某型發動機典型可修復附件可靠性分析

孫波，武曉龍，楊春，蔣英杰

（1.海軍航空工程學院，山東煙臺264001;2.海軍駐沈陽發動機專業軍事代表室，沈陽110043;3.海軍航空兵91911部隊，海南三亞572000）

1引言

目前，航空發動機可靠性評估工作對不可修復件和可修復件沒有明確區分，基本上都按不可修復件進行評估。對可修復件而言，在實際使用中，附件故障往往發生在某幾個關鍵部位，這些關鍵部位對附件可靠性貢獻程度各有不同，在進行了相應維修之后對附件的可靠性影響也會大不相同。如果仍然按不可修復件進行可靠性評估，必然會使評估結果產生較大誤差，從而難以合理地界定可修復件在修復后的使用情況。

從某型發動機部隊使用的故障統計發現，許多附件未到首次翻修壽命即發生故障，這說明出廠給定的首次翻修壽命并不合理；此外，附件修理后，再次定壽的理論依據不足，忽視了不同修復工作對附件可靠性變化的作用。這都會給發動機的使用安全性和經濟性帶來不利影響。針對這些問題，在結合各種研究方法的基礎上，對可修復附件的可靠性評估進行系統研究。

對于發動機其它典型可修復附件而言，現有大部分研究基于“修復如新”的假設。這種假設從理論角度和實用性角度上講都存在不完善的地方。因此，本文在結合各種研究方法的基礎上，對可修復附件的可靠性評估進行了系統研究，以完善航空發動機可修復附件可靠性評估過程，為合理確定可修復附件的可靠性和維修性指標奠定基礎。

2 基于首次故障數據的可靠性分析

某型發動機主要可修復附件有前軸承滑油泵、主滑油泵、壓比調節器、敏感活門、低壓軸控制器、燃油流量調節器等共29種。從外場采集的故障信息可知，某型發動機典型可修復附件中發生故障次數較多的有壓比調節器、滑油壓差信號器、防喘調節器、燃油流量調節器、加力燃油流量調節器、溫控放大器、高壓燃油泵等，分別占總故障的11.5%、14.2%、12.7%、4.3%、9.4%、20.1%、3.2%，其它故障占24.6%。某型發動機典型可修復附件首次故障數據處理結果見表1。

表1 某型發動機典型可修復附件數據處理結果

防喘調節器的壽命分布曲線、故障密度曲線、故障率曲線分別如圖1～3所示。壓比調節器故障的形狀參數β=1.366，其值大于1，此種產品的失效類型是失效率隨時間變化遞增型（IFR），說明壓比調節器是具有耗損型故障的附件；防喘調節器故障的形狀參數β=1.470，其值大于1，失效類型為IFR型，說明防喘調節器是具有耗損型故障的附件；同樣燃油流量調節器、加力燃油流量調節器和高壓燃油泵故障的形狀參數也大于1，都是具有耗損型故障的附件。

同時得出滑油壓差信號器和溫控放大器故障的形狀參數小于1，根據這樣的計算結果得出，它們的失效類型是隨時間變化的遞減型（DFR）。但根據2種附件的工作環境和失效機理來分析，其失效率函數不應該是隨時間變化的遞減型。滑油壓差信號器為電氣部件，工作原理相對簡單，當供油壓力不足時，壓差低于預定值，電觸點閉合，接通飛機駕駛艙內的紅色警告燈。根據外場數據，分析其故障的主要原因有以下2個方面：（1）對于長期停放的飛機，開車前未更換高速齒輪箱內滑油；（2）飛機停放時，未將地面放漏油開關打開，油箱積滿后反串至高速齒輪箱。顯然，滑油壓差信號器的故障大部分是由于地勤維護不當造成，原因可能是維護人員責任心不強或忽視了這方面的維護工作。溫控放大器也是1個電氣部件，主要提供控制高壓壓氣機進口導流葉片IGV角度的信號，而且要通過給定值電阻感應并傳輸T1、T2、T33個溫度信號。從外場質量控制室了解到，其主要故障原因有以下2個方面：（1）溫控放大器中的微調電阻沒有得到及時的清潔；（2）廠家沒有提供部分溫控電阻。為了盡量減少故障發生，現已結合發動機50 h定檢清潔微調電阻，并建議廠家提供部分溫控電阻。可見，溫控放大器的故障主要是由其使用不當造成的，這不能真實反映附件本身的可靠性。由此，關于發動機電氣附件的可靠性評估工作，提出以下2點建議：（1）明確附件故障原因，將機械故障與電氣故障區分開；（2）尋找更有效的可靠性評估模型，來分析此類附件。

就1個可修復附件而言，在使用中要經歷：故障—修復—再故障—再修復的循環過程，通過以上方法可以得出產品的首次故障特性，亦即產品的固有屬性，如質量特性、使用特性等。但仍然存在很多不足之處，例如無法量化產品修復后的狀態，不能合理給出再次定壽的時間指標等。

