摘要：通過對(duì)民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)維修性定性設(shè)計(jì)方法、結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)方法、虛擬維修技術(shù)的研究，以及在某型發(fā)動(dòng)機(jī)研制過程中的應(yīng)用情況，分析了設(shè)計(jì)過程開展結(jié)構(gòu)維修性優(yōu)化改進(jìn)的措施及收益，為后續(xù)民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制全面推行結(jié)構(gòu)維修性設(shè)計(jì)優(yōu)化及提前識(shí)別維修性設(shè)計(jì)缺陷，提高維修效率，降低全壽命周期的維修成本具有重要意義。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動(dòng)機(jī);維修性設(shè)計(jì);優(yōu)化改進(jìn)

中圖分類號(hào)：V263.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）16-0031-03

0? 引言

維修性是指產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)按規(guī)定的程序和方法進(jìn)行維修時(shí)，保持或恢復(fù)到規(guī)定狀態(tài)的能力[1]。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)被譽(yù)為工業(yè)皇冠上的明珠，其重要性不言而喻，由于發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零件數(shù)量多、工作條件惡劣，極易出現(xiàn)故障，且故障模式多而復(fù)雜，因此良好的航空發(fā)動(dòng)機(jī)維修品質(zhì)是保障發(fā)動(dòng)機(jī)持續(xù)安全運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)，其維修性的好壞，將直接影響飛機(jī)的出勤率和發(fā)動(dòng)機(jī)航線維修使用成本[2]。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的維修性是設(shè)計(jì)出來的，對(duì)維修性的優(yōu)化改進(jìn)應(yīng)貫穿到發(fā)動(dòng)機(jī)的全壽命周期，但起決定性作用的還是設(shè)計(jì)階段，即發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)過程中應(yīng)充分考慮維修性設(shè)計(jì)要求并將維修性設(shè)計(jì)思想融入到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中[3]。國外成熟發(fā)動(dòng)機(jī)研制公司如CFMI公司在研制CFM56系列發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)除了貫徹6項(xiàng)維修性要求，還邀請(qǐng)維護(hù)人員參與發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)改進(jìn)工作中，并對(duì)整機(jī)和單元體以及重要的零部件的維護(hù)性設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)審;GE公司在GE90發(fā)動(dòng)機(jī)研制過程中多次組織特邀飛機(jī)制造公司、航空公司的代表參加的專題評(píng)審會(huì)，與用戶一起對(duì)其維修性設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)估，以改善維修性設(shè)計(jì);而RR公司的遄達(dá)系列發(fā)動(dòng)機(jī)則被作為解決跨世紀(jì)未來發(fā)動(dòng)機(jī)維修性設(shè)計(jì)的典范，足見維修性設(shè)計(jì)的重要性[4]。

本文主要介紹了民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)重于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的維修性定性要求設(shè)計(jì)、一體化設(shè)計(jì)、虛擬維修等方面設(shè)計(jì)內(nèi)容，并以某型發(fā)動(dòng)機(jī)為例分析了以上維修性設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)措施。

1? 維修性定性設(shè)計(jì)

維修性定性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則主要包括單元體設(shè)計(jì)、可達(dá)性設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)件及互換性、防差錯(cuò)和標(biāo)識(shí)設(shè)計(jì)、冗余設(shè)計(jì)、維修安全設(shè)計(jì)及其他。其中主要可以在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中重點(diǎn)考慮的維修性優(yōu)化設(shè)計(jì)主要包括單元體設(shè)計(jì)、可達(dá)性設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)件及互換性設(shè)計(jì)、防差錯(cuò)和標(biāo)識(shí)設(shè)計(jì)，具體內(nèi)容如下：

1.1 單元體設(shè)計(jì)

單元體是指一組作為發(fā)動(dòng)機(jī)組成部分的組合件、零件，由結(jié)構(gòu)和工藝保證，按照一定的設(shè)計(jì)要求，組成一個(gè)性能和結(jié)構(gòu)相對(duì)獨(dú)立的單元[5]。單元體設(shè)計(jì)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)廣泛采用的模塊化設(shè)計(jì)方法，民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)單元體通常分為風(fēng)扇增壓級(jí)、高壓壓氣機(jī)、燃燒室、高壓渦輪、低壓渦輪等，具體的單元體數(shù)量及劃分方案需綜合考慮結(jié)構(gòu)方案、布局及試制供應(yīng)商等方面差異，如CFM56-7B有4個(gè)主單元體和17個(gè)維修單元體，PW4000有11個(gè)維修單元體，GE90有4個(gè)主單元體和19個(gè)維修單元體等，某型發(fā)動(dòng)機(jī)共設(shè)置了4個(gè)主單元體和17個(gè)維修單元體，在研制過程中對(duì)單元體設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化，其改進(jìn)措施包括：

