導(dǎo)讀：本期主題是發(fā)動機限壽件，那么什么是限壽件呢？限壽件是指發(fā)動機中“其原發(fā)失效（Primary failure，不是由于其他零部件或系統(tǒng)的失效而導(dǎo)致的失效，與二次失效相對）可能導(dǎo)致危害性發(fā)動機后果的轉(zhuǎn)子和主要靜子結(jié)構(gòu)件”，包括盤、軸等部件。正因為這些部件的完整性對飛行安全極其重要，對這些部件必須進(jìn)行壽命設(shè)計、制造控制和部件壽命期內(nèi)的全面管理，世界各國民航管理部門都在適航條例中做出了壽命控制的相關(guān)規(guī)定。而這種規(guī)定是怎么來的，具體有哪些要求，經(jīng)歷了什么樣的變化，核心要求又是什么？今天，我們就來給大家分享我們的認(rèn)識。

    什么是機械的結(jié)構(gòu)疲勞，它有多可怕？

    人會疲勞，人有壽命；機械結(jié)構(gòu)也會發(fā)生疲勞，也會到壽失效；航空發(fā)動機這種機密的機械設(shè)備當(dāng)然無法例外，那么結(jié)構(gòu)疲勞是如何定義的呢？

    結(jié)構(gòu)疲勞：指材料在應(yīng)力或應(yīng)變的反復(fù)作用下發(fā)生的性能變化叫做疲勞（參考國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）在1964年發(fā)表的報告《金屬疲勞試驗的一般原理》）。

    機械結(jié)構(gòu)若受靜力載荷，當(dāng)載荷較大時，結(jié)構(gòu)一般會發(fā)生明顯變形（如頸縮現(xiàn)象），我們能從變形量感知到結(jié)構(gòu)即將破壞，從而可以避免繼續(xù)加載使得結(jié)構(gòu)發(fā)生斷裂；與靜載荷相比，機械結(jié)構(gòu)在疲勞載荷作用下沒有顯著的變形預(yù)警，在累積到某個循環(huán)時極有可能突然發(fā)生斷裂。（是不是已經(jīng)被繞暈了？舉個簡單的例子吧：一根鉛絲你一下子掰彎了但不會斷，但是如果你堅持反復(fù)掰來掰去，它就會斷的，這就是結(jié)構(gòu)疲勞。）

    如果這種機械結(jié)構(gòu)是我們飛行旅途中身處的機艙，隨著飛機的起飛和降落，機艙在內(nèi)外壓差等載荷的循環(huán)作用下會不會可能發(fā)生疲勞破壞呢？

    沒有明顯的變形、沒有任何的征兆彗星號機艙就突然破裂了？是的，它斷得是如此慘烈和突然。對航空器內(nèi)的乘客而言，瞬間從微笑著的天堂墜入了烈火地獄。

    渦輪發(fā)動機自問世以來，無論軍民用，在使用過程中均會因為某些部件的低周疲勞失效導(dǎo)致飛機的3級或4級事件發(fā)生。美國汽車工程學(xué)會（SAE）最早進(jìn)行了民用航空器發(fā)生非包容（屬于FAR 33.75描述的“危害性發(fā)動機后果”之一，也是限壽件失效后最常見的后果）事件的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，1962年-1975年期間，發(fā)生多起由于發(fā)動機轉(zhuǎn)子盤和隔圈破裂導(dǎo)致航空器嚴(yán)重破損和出現(xiàn)人員傷亡的事故（參考SAE AIR1537）。

    限壽件條款是怎么來的？

    面對發(fā)動機部件、特別是那些關(guān)鍵的轉(zhuǎn)子部件發(fā)生疲勞斷裂后會引起機毀人亡的事故實事，為了公眾安全利益以及整個商業(yè)運輸行業(yè)的健康發(fā)展，必須出臺相關(guān)法規(guī)以提高發(fā)動機的安全水平。1971年美國聯(lián)邦航空局（FAA）發(fā)布了編號為“Notice No. 71-12”的立法通告，意在聯(lián)邦航空法規(guī)第33部中增加“33.14啟動-停車循環(huán)應(yīng)力（低周疲勞）”的條款要求，以減少發(fā)動機盤和隔圈失效導(dǎo)致的非包容事件。1974年通過第6修正案，將“33.14啟動-停車循環(huán)應(yīng)力（低周疲勞）”正式納入FAR33部。第6修正案的發(fā)布，為發(fā)動機制造商盤和隔圈的低周疲勞壽命確定提供了標(biāo)準(zhǔn)的符合性要求，從法規(guī)角度控制了盤和隔圈低周疲勞失效的發(fā)生率。條文內(nèi)容的簡要分析如下：

