CFM56-7B發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)機(jī)連接螺栓失效分析

馮志偉 陶慧敏

摘要：CFM56-7B發(fā)動(dòng)機(jī)使用的是3505945系列起動(dòng)機(jī)，裝載于波音737NG飛機(jī)。連接螺栓的頭部發(fā)生斷裂失效是3505945系列起動(dòng)機(jī)的一個(gè)常見故障，該故障導(dǎo)致非計(jì)劃性拆機(jī)，甚至引起航班延誤。本文根據(jù)3505945系列起動(dòng)機(jī)的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，結(jié)合其在發(fā)動(dòng)機(jī)上的使用工況，對(duì)該起動(dòng)機(jī)的連接螺栓進(jìn)行了失效分析，總結(jié)出相關(guān)的改進(jìn)措施，以提高起動(dòng)機(jī)的持續(xù)適航性。

關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī)；起動(dòng)機(jī)；螺栓；失效分析

Keywords：engine；starter；bolt；failure analysis

1 故障現(xiàn)象

3505945系列起動(dòng)機(jī)主要包含進(jìn)氣和渦輪減速輸出兩部分，如圖1所示。卡箍將進(jìn)氣管道和起動(dòng)機(jī)進(jìn)氣部分連接在一起；進(jìn)氣部分和渦輪減速輸出部分通過(guò)連接螺栓固連成一體；渦輪減速輸出部分與發(fā)動(dòng)機(jī)AGB通過(guò)安裝法蘭和卡箍固定。發(fā)動(dòng)機(jī)AGB的起動(dòng)機(jī)安裝法蘭上有3個(gè)定位銷（見圖2），為起動(dòng)機(jī)的安裝法蘭定位，并防止轉(zhuǎn)動(dòng)和徑向移動(dòng)。該起動(dòng)機(jī)的一個(gè)常見故障就是連接螺栓的頭部發(fā)生斷裂失效（見圖3），導(dǎo)致非計(jì)劃性拆機(jī)。

2 失效分析

為了便于分析，將該起動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)外形抽象化（見圖4）。在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，氣流通過(guò)進(jìn)氣管道進(jìn)入起動(dòng)機(jī)進(jìn)氣部分，然后通過(guò)渦輪減速輸出部分向發(fā)動(dòng)機(jī)AGB輸出扭矩，帶動(dòng)靜止的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，直到發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)。

如圖4所示，3505945系列起動(dòng)機(jī)通過(guò)進(jìn)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(lái)實(shí)現(xiàn)兩者的徑向定位。目前構(gòu)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(gè)公差范圍，因此，其間隙t也是一個(gè)不確定值，大約為0.10mm。該系列起動(dòng)機(jī)的氣流入口通道軸線與渦輪減速輸出部分軸線成90°。在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中，氣流通斷時(shí)，會(huì)在進(jìn)氣部分產(chǎn)生向下的徑向沖擊力。在渦輪減速輸出部分與發(fā)動(dòng)機(jī)AGB固定的情況下，這個(gè)沖擊力會(huì)導(dǎo)致進(jìn)氣部分相對(duì)渦輪減速輸出部分發(fā)生徑向往復(fù)位移，這個(gè)位移的大小與間隙t的大小有關(guān)。在一次啟動(dòng)循環(huán)過(guò)程中，至少會(huì)出現(xiàn)一次由于氣流通斷沖擊而產(chǎn)生的徑向往復(fù)位移。同時(shí)，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中，振動(dòng)的存在也會(huì)導(dǎo)致上述往復(fù)位移。

通過(guò)連接螺栓的安裝形式（見圖6）可以發(fā)現(xiàn)，渦輪減速輸出部分的螺栓孔僅僅是過(guò)孔，與螺桿之間有一定的間隙。當(dāng)進(jìn)氣部分相對(duì)渦輪減速輸出部分發(fā)生徑向位移時(shí)，由于連接螺栓安裝后有預(yù)緊力，螺栓頭部與渦輪減速輸出部分的殼體接觸區(qū)域存在較大摩擦力，所以，此時(shí)的連接螺栓可以抽象成一個(gè)懸臂梁結(jié)構(gòu)（見圖7）。

發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的徑向沖擊力以及發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)，使進(jìn)氣部分相對(duì)渦輪減速輸出部分發(fā)生徑向往復(fù)位移，在連接螺栓的螺紋端產(chǎn)生位移載荷。通過(guò)用ANSYS Workbench對(duì)該螺栓進(jìn)行分析，這個(gè)徑向位移載荷會(huì)在懸臂梁支點(diǎn)處（螺栓頭部與螺桿交接處）產(chǎn)生最大應(yīng)力，并且該應(yīng)力會(huì)隨著位移載荷的增大而變大（見圖8）。在這個(gè)應(yīng)力的周期性作用下，材料出現(xiàn)疲勞現(xiàn)象，使懸臂梁支點(diǎn)處發(fā)生疲勞斷裂，即連接螺栓頭部發(fā)生斷裂故障。

3 結(jié)論

綜上所述，CFM56-7B發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)機(jī)連接螺栓斷裂的根本原因是其螺紋端出現(xiàn)了徑向位移載荷。而徑向位移的產(chǎn)生，需同時(shí)具備激勵(lì)源和結(jié)構(gòu)條件。激勵(lì)源主要來(lái)自兩個(gè)方面：一是進(jìn)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(shí)會(huì)產(chǎn)生徑向沖擊力；二是發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)。3505945系列起動(dòng)機(jī)的整體結(jié)構(gòu)不便改動(dòng)，并且發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)的振動(dòng)不可避免，因此產(chǎn)生位移載荷的激勵(lì)源無(wú)法消除，所以只能從結(jié)構(gòu)條件方面來(lái)解決。結(jié)合3505945系列起動(dòng)機(jī)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)和使用工況，可以采取以下措施：

1）使用更高強(qiáng)度的連接螺栓，來(lái)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(chǎn)生徑向位移；

3）定子和渦輪室之間使用過(guò)盈配合，消除間隙t，防止產(chǎn)生徑向位移。

通過(guò)對(duì)3505945系列起動(dòng)機(jī)連接螺栓斷裂故障的分析，參照3505582系列起動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)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(wèn)題，進(jìn)而降低由連接螺栓斷裂導(dǎo)致的非計(jì)劃性拆機(jī)頻率。

參考文獻(xiàn)

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

作者簡(jiǎn)介

馮志偉，工程師，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化研究。

3320500338209