PW4000 发动机角齿轮箱支撑销及衬套脱出的工程预防措施

■ 赵南/北京飞机维修工程有限公司

0 引言

对在航线维护和基地维护的发动机而言，故障能否快速在翼排除将直接影响到飞机的航班计划。PW4000 发动机角齿轮箱支撑销及衬套脱出故障可以在翼排除，但需要更换整个角齿轮箱单元体，更换工作量大，且更换的前提是角齿轮箱单元体有备件。如果没有备件，只能从其他的PW4000 发动机上串件或者直接换发，将对飞机的航班计划产生非常不利影响。本文重点分析了PW4000 发动机角齿轮箱支撑销及衬套脱出故障的原因，给出了详细的排故步骤及依据，在最大限度避免该故障发生的同时建立了快速处置预案，以便在故障发生后快速响应，以最短的时间排除故障。

1 角齿轮箱单元体的作用及固定方式

PW4000 发动机共有11 个单元体，角齿轮箱是其中的一个单元体，主要作用是改变力的传动角度。高压压气机前毂通过伞齿轮组将水平方向的力传递给垂直方向的塔形轴，塔形轴驱动角齿轮箱，角齿轮箱驱动水平方向的齿轮箱驱动轴，达到利用高压轴的力来驱动主齿轮箱的目的。角齿轮箱的作用是将垂直角度的力转换为水平角度。

如图1 所示，角齿轮箱安装在中介机匣的六点位，由前方和后方两个支撑点固定。前方通过壳体两侧的凸台与中介机匣相连，后方通过齿轮箱驱动轴与主齿轮箱相连。角齿轮箱与齿轮箱驱动轴之间通过安装边螺栓的形式固定，内部还有相互啮合的花键，此处的连接十分牢固。相比之下，前方支撑点的牢固程度就要弱一些。

图1 角齿轮箱单元体位置示意图

如图2 所示，角齿轮箱与中介机匣的连接处共包含三个部分，即角齿轮箱壳体、起中间连接作用的吊耳（见图3）和中介机匣。角齿轮箱壳体的两侧各有一个带孔的凸台，凸台的孔中装有衬套和支撑销，支撑销具有一定的伸长量（见图4）。吊耳的孔中同样装有衬套。安装角齿轮箱到中介机匣的过程是先将支撑销伸出壳体的部分插入吊耳的孔中，再用螺栓将吊耳安装到中介机匣上。可以形象地描述为，角齿轮箱通过两个吊耳挂在中介机匣上。此处共有两个连接点：一是吊耳通过螺栓安装到中介机匣上，固定方式可靠；二是角齿轮箱壳体与吊耳的连接，是角齿轮箱固定在发动机上的薄弱环节，故障就发生在此处。

图2 角齿轮箱单元体

图3 吊耳

图4 角齿轮箱壳体凸台、衬套和支撑销

2 故障原因分析

根据客户化的持续适航维修方案（Continuous Airworthiness Maintenance Program），按照一定的检查间隔对角齿轮箱壳体进行重复性检查。飞机维护手册给出了检查的具体条目及标准，其中支撑销和衬套脱出是最为常见的故障形式（见图5、图6）。

图5 左侧为正常的支撑销，右侧为脱出的支撑销

图6 衬套脱出

按照手册要求，壳体两侧凸台内的支撑销应与吊耳表面平齐，不应有向外的轴向位移，即脱出迹象。若发现支撑销凸出吊耳表面，如果凸出距离小于3.175mm，维持原有的重检间隔；如果凸出距离大于3.175mm 而小于6.35mm，则每25 循环重检；如果凸出距离大于6.35mm，则立即更换角齿轮箱。同时对壳体两侧凸台内的衬套以及两个吊耳的衬套进行检查，衬套应紧密贴合在凸台及吊耳表面，不应有间隙，若有脱出迹象，可以保留故障至下次发动机大修时进行修复。

从大量的航线排故实例来看，如果能够目视看出支撑销脱出，经测量，位移肯定大于3.175mm，就需要执行每25 循环的重复检查，不仅影响飞机的利用率，还会造成航线工作量的增加，而且后续肯定要更换角齿轮箱。若是大于6.35mm，则必须立即更换角齿轮箱。而且衬套脱出基本上都伴随支撑销的脱出。

支撑销和衬套容易发生脱出故障的主要原因如下。

1）角齿轮箱主要负责改变力的传动角度，工作过程中容易发生振动，使连接处发生松动；

2）角齿轮箱壳体为铸铝件，重量轻但结构强度弱，可修性差，为避免因应力集中的连接处损伤导致整个壳体报废，将实际与吊耳发生接触的部分设计为单独的零件，即支撑销和衬套与角齿轮箱壳体不是一体，而是依靠热胀冷缩产生过盈配合维持紧固力。此设计导致支撑销和衬套之间以及衬套和壳体之间的紧固力不强，在连接的可靠性上明显不如单一零件或是通过紧固件紧固方式连接的零件，在长时间振动环境下工作后容易发生松动并脱出。

3 预防性工程措施

从以上分析可以得出，PW4000 发动机角齿轮箱自身的结构和安装方式决定了支撑销及衬套脱出的情况很难避免，发动机维护手册也给出了相应的检查要求，在安装时还设计了保险措施。

