A320系列飞机CFM56-5B发动机起动机驱动轴脱开导致的启动故障浅析

一、事件背景

一架 A319 飞机（CFM56-5B 发动机）在某机场过站出港时，出现右发起动不成功故障。当时驾驶舱观察 APU 引气压力为 26 PSI，右发起动活门已打开，发动机高压转子 N2 转速无上升。机务维修人员地面检查右发风扇叶片正常，转动风扇叶片无卡阻。机组再次采用交输引气起动，交输引气压力为 32 PSI，右发起动活门能正常打开，但 N2 转速仍然不上升。机组一共尝试三次启动均以失败告终，三次启动期间 N2 转速一直为 0 此架飞机上一航段以及近期执行航班期间，机组启动发动机均都正常。

为此，航空公司派出自己的机务维修人员前往该机场执行排故，排故时拆下右发起动机，发现起动机的驱动轴已经脱开，同时发现该起动机的壳体发生破裂，如图 1-2 所示，正常状态见图 3。维修人员更换了起动机后故障排除，机组成功启动发动机继续执行后续航班。该起动机后续被送修分解，发现其内部转子（Seal Rotor）已经发生了位移（图 4 所示）。

图 1：起动机驱动轴脱开

图 2：起动机壳体破裂

图 3：起动机驱动轴和壳体的正常状态

图 4：起动机内部转子发生位移

二、原理分析

CFM56-5B发动机的起动机为美国Honeywell 公司生产，此次发生故障的起动机件号为3505582-28是原装起动机，已经运行 3000 多小时和 1600 多循环，为机队中较年轻的起动机。

1.起动机驱动轴构造：

起动机驱动轴分为粗细两端，通过剪切销（90）将粗轴内的轴（60）与细轴内的轴（100）连接在一起，带动两段转轴共同旋转，剪切销在驱动轴内部，正常情况下从外观上看不见。驱动轴的结构如图 5 所示：

图 5：起动机驱动轴结构图

2.起动机驱动轴的工作原理：

启动开始过程（N2 转速 0%-50% ）：

起动机驱动轴（ATS）端的细轴通过着力面（平面 A）传递周向力，带转发动机（ENG）端的粗轴顺时针旋转（如图 6 所示）。

启动结束过程（N2 转速 50% ）：

起动机内部的离合器将（ATS）端的细轴与起动机内部的转子脱开，此时发动机（ENG）端的粗轴通过着力面（斜面 B）传递周向力与轴向力，带转起动机（ATS）端的细轴顺时针的空转，此空转通常称作起动机与发动机脱开（如图 6 所示）。

注：驱动轴粗细的两段轴正常连接啮合很紧密，进行同步旋转，通常不会产生差动量。

图 6：起动机驱动轴实物

3.起动机驱动轴的脱开机制

正常情况下，在启动开始时，起动机通过驱动轴传递周向力转动发动机，由于驱动轴粗细两端啮合齿的作用，剪切销（90）不受周向力的作用而损伤或切断，驱动轴也就不会脱开。当启动结束时，发动机带转驱动轴传递周向力和轴向力空转，剪切销（90）会受到轴向的拉力作用，会因之前存在的损伤而被切断，或因驱动轴空转时起动机端受到阻力，剪切销也会被切断，驱动轴的粗细两端就处于未连接状态，一旦起动机启动，驱动轴就会旋转脱开。剪切销如图 7 所示。

图 7：起动机驱动轴内部的剪切销

启动开始过程（N2 转速 0%-50% ）：

起动机通过着力面（平面 A ）带转发动机旋转，此时驱动轴的粗细两端通过剪切销（90）正常连接，驱动轴只有周向力无轴向力。所以在正常情况下，发动机启动过程中，起动机的驱动轴不会脱开，即便发动机转子特别紧或者抱死、卡死也不会脱开。除非是剪切销先前已被切断，驱动轴的粗细两端处于未连接状态；或是驱动轴啮合齿面受损，使剪切销承载了周向力被切断；再或是驱动轴的着力面（A）受到严重损伤，产生了轴向拉力，促使剪切销被切断，从而使驱动轴脱开。

