CFM56-7發動機起動機殼體螺桿斷裂分析

方蕾

摘要：對CFM56-7發動機的起動機殼體螺桿斷裂產生的原因進行分析，提出減少斷裂的措施和改裝設計建議，有利于提高起動機的使用可靠性和固有可靠性。

關鍵詞：起動機;螺桿;斷裂

0引言

波音737NG飛機配裝CFM56-7型發動機，其起動機為霍尼韋爾公司生產的件號為3505945系列的空氣渦輪起動機。該型起動機通過來自地面、APU或其他發動機的氣源驅動起動機的渦輪，渦輪再通過附件齒輪箱帶動發動機高壓轉子轉動，從而起動發動機。自2017年以來，因為出現起動機螺桿斷裂，甚至大量螺桿同時斷裂的情況而造成的航班運行中斷等延誤、惡性延誤情況時有發生，引起了航空營運人的高度關注。本文從安裝要求、螺桿質量、設計缺陷和同類起動機對比等方面對該型起動機螺桿斷裂成因進行分析，提出了維護措施和改裝設計建議。

1故障表現

2018年7月29日，一架波音737NG飛機航后發現右發起動機上有6顆螺桿斷裂（共有9顆），螺桿頭丟失，如圖1所示，因當地無備件造成航班延誤。

該起動機進車間檢查情況：起動機輸出軸順時針方向轉動正常，磁堵無鐵屑。詳細檢查斷裂的6根螺桿斷口，未發現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2017年11月翻修時更換了全部9根螺桿，且該起動機裝機使用時間不長，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，剩余螺桿上的負載顯著增加，會導致更多的螺桿斷裂。單從故障發生概率上來說，多根螺桿在一次起動過程中同時斷裂的可能性不大。調查顯示，在出現螺桿斷裂故障報告前，維修廠是按照生產廠家CMM要求對螺桿進行檢查的，只更換損傷的螺桿，并未進行批量更換;出現斷裂故障報告后，開始采用全部更換成新螺桿的方案，但仍出現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：螺桿安裝時的力矩不規范;螺桿存在批次質量問題;廠家設計存在缺陷。

2.1力矩要求

首先查閱CMM 80-11-79 R6及廠家標準施工手冊（SPM）中對殼體連接螺桿力矩的要求。該螺桿的IPL項目號為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）。霍尼韋爾標準施工手冊SPM 20-00-02/70-00-01 R20第516～518頁有相關內容，與CMM中的要求一致，如圖3所示，安裝時要求使用十字交叉模式對螺桿進行擰緊到規定力矩值。

2.2螺桿質量問題

螺桿件號MS9556-32，適用標準MS9556C，螺紋為0.1900-32UNJF-3A，即10～32的規格。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標準進行熱處理，該材料的最小屈服強度為85ksi，最小抗拉強度為130ksi。查到的幾份資料中的數據基本一致，詳情可查后附參考文獻。

調查顯示，采購的螺桿MS9556-32的生產廠家均為Mac Fasteners，但有若干批號，發現斷裂的有L00003、L00007和L00009。對這些螺桿進行對比，發現存在差異，如圖4所示。

1）螺桿頭端面的廠家標識號不同，L00003批次的標識為0100，L00007和L00009的標識為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標準中最小0.04in的規定。

3）業內某些維修企業采購的同件號螺桿也是Mac Fasteners公司生產的，端面標識為CS，與從起動機上拆下的原裝螺桿標識相同。

4）不同標識的螺桿頭的標識清晰度有差異，CS的最清晰，其他的較模糊。

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

2.3廠家設計缺陷

在與其他航空公司的交流中發現，737NG發動機起動機連接螺桿斷裂情況多有發生。因此對該處螺桿的使用情況進行了對比分析。

1）與其他廠家的起動機對比

V2500發動機用的是Sumitomo公司生產的790425A系列的起動機，該型起動機的原始設計商是Hamilton，最大起動力矩為穩態4771b.ft，瞬態4891b.ft，脫開轉速為5000rpm，最大重量33.51b。而3505945系列起動機的起動力矩是lOOOrpm時約為2701b.ft，脫開轉速是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，但兩種起動機的尺寸和重量相差不大。790425A起動機的殼體連接螺桿是12根螺紋規格為1/4～28的螺栓，力矩值30～401b.in，廠家件號、材料未知;而3505945系列起動機的連接螺桿是9根螺紋規格為10～32的螺栓，力矩值為50～551b.in。10～32的螺桿單個橫截面積只有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度基本一致，那么霍尼韋爾公司的設計連接強度不到Hamilton公司設計的一半，意味著強度裕度遠低于Hamilton的設計（不排除有Hamilton過度設計的可能）。

2）與其他標準力矩值對比

CMM上推薦未注力矩值參考FAA-H-8083-30的標準力矩，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。按照推薦的標準力矩，MS9556-32的螺桿標準力矩應為251b.in。波音標準施工手冊SOPM20-50-01中要求螺桿力矩參照BAC5009。BAC5009中對不同強度的材料給出了不同的推薦力矩值。對于10～32的鋼螺桿，220ksi強度的潤滑力矩為601b.in（BAC5009第35頁表vni），160～220ksi強度的潤滑力矩為251b.in（第37頁表X），95～160ksi強度的潤滑力矩為251b.in（第38頁表Ⅺ）。MS9556的螺桿沒有出現在BAC5009的力矩表中，但如果以強度范圍劃分，標準力矩應該是251b.in。

與FAA和波音推薦的標準力矩相比，霍尼韋爾的力矩要大一倍，意味著螺桿承受的預加拉伸負載大很多。如果工作負載變化大，最大拉伸負載可能接近甚至超過材料的強度極限，可導致螺桿斷裂的情況發生。

3）不同航空公司及維修企業的情況

該型起動機普遍用于波音737NG飛機配裝的CFM5 6-7發動機上。據了解，南航、廈航、東航等也都發生過螺桿頭斷裂丟失的情況。有的維修企業采取探傷后再安裝的方式，有的維修企業則是按力矩的下限值安裝，具體效果尚不清楚。南航機隊中，幾家不同的維修企業修過的起動機都發生過螺桿斷裂，原裝起動機也發生過幾起螺桿頭斷裂情況。從螺桿斷裂發生的分散性來看，存在起動機連接設計偏薄弱的可能性。

4）與790425A系列起動機的拆機對比

查詢某航空公司可靠性系統，自2012年1月1日以來，790425A系列起動機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。

綜上分析認為，霍尼韋爾公司在起動機連接件的設計上可能存在強度不足的情況，導致螺桿容易斷裂。

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，應確保采購的螺桿質量可靠，懷疑某些批次有問題，應進行拉伸試驗來檢驗其強度;第二，重視檢查環節，可一次性更換為新螺桿;第三，安裝時嚴格按照CMM要求的交叉十字法進行，并規范力矩值;第四，建議廠家改進起動機殼體連接設計，如使用更高強度的螺桿或增加螺桿數量等，以減少螺桿斷裂的可能。

參考文獻

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