波音737NG,飞机主轮连接螺栓维修控制与策略研究

■ 丁立彬 陈世华 李中柱/中国南方航空股份有限公司

波音737NG 飞机起落架主轮的轮毂为两半式结构，使用配对的螺栓、垫片、螺帽连接固定，主轮轮毂连接螺栓有20个，材料为低合金高强度钢，外表镀镉防腐。

在飞机起飞和着陆过程中发生主轮连接螺栓断裂或丢失会造成诸多影响，甚至产生严重危害。断裂的螺栓可能造成轮毂和刹车不同程度的损坏甚至报废，情况严重的会导致起落架液压管损坏、液压油泄漏、刹车系统失效，甚至引发起火；
断裂飞出的部件碎片会对飞机后下部机身、临近翼面甚至是发动机等造成损伤；
事件发生后通常会造成航班延误，为寻找缺失的螺栓往往需要通告相关机场，影响机场正常的运行和安全。

2021 年4 月某航空公司一架737NG 飞机在乌鲁木齐短停，检查发现右内主轮1 条连接螺栓缺失，拆下主轮后发现相邻的一条螺栓也断裂（见图1），刹车组件损伤。

图1 波音737NG飞机主轮轮毂连接螺栓断裂

该航737NG 机队使用的是古德里奇公司的主轮，发生螺栓断裂的是配套钢刹车的主轮件号3-1558，使用的轮毂连接螺栓件号为43-1402。737NG 主轮近6年连接螺栓断裂次数如图2 所示，2021年前4 个月发生4 起运营中主轮螺栓断裂事件。

该航于2016 年、2017 年、2018 年相继发文，改进维修方案，要求连接螺栓按寿命件定时更换，737NG 机型每4次轮毂大修更换全套螺栓（一次轮毂大修约1500 个飞行循环），连接螺栓原轮装回，在修理报告和轮子履历本中记录更换的螺栓，每次换胎都对螺栓进行无损探伤，一旦发现螺栓有裂纹则报废整组连接螺栓。但从近年的运营情况来看，以上措施效果并不明显（见图2）。

图2 737NG机队近六年的3-1558轮毂连接螺栓断裂次数

针对上述情况进行研究。首先考虑连接螺栓的制造材料强度是否足够，联系连接螺栓制造厂家，建议其将螺栓的材料更换为更高强度且自防腐的Inconel合金钢材料，但厂家答复每个轮毂每百次换胎修理中失效螺栓的更换率仅为0.37%，目前没有更换的计划。为确定连接螺栓的断裂是否与材料或制造缺陷相关，选取一部分有裂纹的连接螺栓送实验室检测并进行失效分析。

2.1 裂纹螺栓实验室失效分析

分别取3 条在探伤中螺栓头根部有裂纹的737NG 螺栓送北京某航科院进行失效分析，螺栓信息如表1 所示。

表1 送实验室分析的螺栓信息

实验室沿轴向对裂纹螺栓PN 43-1402 切割、磨抛后进行观察分析，结果见图3，判断螺栓裂纹为疲劳裂纹的初始扩展阶段，性质为疲劳裂纹。

图3 螺栓轴向剖开打磨后的裂纹情况

实验室对螺栓进行硬度检查，结果见表2，螺栓硬度较均匀，未见异常。根据黑色金属强度和硬度换算表（GB1172-74），螺栓的强度在1300MPa 左右，强度较高。对螺栓进行元素成分和金相组织分析，结果见表3、图4，可知连接螺栓材料没有问题，也没有冶金缺陷等其他问题。但由于螺栓合金元素含量较少，虽然强度较高，也可能导致螺栓材料的强韧不匹配，即强度较高但抵抗疲劳裂纹扩展性能较差。

图4 螺栓43-1402的金相组织

表2 螺栓硬度测试结果和平均值（HRC）

表3 螺栓元素成分含量（wt%）

实验室分析结果表明，螺栓产生裂纹或断裂的主要原因是疲劳损伤，轮毂螺栓头部与杆部过渡位置是应力集中处，较大的交变应力超过了其承载能力是开裂的最主要因素。

借鉴基于大数据的民航智慧维修理念，建立螺栓使用的大数据平台，全面采集连接螺栓使用、修理等各个环节的信息。以航材系统的无纸化系统为数据记录载体，利用螺栓批次号跟踪、收集螺栓使用的大数据。

通过梳理车间修理翻修流程并结合工程实践可知，轮毂组装时如严格按手册十字对角法均匀正确磅紧螺栓力矩，将有利于减少应力集中，从而减少螺栓断裂风险。同时，磁粉检测是检出螺栓裂纹的有效手段，应予以加强。

2.2 连接螺栓的大数据采集

由于连接螺栓是消耗件，只有件号和批次号而没有序号，无法利用序号跟踪每一条螺栓。参考厂家和其他航空公司的做法，可以通过在螺栓头标识的方法实现可追溯性。螺栓头标识通常包括外半轮序号、螺栓位置号（01、02、03…）、螺栓批次号、报废日期。

考虑到从2018 年至今已执行了原轮装回并建立了轮毂履历和螺栓定期报废方案，现统一在螺栓头上标识螺栓在轮毂的位置号，具体以充气阀附近的螺栓为1 号，沿顺时针方向依次为2 号、3 号，以此类推（从外侧看）。同时，螺栓检查后原位装回，并在航材部门的无纸化系统中录入螺栓批次号、轮毂件序号、螺栓位置号、检查结果以及是否报废等数据。

