基于威布爾分布的CFM56-5B發動機風扇潤滑間隔調整方法

徐貴強 吳小松

摘要：分析了發動機產生振動的原因，得出風扇葉片潤滑是降低發動機振動水平的最有效方法；基于運行數據使用Minitab工具建模，獲得潤滑后高振動事件的威布爾分布函數，并得到高振動事件概率，結合安全、成本因素等得出最優潤滑間隔；通過機隊實踐，證明了該方法的有效性。

關鍵詞：CFM56-5B；N1 VIB；潤滑；Minitab；威布爾分布

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

0 引言

據某航空公司可靠性部門統計，2017年1月至2018年7月A320機隊CFM56-5B發動機振動問題較多，高振動事件千時率達到0.34，高于該公司的預警值。為了減少發動機高振動事件的發生，本文從原因、數據、方法等方面進行分析，得出最優的潤滑間隔，為可靠性部門調整潤滑間隔提供參考。

1 發動機振動原因

在發動機制造過程中，材質不均勻、結構不對稱、加工誤差以及裝配誤差等會導致轉子質量偏心大；在發動機運轉過程中，轉子靜彎曲、熱彎曲、對中不良及轉靜子摩擦等會引起發動機不平衡振動。為降低不平衡振動，發動機制造時會在壓氣機、核心機等位置安裝配重，這些配重在航線維護時無法接近。為便于航線維護，CFM56-5B發動機在風扇整流錐后部設計了36顆配平螺釘。

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

風扇區域因素中又以燕尾榫頭壓力面涂層過早脫落、風扇葉片軸向移動、風扇盤磨損為主。發動機長時間使用后，風扇葉片根部、填充塊以及風扇盤榫槽承壓面等位置的二硫化鉬會脫落，使風扇榫頭與風扇燕尾槽間隙過大，造成發動機轉子各方向的動量矩不平衡，振動值升高。可通過對風扇使用二硫化鉬重新潤滑，使發動機恢復到初始的振動構型，達到降低振動值的目的；也可通過EVMU測相測幅法進行發動機配平，通過配平螺釘反向疊加不平衡的相位和相幅達到降低振動值的目的。但實際上配平工作只是用配平釘抵消了不平衡影響，沒有從根本上解決振動水平高的問題。

為了防止發動機因長時間運行造成葉片磨損以及高振動問題，空客A320飛機在MPD[1]中給出了定期潤滑任務“MSI722000-C2-1 DETAILED INSPECTION AND RELUBRICATION OF FAN BLADE DOVETAILS，MIDSPAN SHROUDS，RETAINERS，SPACERS，DAMPERS AND FAN DISC DOVETAIL SLOTS（詳細檢查并潤滑風扇葉片燕尾、減振凸臺、固定器、墊片、減振器、風扇盤燕尾槽工作）”，任務間隔為3000飛行循環（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整潤滑間隔以減少高振動事件。

2 數據分析

2.1 數據統計與分類

為簡化分析，使用在一個潤滑周期（3000FC）內發生風扇高振動事件的數據，根據該航空公司飛機利用率，以2017年1月至2018年7月為一個潤滑周期。經統計，該周期內共計發生風扇高振動事件41次（已排除無效數據，詳細數據略），發動機運行數量為50臺。

將統計數據按照上一次維護措施進行分類。其中，自上次執行潤滑后發生振動事件34次，部分數據如表1所示；自上次執行配平后發生振動事件7次，這7次事件是潤滑周期內34次高振動事件的發動機執行配平工作之后再次發生的，分布情況如圖1所示。將數據按照執行的維護措施分類，在航線維護中，由于潤滑工作較為耗時，優先采用配平方式，因此41次事件使用了26次配平和15次潤滑。

2.2 數據建模

任何一臺發動機在一個潤滑周期內都有可能發生高振動事件，出現高振動之后可能執行潤滑也可能執行配平。如果執行潤滑，發動機進入下一個潤滑周期；如果執行配平，發動機仍在本潤滑周期之內。分別計算潤滑周期內兩者工作后的高振動概率即可預測未來發動機數量增加后出現高振動事件的數據，從而對潤滑間隔進行調整。

