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摘要：波音737NG飞机装配的CFM56-7B发动机起动时采用空气涡轮起动机，其作用是给发动机起动或冷转程序提供动力。近年来，霍尼韦尔公司生产的件号为3505945系列的空气涡轮起动机壳体螺杆断裂或脱落问题呈现多发性状态，本文对此故障的成因进行了分析。
关键词：发动机；起动机；壳体螺杆
Keywords：engine；starter；bolts of starter housing
1 3505945系列空气涡轮起动机
1.1 起动机构造
件号为3505945系列的空气涡轮起动机具有结构简单、重量轻、维护方便等特点，应用广泛。其主要由进气组件、静叶、涡轮、保持环、切割环、内部支撑组件、小齿轮、行星齿轮组件、离合器、大齿轮、离合器、油泵组件、盘、输出轴拉杆、加放油孔、磁性探测器等部分组成 [1] ，如图1所示。起动机的壳体通过件号为MS9556-32的螺杆进行连接，其作用是通过APU或地面气源的压缩空气使涡轮做功，获得高转速低扭矩，经过减速部分使齿轮获得低转速高扭矩，通过输出轴转动发动机 [2] 。
1.2 厦航机队起动机使用情况
图2为厦航机队起动机因壳体固定螺杆断裂送修及其他故障（起动异常、漏油、磁堵碎屑）送修的分布图。2016年机队首次出现螺杆断裂故障，此后数量持续上升，至2019年因螺杆断裂送修的起动机占故障送修起动机总数的46%，对机队送修成本、备件库存周转等造成较大的影响。
2 壳体固定螺杆断裂故障情况
螺杆件号为MS9556-32，长2-1/2"，螺纹规格为10-32，螺纹长11/16"，直径0.190"。最小拉伸强度130000psi，最小屈服强度85000psi，硬度等级为248-341布氏硬度 [3] 。手册要求拧紧力矩50～55in.lb。运行中螺杆断裂在螺纹端和螺杆头端均有发生，比例约为2：3。
2.1 断口分析
以2020年4月一次起动机故障为例进行分析。该起动机在执行周勤务工卡时发现7、8号螺杆头端断裂，观察螺杆表面光滑，除头部断裂外未见其他损伤，未见弯曲变形等明显损伤。对螺杆头部和杆部过渡位置进行检查，未见裂纹。对螺杆断裂位置的观察可见，断口周边未见特殊的磨损、腐蚀等特征，与其他未断裂螺杆对比，各螺杆头部与杆部过渡位置也未见异常。对其余7根未断裂螺杆进行荧光渗透检查，发现9号螺杆也存在裂纹（见图3）。
图4是电镜下观察到的8号螺杆断面形貌。可见螺杆断口整体平坦，主疲劳起源于左上边缘位置，呈小线源特征，未见材料缺陷和其他损伤，源区附近平坦细腻，为裂纹张开后两裂纹面对磨所致。中部为疲劳台阶，呈45°贝壳纹，测量在0.62mm的长度内有23条明显应力裂纹，从左上角到右下角，疲劳源扩展为初期、中期、后期，贝壳纹的间距逐步扩大。疲劳扩展最后阶段，裂纹转而向右疲劳扩展，疲劳弧线明显，弧线间疲劳条带特征明显。这种情况应与局部受力发生的变化有关。瞬断区较小，为明显的韧窝特征，疲劳区占整个断口面积的80%以上。根据上述特征可以判断，该螺杆的断裂性质为高周疲劳断裂，导致其发生疲劳断裂的应力较小。
2.2 壳体固定螺杆断裂原因分析
1）卡箍改装
2013～2014年世界机队发生3起旧构型起动机卡箍断裂导致发动机空中停车的案例。2015年4月21日CFM颁发CFM56-7BSB80-0016，引入新件号起动机卡箍以提高可靠性和维护性。如图5所示，新起动机卡箍件号为2635M04P01（31428-6600），有更高的可靠性，可解决旧卡箍疲劳断裂导致发动机滑油大量泄漏问题。为避免出现发动机空中停车重大安全隐患，厦航经综合评估后决定从2015年7月开始陆续将所有旧构型卡箍更换为新件号卡箍，至2016年3月28日全机队完成改装。
