某型軍用發動機使用可靠性評估

謝靜，范文正，謝鎮波

（海軍航空工程學院青島校區，山東青島 266041）

某型軍用發動機使用可靠性評估

謝靜，范文正，謝鎮波

（海軍航空工程學院青島校區，山東青島 266041）

謝靜（1975），女，講師，研究方向為航空發動機可靠性。

某型軍用航空發動機在實際使用中故障頻發,為了尋找制約整機可靠性提高的薄弱環節，提高飛機戰備完好性,提出了基于部件系統及其重要性的航空發動機可靠性評估方法。并依據外場故障數據，利用該方法對某型發動機的使用可靠性進行了評估。采用層次分析方法（Analytic Hierarchy Process，AHP），建立了具有3層評估指標的整機使用可靠性評估系統。運用數理統計的方法，根據同類型故障的壽命分布模型計算其可靠性指標。運用加權融合的方法獲得部件系統及整機的平均故障間隔時間TM，用以評估發動機的使用可靠性，為該型發動機各個部件系統的外場維護及定檢時間提供了參考。

可靠性指標；平均故障間隔時間；定期檢查；航空發動機

0 引言

軍用航空發動機使用可靠性的高低直接影響部隊訓練、作戰任務的完成；同時，對提高發動機效能和減少其壽命周期費用至關重要。發動機使用可靠性的高低不僅與設計可靠性有關，還受使用、維修等因素的影響。目前，發動機的可靠性評估方法還不完善，因此，需要對其進行研究，尋找科學合理的可靠性評估方法。平均故障間隔時間TM是可靠性評估中常用的重要指標之一，傳統的數學均值法和一次分布法不考慮故障件所屬系統的重要性，難以體現不同部件系統的重要性差別。

本文提出1種基于部件系統重要性的發動機可靠性評估方法，對某型軍用發動機的使用可靠性進行評估。

1 基于部件系統及其重要性的可靠性評估模型

發動機結構復雜，故障模式多。不同部件系統的故障各具特點，且對發動機工作的影響程度即重要性不同，有的部件故障導致發動機無法正常工作，有的部件故障只引起部件效率的降低。因此，不同部件系統的故障對整機可靠性的影響程度也不同。所以，在綜合考慮故障的性質、規律及部件系統重要性的基礎上，建立了基于部件系統及其重要性的航空發動機可靠性評估模型。

1.1 評估模型的總體思路

該模型根據發動機部件系統重要性的不同特點，將故障按照發動機的部件系統進行分類，每1部件系統故障綜合考慮故障現象、故障位置進行分類。航空發動機可靠性指標分為故障類型級(即指標層)、部件系統級(即準則層)、總體級(即目標層)指標3個層次。其評估的層次結構如圖1所示。

圖1 3層評估體系結構

根據指標層包含的各故障類型概率分布模型對指標層的可靠性指標進行評估；在指標層可靠性指標的基礎上，采用樣本量加權平均的數據融合方法得到部件系統級指標；而總體級可靠性指標則根據部件系統級指標，采用樣本量及重要性綜合權系數加權平均的數據融合方法計算。

1.2 指標層可靠性指標的計算

根據統計學理論，指標層同一類型故障其壽命分布符合某種典型的統計分布規律，即指數分布、正態分布或威布爾分布。航空發動機的故障模式多種多樣，用何種分布來描述某一具體的故障模式需要通過典型分布的擬合優度檢驗來確定，如W檢驗、605-χ2檢驗、M檢驗等。確定其分布規律后，根據相應分布的數學模型確定該分布的可靠性指標——TM。式（1）、（2）和（3）分別表示指數分布、正態分布和威布爾分布的TM點估計公式。

準則層即部件系統級的可靠性指標由指標層(故障類型級)指標向上融合得到，采用樣本量加權平均的融合方法。

指標的權重系數表示某一層次的子指標相對于上一層次的父指標的重要程度。由于同一系統下不同故障類型故障可以定量的通過樣本量進行比較，所以指標層(故障類型級)相對于準則層(部件系統級)的權重系數根據樣本量確定。