①取消壓氣機(jī)后靜子散件狀態(tài)的維修單元體層級(jí)，同時(shí)將燃燒室機(jī)匣和火焰筒合并為一個(gè)維修單元體;

②為實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇增壓級(jí)單元體，將核心機(jī)高壓轉(zhuǎn)子前端壓緊大螺母由前擰緊的安裝結(jié)構(gòu)變?yōu)楹蠖藬Q緊的安裝結(jié)構(gòu);

③針對(duì)使用維修頻次、時(shí)限壽命相當(dāng)?shù)娜紵覇卧w和高壓渦輪單元體，劃分為聯(lián)合主單元體，與壓氣機(jī)并行裝配，提高核心機(jī)單元體裝配、維修效率;

④單元體界面間接口如安裝邊增加頂絲孔和定位銷釘;

⑤單元體界面間結(jié)構(gòu)盡可能簡化：在滿足強(qiáng)度、氣動(dòng)、傳熱等相關(guān)專業(yè)的功能需求前提下，將單元體界面劃分更為清晰，連接結(jié)構(gòu)盡量簡化、便于維修與更換。

通過以上改進(jìn)措施，達(dá)到單元體劃分更為合理、故障單元體維修更為便捷、單元體換裝更為快速等目的。

1.2 可達(dá)性設(shè)計(jì)

通過可達(dá)性的設(shè)計(jì)，使得各零組件間拆裝空間合理可達(dá)，對(duì)應(yīng)的維修操作滿足“看得見、夠得著”的目的。尤其在航線使用維護(hù)過程中，針對(duì)航線可更換組件，其良好的可達(dá)性將直接影響維修效率與維修便捷性。

某型發(fā)動(dòng)機(jī)通過可達(dá)性優(yōu)化設(shè)計(jì)，針對(duì)易損件、消耗件、需要測(cè)試或調(diào)整以及航線可更換的相關(guān)零組件，進(jìn)行布局及空間間隔尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)增加拆裝路徑的尺寸限制要求，并在設(shè)計(jì)階段提前評(píng)估維修工具及維修人員操作空間等，最終通過裝配干涉檢查等環(huán)節(jié)確認(rèn)裝拆路徑上是否直觀可達(dá)、可維修，以確保其可達(dá)性。

1.3 標(biāo)準(zhǔn)件及互換性設(shè)計(jì)

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，綜合考慮功能后，針對(duì)不同部位的連接件、緊固件、密封件等小零件，應(yīng)盡可能統(tǒng)一規(guī)格和種類，盡可能選用標(biāo)準(zhǔn)件，同時(shí)同類別零組件考慮具有互換性，對(duì)快速換裝、減少維修工具數(shù)量、降低維修成本具有重要意義。

某型發(fā)動(dòng)機(jī)在研制過程中，以需求為牽引，持續(xù)不斷的開展標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)量及規(guī)格的精簡工作以及自設(shè)件替換為標(biāo)準(zhǔn)件的評(píng)估工作，以期提高維修效率，降低試制、使用及維修成本。

1.4 防差錯(cuò)和標(biāo)識(shí)設(shè)計(jì)

通過防錯(cuò)設(shè)計(jì)及增加標(biāo)識(shí)設(shè)計(jì)，可以提高維修效率，方便快速定位與查找，防止出現(xiàn)人為判斷導(dǎo)致的錯(cuò)誤裝配等質(zhì)量問題。

某型發(fā)動(dòng)機(jī)在防差錯(cuò)設(shè)計(jì)優(yōu)化改進(jìn)中，主要開展了以下工作：

①對(duì)稱部位結(jié)構(gòu)采用不對(duì)稱緊固件：如各機(jī)匣安裝邊設(shè)置防錯(cuò)偏置孔;法蘭安裝座螺栓間距不同等;

②涉及流體連接件及管路進(jìn)行標(biāo)識(shí);

③有朝向的成附件、傳感器設(shè)置非對(duì)稱連接結(jié)構(gòu);

④測(cè)試點(diǎn)及檢查點(diǎn)設(shè)置醒目標(biāo)識(shí)。

除了以上措施還制定了詳細(xì)的典型結(jié)構(gòu)件防錯(cuò)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，通過這些結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)措施可極大的避免發(fā)生誤裝或裝錯(cuò)的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)提高維修效率。

2? 其他結(jié)構(gòu)維修性優(yōu)化設(shè)計(jì)

某型發(fā)動(dòng)機(jī)在研制過程針對(duì)裝配困難、干涉、維修性差等問題進(jìn)行全面收集與整理，識(shí)別典型故障問題并考慮結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案：

①某型發(fā)動(dòng)機(jī)首臺(tái)整機(jī)試驗(yàn)件在停車后進(jìn)行壓氣機(jī)零件導(dǎo)葉孔探檢查時(shí)，其孔探安裝堵頭無自鎖功能，且裝拆空間緊張，需要分解裝拆路徑上的支板蒙皮結(jié)構(gòu)，此時(shí)發(fā)現(xiàn)支板蒙皮安裝螺栓設(shè)計(jì)為一字型的螺栓頭結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致拆裝過程中螺栓分解困難且容易損壞，嚴(yán)重影響維修檢查效率。