2.3 机轮车间工艺流程梳理及措施

梳理车间修理翻修流程（见图5），排查可能造成螺栓损伤或应力集中的风险源；
针对轮毂连接螺栓的分解、存放、清洁、目视检查、探伤、组装等阶段，制定相应的预防和改进措施；
按附件修理工作单卡和维护提示落实相应的措施。统一检查标准，提高机轮组装质量，提升机轮车间的修理工艺。

图5 机轮车间修理检查工艺流程

2.3.1 轮毂分解流程

机轮在使用过程中，轮胎具有一定的轴向扩张力，连接螺栓承受轮胎轴向张力和较大的拉紧应力，当直接使用气动扳手拆下螺帽时，螺帽和螺杆受到的扳手冲击力较大，容易造成螺栓损坏。为避免集中应力和瞬时冲力的损坏，分解轮毂时不能直接使用气动工具分解连接螺栓，建议使用加力杆人工预松螺帽，再用动力工具取下。如果出现螺栓松动、断裂或丢失，应按CMM 和工程要求对相应的螺栓、螺帽和垫片进行报废。

2.3.2 螺栓存放流程

拆下的连接螺栓不能堆放在一起，以避免与金属接触碰撞，每个连接螺栓应按其在轮毂中的对应位置号单独存放，可使用带有螺栓孔编号的、非金属材质的存放筐/定位篮/托盘等，同时应对存放筐/定位篮/托盘进行编号，以便管理。如图6 所示，螺栓在轮毂中的位置和在定位篮中的位置应一一对应，在清洗、检查和探伤时都保持此位置号，方便组装时原位装回。可对车间原有的金属筐进行改进，增加塑料隔板或喷涂塑料。

图6 自制的连接螺栓存放筐/定位篮

2.3.3 螺栓清洗流程

螺栓上的污染物会妨碍后续目视检查和探伤检查工作，还会导致不正确的安装预紧力，因此必须保证螺栓彻底清洗干净。应使用CMM 手册或民航局批准的清洗液对螺栓进行清洁，不能使用酸性清洗液，以防止螺栓产生氢脆和腐蚀等现象。清洗过程中不能使用金属刷等坚硬工具，以免破坏螺栓和螺帽上的镀镉层，对螺栓造成损伤。

建议使用超声波清洗，可以较好地去除表面积炭和螺纹底部的污垢。超声波清洗后需检查确认是否清洗干净，若否应再用塑料材质毛刷或者软毛刷清洗。螺纹和倒角部位是裂纹产生的主要区域，必须仔细清洗，以减少探伤误检、漏检概率。

2.3.4 目视检查流程

目视检查螺栓需注意检查螺纹、螺栓头下端倒角、光杆部位是否有镀层大面积脱落露出基体金属，是否有腐蚀坑和机械损伤；
螺纹不应有变形、螺牙缺失等缺陷。推荐使用带光源的放大镜和对比检查方法进行检查确认。更换有缺陷的连接螺栓。

目视检查螺帽和垫片的重点是查看有无损伤、腐蚀、变形或镀层脱落露出基体金属等情况。使用带光源的放大镜对螺帽内螺纹仔细检查，查看螺帽有无腐蚀或螺牙损伤。有上述缺陷的部件应报废。

2.3.5 探伤检查流程

磁粉探伤是发现螺栓浅表面裂纹的有效手段，每次换胎修理/翻修都应进行磁粉探伤，及时检查螺栓装配表面和近表面有无裂纹等缺陷。应特别注意检查螺栓头根部倒角处和螺纹的2-5 螺牙处，该区域为应力集中区域，是产生裂纹的高发区。如发现螺栓装配表面和近表面有裂纹等缺陷，整套螺栓都要报废。

2.3.6 组装准备

1）螺帽自锁检查：严格按CMM手册进行螺帽自锁检查，用手尽力将螺帽拧紧到螺栓上，如螺栓伸出或平齐螺帽，需要报废螺帽。

2）涂抹防咬剂：严格按CMM 手册的要求在螺栓螺帽垫片的8 个面均匀涂防咬剂（见图7）。建议在连接螺栓的光杆上也薄薄地涂一层，以利于螺栓的防腐。目前各维修基地统一使用CMM 中指定的防咬剂。

图7 涂防咬剂区域

2.3.7 轮毂组装流程

组装工艺是预防运营中螺栓断裂的关键，确保按手册磅紧的方法施加正确的磅紧力矩，确保螺栓受力均匀。建议使用双轴力矩紧固机对连接螺栓施加磅紧力矩，这样能保证连接螺栓受力均匀正确。如果使用人工磅紧力矩，应使用自制的十字对角定位罗盘辅助（见图8），严格按照CMM 手册的对角力矩方法预紧，并磅紧至最终力矩。

图8 自制十字对角定位罗盘

某航波音737NG 机队从2021 年7月起施行大数据管控，提升机轮车间流程工艺，经验证未再发生运营中轮毂连接螺栓断裂事件，收到了预期良好的效果。下一步将持续收集螺栓使用数据，进一步监控使用寿命较短的螺栓批次和对应的轮毂，以找到损伤模型，提前判断裂纹螺栓或轮毂损伤，提高部件的使用寿命和安全系数，达到安全效益和经济效益的兼顾。