方蕾

摘要：基于氣動(dòng)起動(dòng)機(jī)零件的可靠度威布爾分布特點(diǎn)來(lái)制定維修策略，為提高使用可靠性、消除和控制不可接受安全狀況以及降低維修成本提出維護(hù)措施和建議。本文可為起動(dòng)機(jī)修理和航線的起動(dòng)機(jī)維護(hù)提供一定參考和思路。

關(guān)鍵詞：可靠性；威布爾分布；起動(dòng)機(jī)；維修

Keywords：reliability；Weibull distribution；starter；maintenance

0 引言

航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)機(jī)（ATS）有多種起動(dòng)方式，用氣源代替電源來(lái)起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)成為現(xiàn)在所有高涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)方式。CFM56和V2500發(fā)動(dòng)機(jī)使用的三種空氣渦輪起動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)方式相同，其中，CFM56-7搭載的3505945系列起動(dòng)機(jī)雖然比CFM56-5和V2500的兩款起動(dòng)機(jī)晚十年面世，但霍尼韋爾在其經(jīng)濟(jì)壽命設(shè)計(jì)上幾乎達(dá)到了極致，導(dǎo)致其使用可靠性在同類中最低。同時(shí)，由于該型起動(dòng)機(jī)輸出軸蓋具有輸油孔與輔助齒輪箱AGB滑油連通共享滑油的獨(dú)特設(shè)計(jì)，當(dāng)起動(dòng)機(jī)發(fā)生漏油故障時(shí)會(huì)引起大發(fā)滑油通過起動(dòng)機(jī)泄漏，嚴(yán)重時(shí)引起大發(fā)滑油量低告警甚至導(dǎo)致空停。另外，某些故障也會(huì)引發(fā)起動(dòng)失效而造成航班運(yùn)行中斷等延誤及惡性延誤情況，這些問題已引起航空營(yíng)運(yùn)人的高度關(guān)注。

1 起動(dòng)機(jī)組成和起動(dòng)原理

氣動(dòng)起動(dòng)機(jī)（見圖1）由三部分構(gòu)成，即齒輪組件、擴(kuò)散體和進(jìn)氣道。起動(dòng)機(jī)安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇后五點(diǎn)半方向位置，利用輔助動(dòng)力裝置（APU）或地面高壓氣源車的空氣壓力帶動(dòng)自身轉(zhuǎn)動(dòng)，再經(jīng)過發(fā)動(dòng)機(jī)的附件齒輪箱和傳輸齒輪箱帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)N2轉(zhuǎn)子加速；當(dāng)轉(zhuǎn)速增加到55%時(shí)，起動(dòng)控制活門關(guān)閉氣源，起動(dòng)過程結(jié)束，起動(dòng)機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)脫開；發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速繼續(xù)增加到59%后，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入慢車位的穩(wěn)定工作。

對(duì)CFM56-7而言，發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，起動(dòng)機(jī)從輔助齒輪箱（AGB）獲得持續(xù)的滑油來(lái)冷卻和潤(rùn)滑離合器、軸承和齒輪。反之，滑油回流AGB，少量滑油留在起動(dòng)機(jī)內(nèi)。

2 可靠性模型

在部件維修可靠性分析中，衡量飛機(jī)部件性能狀況的重要指標(biāo)是可靠度及累積失效概率（不可靠度）。一般情況下，可靠性分析建立在大量故障數(shù)據(jù)樣本的基礎(chǔ)上，主要分析工具是概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)。借助于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，可以用輔助軟件對(duì)采集到的使用數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將維修數(shù)據(jù)和故障數(shù)據(jù)輸入軟件，進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分布計(jì)算后找到這些數(shù)據(jù)屬于哪種分布，獲得可靠性參數(shù)的模型。建模分析的軟件很多，常用的有MATLAB、Weibull++、SAS等。

根據(jù)研究理論，空氣渦輪起動(dòng)機(jī)零件的每個(gè)故障方式均可由一個(gè)威布爾分布表示，整個(gè)起動(dòng)機(jī)的可靠性分布則由各零件的分布綜合而成。威布爾分布函數(shù)如下。