    限壽件條款經(jīng)歷了哪些變化？

    隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展以及各發(fā)動機OEM的實踐，F(xiàn)AA在考慮法規(guī)不應(yīng)限制工業(yè)技術(shù)的情況下，1984年FAA通過第10修正案對該條款進(jìn)行了修訂。

    與第6修正案相比，“33.14啟動-停車循環(huán)應(yīng)力（低周疲勞）”有以下幾處顯著變化：

    第10修正案發(fā)布后，航空運輸行業(yè)仍會間斷發(fā)生因為盤等部件失效而導(dǎo)致的重大事故，如1989年發(fā)生的Sioux City空難以及1996在Pensacola發(fā)生2人罹難的非包容事件。

    視頻蘇城空難剪輯片段（來自于網(wǎng)絡(luò)）蘇城空難可以總結(jié)為：CF-6發(fā)動機風(fēng)扇盤所用鈦合金（α+β相）在材料成型過程中產(chǎn)生了hard α相缺陷，通俗講就是指材料里面埋了一些“隱性炸彈”，導(dǎo)致該風(fēng)扇盤在未達(dá)到預(yù)期的使用壽命時提前發(fā)生疲勞斷裂，破裂的風(fēng)扇盤打穿發(fā)動機機匣、短艙并打斷DC-10飛機關(guān)鍵的全部三套液壓控制系統(tǒng)，從而使得飛機失去姿態(tài)控制能力，引發(fā)空難。

    兩起空難事件引發(fā)了以下三個問題的思考：1、鈦合金作為廣泛使用的航空材料，如何降低類似缺陷出現(xiàn)的可能性，加工缺陷為何未能及時檢測發(fā)現(xiàn)并處理？2、風(fēng)扇盤作為發(fā)動機典型的限壽件，采用非常保守的安全壽命法進(jìn)行壽命設(shè)計，為何還不安全？3、風(fēng)扇盤破裂產(chǎn)生高能非包容碎片，為何一次性破壞了飛機的全部3套關(guān)鍵液壓操控系統(tǒng)？

    事故發(fā)生后，基于NTSB的調(diào)查結(jié)果，F(xiàn)AA以及工業(yè)方法從以上三個方面審視了現(xiàn)行方法中關(guān)于關(guān)鍵部件材料工藝和加工的控制、發(fā)動機轉(zhuǎn)動限壽件的定壽方法以及飛機區(qū)域安全性設(shè)計等環(huán)節(jié)的不足之處。對缺陷控制方面，F(xiàn)AA組織工業(yè)方分別在2000年和2008年發(fā)布了兩個階段的研究報告《TurbineRotor Material Design》，旨在降低材料制造過程引入的缺陷。潘城空難也促使對孔加工方面進(jìn)行了系統(tǒng)研究，F(xiàn)AA于2006年發(fā)布了題為《Guidelinesto Minimize Manufacturing Induced Anomalies in Critical Rotating Parts》的技術(shù)報告，上述報告對發(fā)動機限壽件材料加工和部件制造具有重要的指導(dǎo)意義；對區(qū)域安全控制方面，總結(jié)了“雞蛋不能放在同一個籃子”的經(jīng)驗教訓(xùn)，通過FAR25.571要求飛機層面在發(fā)動機發(fā)生高能非包容碎片時能夠完成此次飛行；對限壽件壽命確定方法以及管理程序方面，經(jīng)過多年的研究、討論和實踐，F(xiàn)AA在2007年通過第22修正案將“FAR33.70發(fā)動機限壽件”替代了“FAR33.14啟動-停車循環(huán)應(yīng)力（低周疲勞）”。第22修正案正式將FAR33部中的低周疲勞的條款與歐洲“CS-E 515發(fā)動機關(guān)鍵件”條款保持一致。與第10修正案相比，主要區(qū)別有：

    限壽件條款的根本要求是什么？

    梳理完限壽件條款的修訂歷程后再通讀該條款，其要求可以初步總結(jié)為：在發(fā)動機設(shè)計過程中確定發(fā)動機限壽件的清單，在傳統(tǒng)安全壽命法的基礎(chǔ)上，考慮并評估缺陷帶來的風(fēng)險，通過工程計劃設(shè)定部件結(jié)構(gòu)的壽命屬性，按制造計劃實現(xiàn)制造、按預(yù)期的方式進(jìn)行使用和維護(hù)，從而形成限壽件全壽命周期的設(shè)計、評估、制造和維護(hù)的閉環(huán)管理系統(tǒng)，并且該系統(tǒng)需要獲得適航當(dāng)局的認(rèn)可，從而保證限壽件全壽命周期內(nèi)的結(jié)構(gòu)完整性。