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：假設一個結構由n個小元件串聯而成，可以形象地將其看成是由n個環構成的一條鏈條，其壽命取決于最薄弱環的壽命。單個鏈的壽命為一隨機變量，設各環壽命相互獨立，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。發動機執行潤滑后二硫化鉬不斷被磨損，導致風扇振動水平高，這種磨損分布在每個發動機的葉片上，該失效模式為磨損累計失效，因此潤滑后高振動事件符合威布爾分布。

表1所統計的數據為50臺發動機在一個潤滑間隔（3000FC）內潤滑后出現的高振動事件，而超過一個潤滑間隔其失效概率是未知的，這種情況在統計學上稱為刪失數據（censored data）。由于極大似然法對存在刪失數據的數據樣本具有較高的參數估計精度，因此本文選用極大似然法對威布爾分布進行參數估計。

因A320風扇潤滑屬于MSG-3分析制定的間隔，調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間為95%，工程上不能再低于該值，因此本文采用的置信區間為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，得到潤滑后風扇平均無故障工作時間（MTBF）為1678FC，求解出二參數威布爾分布參數，形狀和尺度對應二參數威布爾數據模型的β、η，所求得的威布爾分布函數即為潤滑后高振動事件分布函數：

2）配平后的高振動概率

根據2.1節所述，航線維護過程中發生高振動后采取潤滑和配平的比例為0.36和0.64，在不改變維護模式的情況下該比例固定。根據統計數據，配平后再次出現高振動事件7次，這些事件發生時的平均循環為配平之后308FC。假設調整潤滑間隔目標大于1000FC，根據再次發生該事件與首次發生該事件的邏輯關系得出：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）高振動事件發生總概率

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

3 潤滑間隔調整

3.1高振動事件與工作估算

將MSI 722000-C2-1產生的潤滑定義為計劃潤滑，將高振動事件產生的潤滑定義為非計劃潤滑，由于非計劃潤滑后會重新起算計劃潤滑時間，這些非計劃潤滑的發動機會進入下一個潤滑周期，需在潤滑周期內進行折算，定義為潤滑清零，因此總潤滑量的計算式為：總潤滑量=計劃潤滑+非計劃潤滑-潤滑清零。

根據該航空公司的飛機利用率，預估下一個潤滑周期（3000FC）的時間為2019年12月，期間預估發動機運行數量為70臺。根據高振動事件發生的總概率計算不同潤滑間隔下出現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系如圖4所示。

3.2 最優潤滑間隔選取

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

潤滑工作成本（含工時、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扇葉片，工作復雜性和風險性相對較高，如果以減少30%高振動事件發生率作為潤滑間隔調整的目標，考慮安全與成本，將潤滑間隔調整到2000FC較為合適。

同時，根據上述計算的配平后高振動概率，提高非計劃潤滑率也有可能降低高振動事件的發生率，因此實際維護過程中可以優先采用潤滑作為維護措施。

3.3 驗證結果

2018年8月，該航空公司將MSI 722000-C2-1發動機葉片潤滑間隔調整至2000FC，并決定在維護過程中提高非計劃潤滑率。根據該航空公司可靠性部門統計的2018年8月至2019年12月數據，發動機高振動事件千時率從之前的0.34降至0.16，數據維持在較穩定水平，證明上述方法有效。

4 結束語

本文基于航空公司實際運行數據，建立威布爾模型，得出最優的潤滑間隔。不同航空公司的發動機在型號（如CFM56-7B）、運行環境、維護模式上存在差異，會產生不同的運行數據，可參考本文的方法建立適合的模型作為調整潤滑間隔的依據。該模型也可以應用于其他符合威布爾分布的維修任務間隔調整。

參考文獻

[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的通用航空發動機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，高級工程師，從事發動機工程管理工作。

吳小松，工程師，從事發動機工程管理工作。

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