旧构型卡箍材料较薄，卡箍拧紧力矩为49～55lb·in，厦航机队历史上曾出现8起旧构型卡箍焊点脱落、疲劳断裂故障，卡箍平均断裂时间21261飞行小时。新件号的V型卡箍为较厚材料的一体成型结构，不采用焊点连接，比旧构型重370g，拧紧力矩为115～125lb·in [4] 。起动机尺寸为444.5mm×210.82mm×223.52mm，重量14kg，其前后连接点分别为进气管卡箍和起动机卡箍，两个卡箍互成90°角，起动机壳体由中间的9根螺杆连接（见图6），在起动高负载阶段，螺杆及卡箍承受较大载荷。
针对上述故障，初步怀疑在卡箍改装后，起动机前后两端都由较为刚性的V型卡箍固定，且起动机尺寸较长、重量较重，两端紧固力矩显著提升后载荷相应地转移至壳体固定螺杆，导致螺杆在高周疲劳下产生断裂。如图7所示，厦航机队在2015年完成卡箍改装后，因螺杆断裂送修的起动机逐年上升。图8为厦航起动机协议厂家承修的起动机常见故障占比数据，从中可以看出螺杆断裂占比增速较为突出。
2）螺杆设计缺陷
MS9556-32螺杆早期生产厂家为Mac Fasteners，端面标识为CS。随着世界机队螺杆断裂日益增多，霍尼韦尔公司技术代表建议使用3V Fasteners公司生产的螺杆，端面标识为3V，但断裂的趋势并未停止，可以看出螺杆断裂并非生产质量或批次问题。从与其他航空公司、制造厂商的交流中了解到，V2500发动机使用的790425A系列的起动机重量约15kg，与3505945系列起动机相近；790425A起动机由12根螺纹规格為1/4～28的螺杆固定，力矩值30～40lb.in。即790425A起动机在输出功率更大、螺杆截面积更大、与3505945系列起动机尺寸重量相近的情况下，其螺杆力矩更小 [5] 。厦航也通过波音咨询霍尼韦尔，霍尼韦尔仍坚持表示该力矩符合相关规范，无问题。 3 解决方案探讨
3.1 对航空公司成本的影响
自2003年起，厦航总共发生64起波音737NG起动机涡轮与轴承严重损坏事件，其中60起为导致地面起动失败的重大使用困难事件，4起为导致空中滑油泄漏的重大不安全事件。多年来，厦航以及国内各航司为此做了大量努力，制定了多项预防性措施，但收效甚微。起动机的严重故障往往造成航班长时间延误、空中漏油，导致飞机备降甚至空中停车，且起动机送修时要支付巨大成本，以国内某中型航空公司年均送修100台次为例（因厦航起动机为整体包修，较难精确计算单台故障送修成本），单台起动机送修平均费用为38.5万元，因涡轮损坏等严重故障的送修费用高达102万元。涡轮和轴承的损坏与螺杆断裂都源自起动机高负载、高振动工作环境，螺杆断裂或出现裂纹会显著降低起动机涡轮的剩余不平衡量，有可能加速涡轮与轴承的损坏。作为CFM56-7B系列发动机起动机的唯一制造商，霍尼韦尔公司一直无法提供有效解决方案，目前只对径向轴承失效提供商务补偿，但轴承失效导致的高价涡轮叶片等部件损坏报废却未纳入商务补偿范围，明显不合理，全球航空公司一直在积极申诉争取。
3.2 波音提供在翼更换螺杆的方案
在2019年6月更新的AMM R69上增加了起动机螺杆在翼更换程序，根据波音SR的反馈，该手册只允许航空公司在翼更换螺杆，不可在拆下的情况下更换。而按手册要求，更换螺杆需对所有9根螺杆拧松后重新打力矩，对于起动机背面的螺杆无在翼施工空间。其次，对于螺纹处断裂的螺杆，也只能拆下起动机进行更换。在翼更换螺杆对于该故障只是治标不治本的妥协方案，且无法按提供的手册执行，即使在翼更换断裂的螺杆，其他螺杆的潜在裂纹仍是起动机涡轮不平衡量的较大隐患，波音仍需推动霍尼韦尔改进螺杆的设计。