其中，R為可靠度，t為工作時(shí)間，η為特性值，k為威布爾形狀參數(shù)，γ為位置參數(shù)。k、η、γ是威布爾分布的三個(gè)基本參數(shù)。形狀參數(shù)描述分布的形狀并顯示總體中固有的問題類型；特性值η是63.2%的總體壽命；位置參數(shù)γ僅用于當(dāng)產(chǎn)品的壽命以某些指定的工作小時(shí)數(shù)開始時(shí)，如與疲勞相關(guān)的數(shù)據(jù)，而當(dāng)壽命起始點(diǎn)為零時(shí)則不用，此時(shí)也叫做雙參數(shù)威布爾分布。雙參數(shù)的分布在維修領(lǐng)域應(yīng)用很廣泛，使用相關(guān)參數(shù)進(jìn)行分析也非常方便。

根據(jù)研究理論，機(jī)件不同的形狀參數(shù)表現(xiàn)為不同的故障類型：當(dāng)k<1.0時(shí)，故障類型屬于早期失效，且失效率遞減；當(dāng)k=1.0時(shí)，故障類型屬隨機(jī)失效，失效率是個(gè)常數(shù)；當(dāng)1.04.0時(shí)，故障類型屬快速損耗。

通常，確定起動(dòng)機(jī)和零件的壽命分布類型的工作完成后，再根據(jù)分布情況計(jì)算可靠性參數(shù)或故障率或可靠度曲線，進(jìn)一步做相應(yīng)的可靠性的分析。此外，通過工程調(diào)查和計(jì)算得到的可靠性參數(shù)或故障率曲線也是實(shí)際維修工程工作制定維修計(jì)劃和措施中不可缺少的依據(jù)。

3 零件的可靠性分布及維修方式

固有可靠性需要基于起動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)，而使用可靠性則離不開人員、設(shè)備、環(huán)境、工藝等不同方面的影響和配合。在具體研究中，借助合適的數(shù)學(xué)分析工具建立與故障類型匹配的模型，通過定性或者定量的分析來(lái)預(yù)測(cè)部件的使用可靠性趨勢(shì)、確定故障類型應(yīng)該采取的維修方法，可以有效地控制起動(dòng)機(jī)及其零件運(yùn)行可能產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)的環(huán)節(jié)，從而提高起動(dòng)機(jī)的使用可靠性。

統(tǒng)計(jì)分析某航空公司某型起動(dòng)機(jī)中故障表現(xiàn)較為明顯的零件，其可靠度參數(shù)如表1所示，可靠性分布如圖2所示。

根據(jù)雙參數(shù)威布爾分布的物理意義，當(dāng)形狀參數(shù)k值介于1和4之間時(shí)，故障類型屬于早期耗損類型，故障率也會(huì)因?yàn)闀r(shí)間的延長(zhǎng)而升高，提高該階段的使用可靠性可以采用優(yōu)化預(yù)定性維修計(jì)劃的辦法。

根據(jù)表1，齒輪屬于雙參數(shù)威布爾分布形狀參數(shù)在1和4之間的情況，可以根據(jù)備件庫(kù)存等實(shí)際情況，在可靠度達(dá)到某個(gè)可接受概率時(shí)，確定出硬時(shí)限大修時(shí)間；對(duì)于參數(shù)等于1的離合器，壽命區(qū)域（正常工作）屬于偶然失效；軸承有兩種故障方式，形狀參數(shù)在1.5和2.0時(shí)，疲勞或磨損是隨時(shí)間產(chǎn)生不同概率的故障表現(xiàn)；軸承則表現(xiàn)為早期致命破壞的第二種故障方式，形狀參數(shù)為0.5，這是因?yàn)閮H統(tǒng)計(jì)抽樣檢驗(yàn)的軸承，導(dǎo)致一些尺寸或制造誤差的零件進(jìn)入起動(dòng)機(jī)的組件，產(chǎn)生了一定程度的風(fēng)險(xiǎn)。