启动结束过程（N2 转速 250% ）：

起动机内部的离合器将驱动轴脱开，发动机通过着力面（斜面 B）带着驱动轴空转，此时有轴线方向上的分力，驱动轴同时传递周向力和轴向力，剪切销（90）就会受到轴向的拉力。如果此时剪切销之前受到损伤，转动过程中会因损伤部位应力集中而被切断，使驱动轴脱开；如果起动机内部卡阻或损坏，使起动机这端空转受到阻力，发动机端又在驱动旋转，此时剪切销也会被切断，驱动轴就会保护性脱开。

三、驱动轴脱开原因总结

通过驱动轴的工作原理分析，并结合过去多起案例总结，CFM56-5B 发动机大部分起动机驱动轴脱开的原因都是由于人为原因导致起动机安装不当或搬运不当，使剪切销受损甚至被切断，造成驱动轴脱开。但也有少部分案例，是由于起动机内部本身的问题，比如内部零件损坏、卡阻、卡死等原因使剪切销切断，导致起动机驱动轴保护性脱开。因此，总结起动机驱动轴脱开的原因有以下三点：

1.起动机安装不当

安装起动机时，未垂直附件齿轮箱 AGB 底座进行安装，使剪切销受损或切断；

安装起动机时，驱动轴支撑了起动机的整体重量，使剪切销受损或切断；

拆下和安装起动机过程中，逆时针扭转起动机驱动轴或来回顺时针、逆时针扭转驱动轴，使剪切销受损或切断；

2.起动机搬运不当：

搬运起动机时，习惯性用手提起动机驱动轴的一端来搬运，从而损伤内部的剪切销或切断。

3.起动机内部本身问题：

在发动机启动完成后，此时起动机内部的离合器脱开驱动轴由发动机带着空转（通常称作起动机与发动机脱开），如果此时起动机内部的零件损坏、卡阻或卡死，驱动轴会因受到阻力不能正常空转，促使剪切销被切断，从而导致驱动轴保护性的脱开。

以上三种原因，如果剪切销被直接切断，之后发动机第一次启动就会失败。如果剪切销仅是受损未被切断，那么发动机第一次启动时可以正常的成功启动，当起动机在启动结束阶段既内部的离合器脱开后，剪切销会到受轴向的拉力而被切断；如果剪切销没有损伤但因空转时受到阻力销子也会被切断。因此，在第二次启动发动机时，因驱动轴没有剪切销的连接，起动机一转动就促使驱动轴脱开，导致第二次启动时出现启动失败故障。

四、案例分析

关于上述右发启动不成功案例，这架飞机在上一航段以及近期航班过程中都启动正常，无任何启动异常、启动故障的现象出现。那么通过分析，起动机驱动轴脱开的时间应该是在上一个航段发动机启动完成后，也就是起动机与发动机脱开（离合器脱开）时断开的。而驱动轴脱开的原因，是由于起动机内部转子（seal rotor）发生位移，接触到壳体（seal housing）发生磨损直至破裂，影响到起动机内部的离合器等部件的正常工作。在正常情况下，起动机与发动机脱开时，是驱动轴与发动机一起空转，离合器端无阻力，而此时由于起动机的转子（seal rotor ）发生位移，导致离合器端的部件无法正常工作，对驱动轴产生了较大的阻力，驱动轴就发生了保护性脱开，最终造成了此次发动机启动不成功的故障。

查询当前空客 AMM 手册，在起动机的拆装章节也有相关注意事项 Caution 提醒：

安装起动机时，要垂直对齐 AGB 底座进行安装;

安装起动机时，不要让驱动轴支撑起整个起动机重量;拆装起动机时，使用合适正确的工具进行拆装，注意扭转时不能损伤剪切销

五、结束语

通过上述分析，提醒机务维修人员搬运、拆装 CFM56-5B 发动机的起动机时，注意不要损伤驱动轴内部的剪切销，并且要严格遵守 AMM 手册中的 Caution 要求，同时禁止用手提起动机的驱动轴。

作者简介：

路旺 ，男，航空公司发动机工程师，主要从事民航发动机工程管理工作