3.3 对螺杆的强度及力矩的设计
2019年8月的新版CMM中，对大修的起动机要求在大修程序中全部更换9根螺杆。但对航空公司来说，起动机进厂维修并非都需要大修，部分起动仅进行小修。因此，建议厂家在修理起动机的过程中，对非大修的起动机加入对螺杆的检查程序，明确对重复使用的螺杆进行探伤检查或者使用全新件的要求（螺杆采购价在1.7美元左右）。
卡箍、螺杆的断裂与涡轮、轴承失效都源于起动机特殊固定方式下的长期高振动工作环境。通过以上螺杆的设计、力矩值分析及数据验证，有理由怀疑3505945系列起动机在壳体连接螺杆的强度、力矩值方面存在较大的设计缺陷，建议波音与霍尼韦尔对螺杆的强度、力矩值进行重新评估，改进设计。
4 结束语
提高3505945系列空气涡轮起动机的安全性和可靠性牵涉到多方面的共同研究。通过以上论述分析，当前应着重从以下几方面进行推进。
首先，鉴于当前航空公司对起动机螺杆的设计、力矩等设计方面的质疑，制造厂家霍尼韦尔公司应对该螺杆重新进行实验数据验证，对强度、力矩重新进行评估。
第二，螺杆设计不合理、螺杆断裂或出现裂纹降低起动机涡轮的剩余不平衡量，可能加速涡轮与轴承的严重损坏。对于轴承失效导致的涡轮叶片损伤，制造厂家目前仅对径向轴承提供商务补偿，这是不合理的。航空公司应积极申诉，争取将损坏或报废的高价涡轮叶片等部件纳入商务补偿的范围。
第三，航空公司应持续与国内修理厂家共同探讨，推动起动机修理工艺的改进与提高。
参考文献
[1] 霍尼韦尔 CMM 80-11-79 [Z].
[2] CTC-216_ENGINE_SYSTEMS[Z].
[3] MS9556-32-Military-Fasteners-com [Z].
[4] CFM56-7B SB80-0016 [Z].
[5] 方蕾. CFM56-7發动机起动机壳体螺杆断裂分析 [J]. 航空维修与工程，2018，329（11）：36-38.
关键词：发动机；起动机；壳体螺杆
Keywords：engine；starter；bolts of starter housing
1 3505945系列空气涡轮起动机
1.1 起动机构造
件号为3505945系列的空气涡轮起动机具有结构简单、重量轻、维护方便等特点，应用广泛。其主要由进气组件、静叶、涡轮、保持环、切割环、内部支撑组件、小齿轮、行星齿轮组件、离合器、大齿轮、离合器、油泵组件、盘、输出轴拉杆、加放油孔、磁性探测器等部分组成 [1] ，如图1所示。起动机的壳体通过件号为MS9556-32的螺杆进行连接，其作用是通过APU或地面气源的压缩空气使涡轮做功，获得高转速低扭矩，经过减速部分使齿轮获得低转速高扭矩，通过输出轴转动发动机 [2] 。
1.2 厦航机队起动机使用情况
图2为厦航机队起动机因壳体固定螺杆断裂送修及其他故障（起动异常、漏油、磁堵碎屑）送修的分布图。2016年机队首次出现螺杆断裂故障，此后数量持续上升，至2019年因螺杆断裂送修的起动机占故障送修起动机总数的46%，对机队送修成本、备件库存周转等造成较大的影响。
2 壳体固定螺杆断裂故障情况
螺杆件号为MS9556-32，长2-1/2"，螺纹规格为10-32，螺纹长11/16"，直径0.190"。最小拉伸强度130000psi，最小屈服强度85000psi，硬度等级为248-341布氏硬度 [3] 。手册要求拧紧力矩50～55in.lb。运行中螺杆断裂在螺纹端和螺杆头端均有发生，比例约为2：3。
2.1 断口分析