針對(duì)此項(xiàng)問題，后期優(yōu)化改進(jìn)孔探堵頭安裝座結(jié)構(gòu)，增加自鎖功能;同時(shí)支板蒙皮安裝螺栓頭改善為內(nèi)六角的結(jié)構(gòu)，解決了不易裝拆的問題。（圖1）

②某型發(fā)動(dòng)機(jī)首臺(tái)整機(jī)試驗(yàn)后，進(jìn)行各部件孔探檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)，從增壓級(jí)轉(zhuǎn)子沿軸向至低壓渦輪孔探檢查孔的周向分布角度差別較大，往往需要操作人員從發(fā)動(dòng)機(jī)的一側(cè)到另一側(cè)開展檢查，同時(shí)局部的角向位置分布在發(fā)動(dòng)機(jī)的偏上方區(qū)域，需要借助梯子等工具進(jìn)行檢查，操作極為不便。

針對(duì)這一問題，后期優(yōu)化改進(jìn)了孔探孔的周向分布，盡可能靠近偏下方區(qū)域，同時(shí)沿發(fā)動(dòng)機(jī)軸向位置盡可能靠近同側(cè)方向。

3? 一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的越簡單，零件數(shù)目越少，其維修就越容易，維修成本就越低，因此發(fā)動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)過程中綜合所有功能需求后會(huì)結(jié)合簡化結(jié)構(gòu)的方向進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，其中一個(gè)方向就是一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

某型發(fā)動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)過程中就廣泛的采用了一體化融合設(shè)計(jì)，包括對(duì)燃燒室前置擴(kuò)壓器和壓氣機(jī)末級(jí)導(dǎo)葉的融合設(shè)計(jì)，對(duì)風(fēng)扇出口導(dǎo)葉和空心承力支板采用融合設(shè)計(jì)并對(duì)中介機(jī)匣內(nèi)外框架進(jìn)行分體裝配，通過這些措施實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡化的目的，提高了維修效率。

4? MBD技術(shù)及虛擬維修

隨著全三維數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用推廣，航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制過程逐步通過三維數(shù)模設(shè)計(jì)技術(shù)開展設(shè)計(jì)，其典型特征是基于模型的定義（Model Based Definition，簡稱MBD），即用三維實(shí)體模型作為產(chǎn)品整個(gè)研制過程中的唯一數(shù)據(jù)源，并將其應(yīng)用于設(shè)計(jì)、制造、裝配、使用維護(hù)，從而在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段提前發(fā)現(xiàn)和解決問題，提高了產(chǎn)品的可制造性、可裝配性和可維護(hù)性[6][7]。

基于MBD技術(shù)使得虛擬維修技術(shù)成為現(xiàn)實(shí)，并日趨受到重視，通過設(shè)計(jì)階段的虛擬維修性分析評(píng)估，可從維修性的角度提前發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷進(jìn)而改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高了產(chǎn)品的可維護(hù)性，節(jié)約了研發(fā)費(fèi)用，縮短了研發(fā)周期，其作用與邀請(qǐng)客戶和維護(hù)人員提前參與設(shè)計(jì)過程有異曲同工之妙。（圖2）

虛擬維修主要指在包含產(chǎn)品數(shù)字樣機(jī)、維修人員人體模型的虛擬場(chǎng)景中，通過驅(qū)動(dòng)人體模型完成整個(gè)維修過程仿真的技術(shù)[8]。

目前某型發(fā)動(dòng)機(jī)的研制過程中基于虛擬維修技術(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)尚處于初期階段，初步開展了基于模型的動(dòng)態(tài)/靜態(tài)干涉檢查，同時(shí)考慮人體和工具的使用情況，此項(xiàng)技術(shù)的研究仍在持續(xù)開展。

相比傳統(tǒng)的維修設(shè)計(jì)，其具有成本低，效率高、受限少的諸多優(yōu)勢(shì)，是未來提高維修性設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要技術(shù)，值得深入研究與探索。

5? 結(jié)語

本文通過研究維修性定性設(shè)計(jì)方法、結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)方法、虛擬維修技術(shù)以及相應(yīng)技術(shù)/方法在某型發(fā)動(dòng)機(jī)研制過程中的應(yīng)用，分析了在設(shè)計(jì)過程開展結(jié)構(gòu)維修性優(yōu)化改進(jìn)工作的收益及影響，為后續(xù)民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制全面推行維修性設(shè)計(jì)優(yōu)化、提前識(shí)別維修性設(shè)計(jì)缺陷、提高維修效率、降低全壽命周期的維修成本具有重要意義。

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