起動(dòng)機(jī)的可靠性是單個(gè)零件可靠性的乘積。由于各種零件的威布爾形狀參數(shù)不相等，因此起動(dòng)機(jī)的可靠性不符合威布爾分布，擬合曲線如圖2中虛線①所示。理論計(jì)算的某起動(dòng)機(jī)的平均故障間隔時(shí)間是19380次起動(dòng)循環(huán)，符合其63.2%可靠度的特性參數(shù)，在此之前，軸承和齒輪的疲勞故障方式對(duì)起動(dòng)機(jī)的可靠性無(wú)顯著影響。從圖2虛線①可靠性分布可以看出，起動(dòng)機(jī)整機(jī)屬于早期故障，故障率初期較高，隨時(shí)間的增加而遞減，浴盆曲線的早期階段明顯，所以在硬時(shí)限大修之前宜采用狀態(tài)監(jiān)控的方式。

4 故障形式分析和維修對(duì)策

4.1 故障形式分析

從某航可靠性系統(tǒng)調(diào)取近兩年ATS拆下數(shù)據(jù)，拆換原因統(tǒng)計(jì)分布如圖3所示，分別為：孔探發(fā)現(xiàn)葉片油跡（26%），孔探葉片缺陷（22%），起動(dòng)機(jī)有油跡（漏油）（17%），磁堵有金屬屑（13%），螺桿斷裂（9%），起動(dòng)失效（4%），孔探法蘭有劃痕（4%）。

起動(dòng)機(jī)的主要故障形式是漏油和起動(dòng)失效，而運(yùn)行中拆換的原因和故障形式多與這兩種故障相關(guān)。例如，磁堵檢查金屬屑、孔探葉片有缺陷和螺桿斷裂說明某些零件產(chǎn)生了故障，將導(dǎo)致起動(dòng)機(jī)無(wú)法正常運(yùn)轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致起動(dòng)失效。AMM中關(guān)于漏油的檢查，一是檢查排氣口殼體上油濕的區(qū)域是否形成油滴并滴落，如果沒形成滴落則無(wú)需采取措施，二是檢查磁堵及安裝處是否有滲漏。在CFM56-7的起動(dòng)機(jī)維護(hù)中，為了提前發(fā)現(xiàn)故障，避免航班運(yùn)行中斷，會(huì)使用孔探的檢查方法進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控。這些檢查標(biāo)準(zhǔn)高于手冊(cè)要求，但能有效地將不可接受的故障控制在一定水平，效果明顯，例如，拆下發(fā)現(xiàn)油跡的孔探葉片有利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)渦輪軸動(dòng)靜封嚴(yán)的缺陷。

圖3中，在翼孔探檢查葉片是否有漏油故障的跡象以及葉片和擴(kuò)散體法蘭劃痕是否有缺陷和異常的比例合計(jì)占52%，表明在起動(dòng)機(jī)維修中采用狀態(tài)監(jiān)控的比例相比硬時(shí)限維修和視情維修要高。起動(dòng)機(jī)在硬時(shí)限大修之前采用狀態(tài)監(jiān)控的方式可較好預(yù)防航班因起動(dòng)機(jī)故障運(yùn)行中斷的情況。

4.2 維修對(duì)策

ATS修理中需要更換和修理的零件可以分為三種。第一種是手冊(cè)分解章節(jié)中推薦的更換件，如滾柱軸承、碳封嚴(yán)等二十多項(xiàng)；第二種是檢查后不合格需更換或修理的部件，如齒輪、軸承、靜封嚴(yán)、渦輪等十幾項(xiàng)；第三種是可以進(jìn)行深度修理甚至超規(guī)范修理的部件，如擴(kuò)散體、進(jìn)氣罩、渦輪轉(zhuǎn)子等。