以2020年4月一次起动机故障为例进行分析。该起动机在执行周勤务工卡时发现7、8号螺杆头端断裂，观察螺杆表面光滑，除头部断裂外未见其他损伤，未见弯曲变形等明显损伤。对螺杆头部和杆部过渡位置进行检查，未见裂纹。对螺杆断裂位置的观察可见，断口周边未见特殊的磨损、腐蚀等特征，与其他未断裂螺杆对比，各螺杆头部与杆部过渡位置也未见异常。对其余7根未断裂螺杆进行荧光渗透检查，发现9号螺杆也存在裂纹（见图3）。
图4是电镜下观察到的8号螺杆断面形貌。可见螺杆断口整体平坦，主疲劳起源于左上边缘位置，呈小线源特征，未见材料缺陷和其他损伤，源区附近平坦细腻，为裂纹张开后两裂纹面对磨所致。中部为疲劳台阶，呈45°贝壳纹，测量在0.62mm的长度内有23条明显应力裂纹，从左上角到右下角，疲劳源扩展为初期、中期、后期，贝壳纹的间距逐步扩大。疲劳扩展最后阶段，裂纹转而向右疲劳扩展，疲劳弧线明显，弧线间疲劳条带特征明显。这种情况应与局部受力发生的变化有关。瞬断区较小，为明显的韧窝特征，疲劳区占整个断口面积的80%以上。根据上述特征可以判断，该螺杆的断裂性质为高周疲劳断裂，导致其发生疲劳断裂的应力较小。
2.2 壳体固定螺杆断裂原因分析
1）卡箍改装
2013～2014年世界机队发生3起旧构型起动机卡箍断裂导致发动机空中停车的案例。2015年4月21日CFM颁发CFM56-7BSB80-0016，引入新件号起动机卡箍以提高可靠性和维护性。如图5所示，新起动机卡箍件号为2635M04P01（31428-6600），有更高的可靠性，可解决旧卡箍疲劳断裂导致发动机滑油大量泄漏问题。为避免出现发动机空中停车重大安全隐患，厦航经综合评估后决定从2015年7月开始陆续将所有旧构型卡箍更换为新件号卡箍，至2016年3月28日全机队完成改装。
旧构型卡箍材料较薄，卡箍拧紧力矩为49～55lb·in，厦航机队历史上曾出现8起旧构型卡箍焊点脱落、疲劳断裂故障，卡箍平均断裂时间21261飞行小时。新件号的V型卡箍为较厚材料的一体成型结构，不采用焊点连接，比旧构型重370g，拧紧力矩为115～125lb·in [4] 。起动机尺寸为444.5mm×210.82mm×223.52mm，重量14kg，其前后连接点分别为进气管卡箍和起动机卡箍，两个卡箍互成90°角，起动机壳体由中间的9根螺杆连接（见图6），在起动高负载阶段，螺杆及卡箍承受较大载荷。
针对上述故障，初步怀疑在卡箍改装后，起动机前后两端都由较为刚性的V型卡箍固定，且起动机尺寸较长、重量较重，两端紧固力矩显著提升后载荷相应地转移至壳体固定螺杆，导致螺杆在高周疲劳下产生断裂。如图7所示，厦航机队在2015年完成卡箍改装后，因螺杆断裂送修的起动机逐年上升。图8为厦航起动机协议厂家承修的起动机常见故障占比数据，从中可以看出螺杆断裂占比增速较为突出。
2）螺杆设计缺陷
MS9556-32螺杆早期生产厂家为Mac Fasteners，端面标识为CS。随着世界机队螺杆断裂日益增多，霍尼韦尔公司技术代表建议使用3V Fasteners公司生产的螺杆，端面标识为3V，但断裂的趋势并未停止，可以看出螺杆断裂并非生产质量或批次问题。从与其他航空公司、制造厂商的交流中了解到，V2500发动机使用的790425A系列的起动机重量约15kg，与3505945系列起动机相近；790425A起动机由12根螺纹规格為1/4～28的螺杆固定，力矩值30～40lb.in。即790425A起动机在输出功率更大、螺杆截面积更大、与3505945系列起动机尺寸重量相近的情况下，其螺杆力矩更小 [5] 。厦航也通过波音咨询霍尼韦尔，霍尼韦尔仍坚持表示该力矩符合相关规范，无问题。 3 解决方案探讨