傳統的解決可修復產品的可靠性評估方法，大都基于修復如新或修復如舊的假設前提之下，實際使用中發現，對于1個較為復雜的結構件而言，其故障部位往往不只1處，而且各部位的相對重要程度大有不同，也許對某1個部位進行修復可以按照修復如新的情況處理，但對另1個部位修復卻有可能是1種修復如舊的情況，這同時取決于修復的手段，如果對這些異同不加以考慮，而直接納為整個產品的故障數據，勢必會影響產品修復后狀態的界定。

此外，威布爾分布方法在處理外場數據信息時，有以下幾方面的不足：（1）對首次故障樣本的要求較高，在外場的實際使用中得不到很好的滿足；（2）不能有效結合產品的修復情況，給出產品繼續使用的可靠性指標；（3）不能合理給出產品△t時間的任務可靠度、瞬時故障間隔時間、累積故障間隔時間等可靠性指標，無法有效衡量產品修復后的使用情況，以及產品的維修合理性。以下結合隨機過程理論解決以上問題。

3 基于威布爾過程的可靠性分析

3.1 威布爾過程應用概述

在深入研究某型發動機典型可修復附件結構的基礎上，結合故障數據分析，發現很多附件結構比較簡單，從理論角度講不符合威布爾過程模型，在數據信息足夠的情況下，依此可以將主要可修復附件分為2類：第1類，既可以應用威布爾過程模型評估可靠性指標，又可以用威布爾分布模型評估；第2類，僅可用威布爾分布模型評估其可靠性指標。具體分類見表2。

表2 某型發動機典型可修復附件按可靠性評估方法分類

研究中發現，某型發動機可修復附件的外場數據信息參差不齊，從理論角度可以大致分為以下幾類：

（1）總故障樣本量大，有效首次故障樣本量為大樣本；

（2）總故障樣本量大，首次故障樣本量為大樣本，但由于使用和制造因素造成的早期故障較多，致使有效首次故障樣本量為小樣本；

（3）總故障樣本量小，有效首次故障樣本為小樣本，研究的某型發動機是原裝機型，使用至今很多附件已達到其使用壽命，現已開始轉為國產型產品；

（4）總故障樣本量小（樣本量小于4），有效首次故障樣本為大樣本；

（5）總故障樣本量為小樣本。

因此，在進行航空發動機外場可修復附件可靠性評估時，需要在表2基礎上，結合具體的數據信息分類，來確定相應的可靠性評估方法，見表3。

表3 基于外場數據信息的可靠性評估方法分類

此外，對于不同的可靠度評估指標，在具體評估方法的選擇上也應有相應區分，以便于外場的實際使用，具體分類方案見表4。

以上各類別的區分，可以用于外場的可靠性評估工作，并有益于可修復附件可靠性評估工作的順利開展，提高評估的準確性。

3.2 威布爾過程分析

高壓燃油泵是燃油系統的1個典型復雜部件，由轉子、分油盤、柱塞、保持架、斜盤、隨動活塞、安全活門、殼體等組成。通過分析外場數據，其有效首次故障樣本為大樣本，采集7架飛機曾使用過的高壓燃油泵故障時間如圖4所示。其中“×”表示對該處故障進行基本修復，“#”表示對該處故障進行完全修復。

表4可靠性評估指標分類

采用威布爾過程模型，按產品基本修復和完全修復情況，將故障樣本整理如圖5所示。

λ，β的迭代法估計值見表5。

表5 高壓燃油泵的點估計迭代值

當迭代到第4次的時候，各參數的估計值保持不變，則第4組參數估計值為最優值。值小于1，故障強度隨時間逐漸降低，說明對此產品一旦進行修復后，故障強度便呈下降趨勢，同時也驗證了其維修策略的合理性。

觀察第1個高壓燃油泵故障樣本，在最后1次修復之后，已使用231 h，經過本次修復后的出廠再次定壽為450 h，計算（231,450）時間區間內預計發生1次故障的概率為

說明該高壓燃油泵的再次出廠定壽時間是合理的。在此區間內d=1.2，設任務時間，其在231 h的任務可靠度為

t=231 h的瞬時MTBF、累積MTBF分別為

IMTBF用于描述t時刻高壓燃油泵的瞬時可靠性水平，而CMTBF則用于描述經過t時刻后高壓燃油泵已經消耗掉的可靠性水平，當數據采集環境不同時，可利用CMTBF衡量不同環境間的差異，有益于環境折合系數的計算。表6列出了某型發動機典型可修復附件的NHPP參數估計結果。

表6 某型發動機典型可修復附件NHPP

4 結束語

根據某型發動機典型可修復附件的實際使用情況，首先利用威布爾分布來分析其首次故障特性，總結附件的使用特性，確定薄弱環節；然后結合隨機過程理論，研究其與傳統分析方法的異同之處，分析附件的使用可靠性，提出了航空發動機可修復附件可靠性評估的相應分類方案，完善了航空發動機可修復附件可靠性評估過程，為合理確定可修復附件的可靠性和維修性指標奠定了基礎。

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