LEAP-1B发动机径向驱动轴轴承（RDS）孔探方案

2021-12-21吴宪林育森黄伟桓

航空维修与工程 2021年11期

关键词：铆钉轴承磨损

吴宪林育森黄伟桓

摘要：本文详细介绍了LEAP-1B发动机径向驱动轴（RDS）孔探开发完善过程及其控制方案。

关键词：径向驱动轴；孔探；LEAP-1B 发动机

Keywords： radial driven shaft；bore-scope inspection；LEAP-1B engine

0 引言

LEAP-1B是CFM公司研发的一款装于波音737MAX飞机的新型发动机，因其节能、降噪等突出优势得到了运营商的青睐，截至2019年3月停飞时全球有390架波音737MAX飞机安装了该型发动机，国内有96架，其中南方航空有24架。新型发动机初期使用中普遍存在不同程度的技术问题，仅在停飞前半年内，该型发动机就发生了8起空中停车事件，其中5起缘于发动机传动齿轮箱（TGB）径向驱动轴（RDS）的设计缺陷，导致其内部无法形成足够的润滑油膜，使轴承与保持架发生磨损、失效[1]。RDS已经成为影响LEAP-1B发动机安全使用的主要薄弱环节，为此，南方航空工程团队决定对其失效防范方案进行立项研究。

1 孔探方案

1.1 方案的提出

CFM公司早期针对LEAP-1B发动机RDS失效给出的预防方案是对发动机磁堵进行定期检查，其原理是RDS轴承在发生磨损后产生的碎屑可被磁堵探测器抓取，通过检查磁堵是否有碎屑就能够判断轴承是否有磨损。但厂家方案有两个弊端：

1）滞后性，磨损发生后才会有碎屑产生，无法及时发现，十分被动；

2）精准差，实际使用中轴承磨损产生的碎屑并不一定都会被磁堵抓取。

世界机队频发的空停事件也说明了以上方案的局限性。

RDS失效的直接原因是轴承磨损，南航项目组认为，如果能够通过孔探的方式检查RDS轴承的真实状态，就可以及时发现失效前的早期征兆。

1.2 程序开发

发动机例行维护中，一般只有针对内部气路通道的孔探检查程序，对 LEAP-1B发动机的RDS和轴承的孔探并无先例可循。轴承腔体结构复杂（见图1），极易卡住孔探设备，需要小心探索；腔体中有滑油聚积，易污染镜头，需要反复退出清洁。

为了实现目标，项目组查阅了大量图纸和资料，对RDS的内部结构有了详细的了解。2019年1月31日，经多次尝试，在拆卸TGB和RDS外轴后，用4mm直径的孔探设备，通过RDS余油孔完成了首次孔探，直接观察到了RDS轴承保持环的真实状态（见图2）。

1.3 程序优化

以上的孔探检查需要拆装TGB，所需工时人力和飞机停场时间较多，并且由于当时厂家供应问题，相关航材紧缺。为了进一步提高RDS孔探检查普及的可行性，项目组从检查方法、设备、辅助导管等方面不断改进，成功探索出无需拆卸TGB即可完成孔探的方法[2]。

1）使用孔探导管辅助照明，将导管轻柔穿过TGB内部第一层右侧中部小孔（见图3）。

2）选择靠上部螺杆的位置，沿红色箭头方向向上穿入TGB内部第2层腔体，接近第2层的小孔（见图4）。

3）将孔探管穿过导管，可以看到一侧为TGB内部齿轮，另一侧椭圆形孔洞为目标方向，向椭圆形孔方向90°缓慢调整孔探管，会看到有2个距离相近的孔，注意兩孔之间的螺杆，在图5所示的视角下，螺杆右侧的孔即为正确方向，穿过椭圆孔后可观看到图2中的圆形余油孔，穿过圆孔后即可到达轴承检查区域。

4）固定孔探头，人工转动齿轮箱N2驱动轴，可以同步转动RDS，即可实现360°全面检查。

2 检查标准

2.1 轴承变色

通过孔探检查方式，完成了全机队48台LEAP-1B发动机RDS的检查，发现10台发动机RDS轴承有不同程度的变色（见图6）。

初步怀疑变色为轴承磨损发热滑油结焦导致。该现象比较直观，因此，早期的检查方案将RDS变色程度作为RDS磨损的主要评估标准。然而，随着变色发动机陆续进厂分解检查以及对测试发动机的持续监控，发现发动机RDS的变色程度与磨损程度并无直接关联（图7）。

2.2 保持环及铆钉磨损

RDS失效始于轴承内部无法形成滑油油膜，轴承保持环与内环外表面局部相磨，随着间隙逐渐增加，进一步加速了磨损，最终在疲劳应力作用下铆钉破坏，保持环被分解。整个过程中，轴承保持环与内环接触的内表面是磨损最严重的地方（见图8），因此，可以通过测量铆钉的磨损程度来反映保持架的磨损程度。但损伤的发展速率和控制方案还无法确定。为了进一步研究磨损速率，对一台有典型RDS磨损的LEAP-1B发动机进行耐久性测试。

2.3 模拟测试

耐久性测试进行80h，模拟发动机在起飞、爬升、巡航、下降过程的使用状态共600多个循环，每8h对发动机进行TGB磁堵检查和RDS孔探检查，并下载发动机连续性运行数据（CEOD）进行滑油数据分析，全程高频采集发动机各项参数。根据该机的测试参数，得出以下有关RDS损伤发展的关键性结论。

1）RDS轴承保持架的磨损规律在初期保持为线性磨损，可根据使用时间和磨损量进行测算；线性磨损至0.8mm后，磨损率有所下降（见图9）；模拟测试的磨损率与在翼磨损率一致，这也反证了测试数据作为在翼使用时间预估的可行性。

2）从保持架10个铆钉的磨损程度可以看出其磨损并非周向均匀的，在评估预期使用时间时需要考虑最大磨损量，这就要求在孔探检查中必须对所有铆钉的磨损程度进行测量（见图10）。

3）RDS分解后轴承的实物磨损测量值与孔探测量值接近，验证了孔探测量磨损程度的准确性。

2.4 失效时间预测

LEAP-1B RDS轴承保持架的内圈到铆钉杆的厚度为1.4mm，当磨损量到达1.4mm时，铆钉杆体受损，无法固定保持架，组件被破坏（见图11）。

根据模拟测试结论，如果将放行标准设置为0.8mm，根据线性磨损结论，通过RDS的使用时间与当前磨损程度可以推算出其磨损至0.8mm时需要的时间，作为预期使用时间，此时离实际磨损失效程度还有0.6mm的厚度，加之磨损速率下降，有较高的安全使用裕度（见图12）。

3 方案应用

通过以上检查，南方航空已经发现16台发动机有磨损需要更换，有效降低了LEAP-1B发动机因RDS失效导致的空停风险。

2019年3月，南方航空通过发动机厂家CFM公司以服务通告（SB）的形式将LEAP-1B发动机RDS孔探程序分享给其他用户，CFM公司又根据南航提供的机队检查结果和测试发动机数据，推出了RDS孔探2.0项目，以TGB磁堵检查为辅，结合软件分析，通过孔探测量RDS保持架磨损程度和磨损速率，对发动机在翼预期使用时间进行精准测算[3，4]。同年，中国民用航空局（CAAC）、美國联邦航空局（FAA）、欧洲航空安全局（EASA）分别发布适航指令2019-MULT-37、2019-12-01、2019-0137，将RDS的孔探加入适航检查项目。