3.1 对航空公司成本的影响
自2003年起，厦航总共发生64起波音737NG起动机涡轮与轴承严重损坏事件，其中60起为导致地面起动失败的重大使用困难事件，4起为导致空中滑油泄漏的重大不安全事件。多年来，厦航以及国内各航司为此做了大量努力，制定了多项预防性措施，但收效甚微。起动机的严重故障往往造成航班长时间延误、空中漏油，导致飞机备降甚至空中停车，且起动机送修时要支付巨大成本，以国内某中型航空公司年均送修100台次为例（因厦航起动机为整体包修，较难精确计算单台故障送修成本），单台起动机送修平均费用为38.5万元，因涡轮损坏等严重故障的送修费用高达102万元。涡轮和轴承的损坏与螺杆断裂都源自起动机高负载、高振动工作环境，螺杆断裂或出现裂纹会显著降低起动机涡轮的剩余不平衡量，有可能加速涡轮与轴承的损坏。作为CFM56-7B系列发动机起动机的唯一制造商，霍尼韦尔公司一直无法提供有效解决方案，目前只对径向轴承失效提供商务补偿，但轴承失效导致的高价涡轮叶片等部件损坏报废却未纳入商务补偿范围，明显不合理，全球航空公司一直在积极申诉争取。
3.2 波音提供在翼更换螺杆的方案
在2019年6月更新的AMM R69上增加了起动机螺杆在翼更换程序，根据波音SR的反馈，该手册只允许航空公司在翼更换螺杆，不可在拆下的情况下更换。而按手册要求，更换螺杆需对所有9根螺杆拧松后重新打力矩，对于起动机背面的螺杆无在翼施工空间。其次，对于螺纹处断裂的螺杆，也只能拆下起动机进行更换。在翼更换螺杆对于该故障只是治标不治本的妥协方案，且无法按提供的手册执行，即使在翼更换断裂的螺杆，其他螺杆的潜在裂纹仍是起动机涡轮不平衡量的较大隐患，波音仍需推动霍尼韦尔改进螺杆的设计。
3.3 对螺杆的强度及力矩的设计
2019年8月的新版CMM中，对大修的起动机要求在大修程序中全部更换9根螺杆。但对航空公司来说，起动机进厂维修并非都需要大修，部分起动仅进行小修。因此，建议厂家在修理起动机的过程中，对非大修的起动机加入对螺杆的检查程序，明确对重复使用的螺杆进行探伤检查或者使用全新件的要求（螺杆采购价在1.7美元左右）。
卡箍、螺杆的断裂与涡轮、轴承失效都源于起动机特殊固定方式下的长期高振动工作环境。通过以上螺杆的设计、力矩值分析及数据验证，有理由怀疑3505945系列起动机在壳体连接螺杆的强度、力矩值方面存在较大的设计缺陷，建议波音与霍尼韦尔对螺杆的强度、力矩值进行重新评估，改进设计。
4 结束语
提高3505945系列空气涡轮起动机的安全性和可靠性牵涉到多方面的共同研究。通过以上论述分析，当前应着重从以下几方面进行推进。
首先，鉴于当前航空公司对起动机螺杆的设计、力矩等设计方面的质疑，制造厂家霍尼韦尔公司应对该螺杆重新进行实验数据验证，对强度、力矩重新进行评估。
第二，螺杆设计不合理、螺杆断裂或出现裂纹降低起动机涡轮的剩余不平衡量，可能加速涡轮与轴承的严重损坏。对于轴承失效导致的涡轮叶片损伤，制造厂家目前仅对径向轴承提供商务补偿，这是不合理的。航空公司应积极申诉，争取将损坏或报废的高价涡轮叶片等部件纳入商务补偿的范围。
第三，航空公司应持续与国内修理厂家共同探讨，推动起动机修理工艺的改进与提高。
参考文献
[1] 霍尼韦尔 CMM 80-11-79 [Z].
[2] CTC-216_ENGINE_SYSTEMS[Z].
[3] MS9556-32-Military-Fasteners-com [Z].
[4] CFM56-7B SB80-0016 [Z].
[5] 方蕾. CFM56-7發动机起动机壳体螺杆断裂分析 [J]. 航空维修与工程，2018，329（11）：36-38.