平均無故障工作時(shí)間（MTBF）為1678FC，求解出二參數(shù)威布爾分布參數(shù)，形狀和尺度對應(yīng)二參數(shù)威布爾數(shù)據(jù)模型的β、η，所求得的威布爾分布函數(shù)即為潤滑后高振動事件分布函數(shù)：

2）配平后的高振動概率

根據(jù)2.1節(jié)所述，航線維護(hù)過程中發(fā)生高振動后采取潤滑和配平的比例為0.36和0.64，在不改變維護(hù)模式的情況下該比例固定。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，配平后再次出現(xiàn)高振動事件7次，這些事件發(fā)生時(shí)的平均循環(huán)為配平之后308FC。假設(shè)調(diào)整潤滑間隔目標(biāo)大于1000FC，根據(jù)再次發(fā)生該事件與首次發(fā)生該事件的邏輯關(guān)系得出：配平后高振動的概率=采用潤滑后的高振動事件概率×0.21。

3）高振動事件發(fā)生總概率

上文分別計(jì)算了高振動事件在不同維護(hù)措施后發(fā)生的概率，兩者之和為高振動事件發(fā)生的總概率，如圖3所示。

3 潤滑間隔調(diào)整

3.1高振動事件與工作估算

將MSI 722000-C2-1產(chǎn)生的潤滑定義為計(jì)劃潤滑，將高振動事件產(chǎn)生的潤滑定義為非計(jì)劃潤滑，由于非計(jì)劃潤滑后會重新起算計(jì)劃潤滑時(shí)間，這些非計(jì)劃潤滑的發(fā)動機(jī)會進(jìn)入下一個(gè)潤滑周期，需在潤滑周期內(nèi)進(jìn)行折算，定義為潤滑清零，因此總潤滑量的計(jì)算式為：總潤滑量=計(jì)劃潤滑+非計(jì)劃潤滑-潤滑清零。

根據(jù)該航空公司的飛機(jī)利用率，預(yù)估下一個(gè)潤滑周期（3000FC）的時(shí)間為2019年12月，期間預(yù)估發(fā)動機(jī)運(yùn)行數(shù)量為70臺。根據(jù)高振動事件發(fā)生的總概率計(jì)算不同潤滑間隔下出現(xiàn)的高振動事件和工作，如表2所示。不同潤滑間隔下高振動事件和潤滑工作的關(guān)系如圖4所示。

3.2 最優(yōu)潤滑間隔選取

根據(jù)3.1節(jié)的估算結(jié)果，即使將潤滑間隔調(diào)整到1000FC，仍可能發(fā)生8次高振動事件，因此調(diào)整潤滑間隔并不能完全杜絕高振動事件的發(fā)生，但從安全角度考慮，可以通過調(diào)整潤滑間隔使高振動事件降低到一個(gè)可接受的水平。

潤滑工作成本（含工時(shí)、航材）比配平工作成本高約1200元人民幣，由于潤滑需要拆裝風(fēng)扇葉片，工作復(fù)雜性和風(fēng)險(xiǎn)性相對較高，如果以減少30%高振動事件發(fā)生率作為潤滑間隔調(diào)整的目標(biāo)，考慮安全與成本，將潤滑間隔調(diào)整到2000FC較為合適。

同時(shí)，根據(jù)上述計(jì)算的配平后高振動概率，提高非計(jì)劃潤滑率也有可能降低高振動事件的發(fā)生率，因此實(shí)際維護(hù)過程中可以優(yōu)先采用潤滑作為維護(hù)措施。

3.3 驗(yàn)證結(jié)果

2018年8月，該航空公司將MSI 722000-C2-1發(fā)動機(jī)葉片潤滑間隔調(diào)整至2000FC，并決定在維護(hù)過程中提高非計(jì)劃潤滑率。根據(jù)該航空公司可靠性部門統(tǒng)計(jì)的2018年8月至2019年12月數(shù)據(jù)，發(fā)動機(jī)高振動事件千時(shí)率從之前的0.34降至0.16，數(shù)據(jù)維持在較穩(wěn)定水平，證明上述方法有效。

4 結(jié)束語

本文基于航空公司實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，建立威布爾模型，得出最優(yōu)的潤滑間隔。不同航空公司的發(fā)動機(jī)在型號（如CFM56-7B）、運(yùn)行環(huán)境、維護(hù)模式上存在差異，會產(chǎn)生不同的運(yùn)行數(shù)據(jù)，可參考本文的方法建立適合的模型作為調(diào)整潤滑間隔的依據(jù)。該模型也可以應(yīng)用于其他符合威布爾分布的維修任務(wù)間隔調(diào)整。

參考文獻(xiàn)

[1] Airbus. A318/A319/A320/A321 Maintenance Planning Document，Revision 46 [Z]. 2019-10-14.

[2] IMRBPB. Evolution/Optimization Guidelines IMRBPB，Issue Paper 44 [S]. 2011.

[3] 侯甲棟，閆鋒，李明.基于Minitab的通用航空發(fā)動機(jī)壽命件可靠性分析方法[J].航空維修與工程，2013，272（2）：74-76.

作者簡介

徐貴強(qiáng)，高級工程師，從事發(fā)動機(jī)工程管理工作。

吳小松，工程師，從事發(fā)動機(jī)工程管理工作。

3570500338275