针对壳体两侧凸台内衬套和吊耳衬套的位移，手册中有明确的位移量检查要求，超过位移极限值就要求更换衬套。针对壳体两侧凸台内的支撑销，手册中有明确的外径检查要求，超过外径极限值就要求更换支撑销。以上检查要求可以发现衬套位移故障，但是对于支撑销位移故障，仅仅检查外径是不够的。由于支撑销与壳体之间是通过紧配合实现连接，如果两者的紧固力不强，不需要表面发生明显磨损就可能已经脱出。实际上，绝大部分支撑销脱出的案例中，支撑销的外径均符合手册要求。某次维修过程中，支撑销外径没有明显磨损但已经脱出，而手册仅要求检查支撑销外径，没有支撑销位移的相关检查要求。如果在这种情况下对于脱出的支撑销不执行更换工作，就错过了一次发现问题和解决故障的机会。

有一种解决方案，是在安装角齿轮箱时，将一个止挡条拧在吊耳的螺纹孔中，止挡条挡住了支撑销发生位移的方向，可起到防止支撑销脱出的作用。但在很多故障实例中，发现止挡条已经被脱出的支撑销顶弯，并没有发挥预期作用，这种情况往往是因止挡条本身强度不够造成的（见图7）。

图7 支撑销与止挡条的状态

因此有必要制定新的工程预防措施，避免大修后的发动机带着衬套脱出和支撑销脱出故障出厂。

预防性工程措施应包括两个方面，一是此次进厂的角齿轮箱不从发动机上拆下，二是角齿轮箱从发动机上拆下并分解（一般不存在角齿轮箱从发动机上拆下且不分解的情况）。

针对第一种情况，在发动机进厂检查阶段，即按照航线的检查要求，检查角齿轮箱支撑销和衬套是否脱出。一旦发现脱出，即报告客户扩大工作包范围，将角齿轮箱单元体和吊耳拆下并分解，更换衬套和支撑销为新件。经测算，从发动机上拆下角齿轮箱、分解角齿轮箱、零件检查并更换脱出的衬套和销钉、组装角齿轮箱到将角齿轮箱安装到发动机上，共需要工时28h，完全可以包含在发动机的维修周期中。

针对第二种情况，可将更换角齿轮箱壳体支撑销和衬套以及吊耳衬套作为例行工作，即无论支撑销和衬套是否有位移，均更换为新件，目的是确保将壳体与衬套和支撑销与衬套之间的紧度恢复至最佳状态。经测算，器材费用约为2000 美元，工时为9h。而一台PW4000发动机大修级别维护费用在数百万美元量级，工时约10000h。由此可见，此预防性维修措施产生的额外花费可忽略不计，但是得到的收益却十分可观，可以最大程度地避免航线运营期间发生该故障导致飞机停场维修的情况。

4 快速处置预案

以上所述的预防性工程措施是利用发动机进厂维护的时机将故障点排除，最大程度地避免在航线上发生该故障。但该故障属于PW4000 发动机角齿轮箱的结构设计问题，不可能完全避免，因此还应考虑航线发生故障时的快速处置预案。

航线上发现该故障后的处置流程为：在翼拆下角齿轮箱→在大修车间分解角齿轮箱→零件检查并更换脱出的衬套和销钉→组装角齿轮箱→在翼安装角齿轮箱→执行相应的在翼试车项目。以上工作中，在翼拆装角齿轮箱和在翼试车是无法节省时间的，唯一可以优化的环节是在大修车间执行恢复角齿轮箱的工作。优化的方法是提前做好更换角齿轮箱的航材备件准备，将处置流程简化为：在翼拆下故障角齿轮箱→在翼安装备用角齿轮箱→在翼试车。经测算，在翼拆装角齿轮箱共需要8h；分解角齿轮箱、零件检查并更换脱出的衬套和销钉、组装角齿轮箱，共需要21h。在做好航材备件的情况下，可明显缩短排故时间，最大限度的降低故障对飞机航班计划的影响。

同时，将拆下的故障角齿轮箱尽快送到大修车间完成修理、测试和放行，成为可用的航材备件。除准备好备用角齿轮箱外，还应准备好排故所需的工具工装、两套排故所需的所有消耗器材（消耗器材易损坏，故准备两套）以及所有工卡，以便航线维护中出现该故障时启动快速处置预案，最大程度地缩短排故时间。

在与某航空公司进行的长期维修合作中，建立的快速处置预案能够高效完成排故工作，没有造成过航班的延误和取消。

5 总结

PW4000 发动机角齿轮箱支撑销及衬套脱出故障主要是由角齿轮箱的结构和安装方式所决定。基于发动机维护手册的检查要求，并不能很好地发现并排除该故障。因此提出了比现有手册更为全面的预防性工程措施，并建立了该故障的快速处置预案。采用新的工程预防措施，能够确保经大修车间维修的角齿轮箱壳体支撑销和衬套都处于最佳的紧固状态，最大程度地降低因紧固力不够，在使用过程中发生支撑销和衬套脱出的风险，确保了发动机的安全运行。同时，通过建立的航线快速反应处置预案，能够在最短的时间内完成在翼排故，保障机队的正常运营。