1）手冊(cè)分解章節(jié)有推薦更換件分析。該章節(jié)CMM手冊(cè)里包括推薦更換的航材清單，同時(shí)有一句注意事項(xiàng)“In-service experience can be used for actual replacement of parts”，這句話包含兩層意思。一層意思是指該零件使用后的狀態(tài)，需要通過工程評(píng)估來(lái)判定零件狀態(tài)是否已達(dá)到需要更換的標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于基于經(jīng)驗(yàn)維修的MRO而言有一定的評(píng)估難度，這是因?yàn)镸RO可能無(wú)法獲知OEM的設(shè)計(jì)余量，但并不意味著這條路是關(guān)閉的。例如，PN：3502858-1軸承在INSPECTION（檢測(cè)）章節(jié)有送原廠檢查的建議，由于軸承常見的兩種故障方式是疲勞和早期致命性故障，故障分布符合威布爾曲線，使用一段時(shí)間后已排除了早期致命性故障，而針對(duì)疲勞故障，可以通過理論設(shè)計(jì)循環(huán)壽命并借助一定的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)建立該件號(hào)軸承的可接受循環(huán)壽命。另一層意思是指維修人員的經(jīng)驗(yàn)，該人員對(duì)更換件的判斷應(yīng)基于該件的可接受程度，對(duì)適航而言該程度最好是有證據(jù)表明或能量化的。

2）檢查后不合格件分析。這部分的更換主要在于檢測(cè)手段以及零件功能的可達(dá)性檢查。例如，零件號(hào)為3507015-1的密封盤（ROTOR OF SEAL），該密封轉(zhuǎn)子如果僅按照手冊(cè)做磁粉探傷檢查遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。該件與渦輪轉(zhuǎn)子軸肩配合實(shí)現(xiàn)滑油腔的靜密封。起動(dòng)機(jī)使用后傳動(dòng)系出現(xiàn)松動(dòng)會(huì)導(dǎo)致此處密封失效，產(chǎn)生漏油；如修理后此處安裝和檢測(cè)不到位，使用時(shí)也會(huì)出現(xiàn)漏油現(xiàn)象。因此，該靜密封需要通過氣密性測(cè)試和平面平晶的平面度檢查來(lái)確保密封功能的可達(dá)性。與之配合的渦輪軸密封肩的檢查也十分重要，手冊(cè)中要求該處與軸承安裝面的垂直度為0.0002in，并要求表面粗糙度為62μin，屬于機(jī)械加工配合面的精度。該位置與密封盤的密封配合檢查如果等待起動(dòng)機(jī)完全組裝完后再進(jìn)行整機(jī)測(cè)試顯然不經(jīng)濟(jì)，可以考慮增加氣密性檢查作為密封功能可達(dá)性的檢查，避免后續(xù)因漏油而返工。

3）貴重件深度修理分析。在限制PMA件使用的情況下，零件深度修理的開展程度將大大拉開整機(jī)的維修成本，影響使用可靠性。超規(guī)范修理的使用也會(huì)進(jìn)一步加劇這種趨勢(shì)。例如，行星齒輪（PN：3507463-1）執(zhí)行SB80-1709后要求整套更換，價(jià)格非常昂貴，該套行星齒輪的深度修理從相關(guān)航空齒輪翻修工藝和理論上看存在一定的可行性，但原廠設(shè)計(jì)資料中缺乏對(duì)硬化層深度和加工余量的說明，必須深入研究翻修工藝，才能降低維修成本，更好地確保傳動(dòng)系的平穩(wěn)性。

5 結(jié)束語(yǔ)

起動(dòng)機(jī)的運(yùn)行健康狀況對(duì)航班正點(diǎn)到達(dá)的影響較大，發(fā)生起動(dòng)失效也容易造成運(yùn)行中斷而導(dǎo)致航班延誤。本文從起動(dòng)機(jī)的零件和組件的可靠度分布特點(diǎn)出發(fā)制定維修策略，為提高使用起動(dòng)機(jī)的可靠性，消除運(yùn)行中斷導(dǎo)致的航班延誤，控制不可接受安全狀況以及降低維修成本提出維護(hù)措施和建議。