    上面的這段話是不是很難懂呢？那看圖吧，以轉(zhuǎn)子類限壽件為例，概要描述了在進(jìn)行壽命確定過程中我們要做哪些工作：

    轉(zhuǎn)子類限壽件壽命確定的典型流程（參考AC33.70-1）我們給發(fā)動機限壽件確定壽命的基本流程就是這樣滴（卉薈同學(xué)將會在后面系列文章中介紹我們是怎么做的，歡迎到時捧場），逐個“框框”、步步為營確定各限壽件的壽命，少了哪個“框框”都不行，否則就真成了“瞎子算命—瞎算”了。

    之前系列文章中陳輝煌同學(xué)已經(jīng)跟大家介紹我們是大發(fā)的“私人醫(yī)生”，其實發(fā)動機工程師們還是大發(fā)的“算命先生”。

    機械結(jié)構(gòu)和人的確有很多相似之處，結(jié)構(gòu)的壽命和人的壽命都由外因和內(nèi)因共同決定：結(jié)構(gòu)受的外力、工作所處的環(huán)境，好比人所經(jīng)歷的工作強度、生活環(huán)境，是外因；結(jié)構(gòu)材料本身的性能就好比人體各器官的功能，是內(nèi)因。按這種類比方式描述上面流程圖中的主要要素，也許更容易理解些。“航空器和發(fā)動機的需求”以及“飛行剖面的選擇”就如一個人的出生，決定了他將來很可能生活在什么樣的環(huán)境、從事多大強度的負(fù)荷工作；“發(fā)動機性能”就是這個人有多能干、以及將什么樣的方式完成自己的工作；“二次空氣系統(tǒng)”以及“部件的溫度”就好比這個人生活的環(huán)境（空氣、水等）；“應(yīng)力和振動”的量級就是這個人實際的工作強度等級；“材料數(shù)據(jù)”就是這個人身體各個器官和系統(tǒng)的耐受能力；“損傷容限”描述結(jié)構(gòu)帶損傷繼續(xù)工作的能力就好比人帶病還能活下去的能力；“性能測試、二次流測試、溫度和流動狀態(tài)測試”就好比對一個人工作環(huán)境情況的確認(rèn)；“臺架循環(huán)測試、整機循環(huán)測試”就是小白鼠試驗；結(jié)構(gòu)運行中進(jìn)行的“檢測、維修”就好比治病；“損傷監(jiān)視”就如同對人的健康監(jiān)視；“自然的偶發(fā)因素”就好比意外，如車禍發(fā)生的可能性。

    假如現(xiàn)在，一個算命先生站在你的面前，他詳盡知曉了你的出生、你的工作內(nèi)容、工作強度、生活環(huán)境（水、空氣、飲食、睡眠、家庭社會關(guān)系的每個細(xì)節(jié)無所不知），他還精確知曉你的家族病史、你每個器官的耐受能力、衰老能力，他持續(xù)監(jiān)視著表征你健康狀態(tài)的每個數(shù)據(jù)，他熟知所有你可能獲得的醫(yī)療護(hù)理方式，他甚至把你一生可能遇到的車禍、海嘯、地震意外的可能性都考慮進(jìn)來了，他還不斷地通過各種生物試驗驗證他的每一個假設(shè)、每一個“算命”模型，校驗著每一個經(jīng)驗數(shù)據(jù)，那么他告訴你你能活到100歲，你信不信？——不管你信不信，反正我是信了，因為他就是上帝。

    要想成為合格的發(fā)動機“算命先生”，就必須像創(chuàng)造人類的上帝那般詳盡知曉我們創(chuàng)造的每個部件的設(shè)計細(xì)節(jié)、制造細(xì)節(jié)和使用情況。

    限壽件條款的根本要求是什么？就是要求發(fā)動機主制造商成為自己產(chǎn)品的“合格算命先生”，按照正確合理的“算命流程”確定、實現(xiàn)、表明并維持各限壽件的壽命屬性。說到底，就是要我們要建立一套經(jīng)過驗證的安全壽命確定方法（分析、部件試驗、整機試驗或者經(jīng)驗累積）、建立考慮缺陷引起部件提前失效的評估流程、識別并控制與部件壽命屬性有顯著關(guān)聯(lián)的制造過程和工藝/加工參數(shù)、形成基于分析/試驗和經(jīng)驗的部件使用管理文件。以適航要求為牽引，立足現(xiàn)有基礎(chǔ)，不斷完善我們的設(shè)計體系、提升我們的制造能力和管理水平，從而系統(tǒng)地保證我們民用客機發(fā)動機的安全性。任重而道遠(yuǎn)，小伙伴們，繼續(xù)努力加油吧！

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