1.4 目標層可靠性指標的計算

目標層即整體級的可靠性指標由準則層(部件系統級)指標向上融合得到，采用樣本量和重要性綜合加權平均的融合方法（如圖2所示）。

圖2 目標層指標融合

1.4.1 樣本量權矢量Wn

式中：Ni為第i個系統的樣本量；N為總樣本量。

1.4.2 重要性權矢量Ws

發動機部件的重要性按照各系統與部件所處工作的位置、重要程度劃分為4個等級。

（1）極重要：對整機有致命影響。

（2）很重要：對整機有很大影響。

（3）重要：對整機有輕度影響。

（4）一般：對整機無大影響。

基于部件系統及其重要性的航空發動機可靠性評估系統中，部件系統級指標相對于整體指標的重要性權系數，根據AHP法對各個部件系統的重要性判斷矩陣，進行幾何平均及歸一化處理確定。

AHP法在對指標的相對重要程度進行比較時，引入1～9比例標度對重要性程度賦值，n個被比較的元素構成1個相互比較的判斷矩陣C。矩陣C中各元素cij，表示橫行指標ci對各列指標cj的相對重要程度的比較值。

根據構造的判斷矩陣，利用排序原理，可以求得矩陣排序矢量。根據排序矢量，利用特征根方法，可計算各指標權重系數。計算過程為：（1）矩陣C的元素按行相乘；（2）所得到的乘積分別開n次方；（3）將所得的方根向量歸一化后即得排序權矢量Ws=（ws1，ws2，…，wsn）。計算公式為

1.4.3 總體指標的重要性權矢量Wc

根據可靠性評估中樣本量比重要性重要，來構造樣本量和重要性相對于總體指標的判斷矩陣T見表1。

表1 總體指標與樣本量與重要性的權重矩陣

對判斷矩陣各行向量進行幾何平均、歸一化得到發動機樣本量準則和重要性準則對總體指標的權矢量為Wc=（0.834，0.166）。

1.4.4 綜合權矢量

準則層對目標層的綜合權矢量

1.4.5 目標層可靠性指標T

根據準則層可靠性指標矢量R和綜合權矢量W可以計算得到目標層可靠性指標T。

2 發動機使用可靠性指標評估

某型軍用發動機雖然具有較高的設計可靠性，但在實際使用中，仍不可避免地發生了眾多的各類故障。因此，有必要對某型軍用發動機的外場使用故障數據進行統計分析，以評估其使用可靠性，進而對外場工作及設計改進提供借鑒和參考。

2.1 發動機故障統計

經過對該型發動機外場故障的收集和整理，保留506例外場故障數據。根據基于部件及其系統重要性可靠性評估方法的思路，將故障按故障件或故障部位的所屬系統進行劃分，其分布情況見表2。各部件系統包含結構故障、打傷、裂紋、漏油等不同類型故障。

表2 某型發動機故障樣本按部位的分布

2.2 發動機可靠性評估

根據故障的分析處理，利用評估模型對該型、發動機的可靠性進行評估。其評估流程如圖3所示。

2.2.1 部件系統的可靠性指標及其分析

利用模型對改型發動機的可靠性指標TM進行評估，各部件系統及整機的指標見表3。

從表3中可知：

（1）發動機的整機TM達到了200 h以上。

（2）故障數目較多的主燃油系統和電氣系統的TM值低于整機的可靠性指標，而加力控制系統、防冰系統雖然故障數較多，但其TM值高于整機指標。

（3）渦輪的平均故障間隔時間值最小，低于100h，但其故障樣本只有1例，應屬于偶發故障，不具有代表性。

圖3 總指標算法流程

表3 某型發動機各部件TM值

（4）燃燒室沒有有效故障，這里將發動機的壽命作為其TM值，由于其樣本量為0，計算整機指標時，只考慮重要性的影響，對整機指標影響不大。

（5）滑油系統的故障樣本較多，可靠性指標較低，所以，其可靠性的高低對整機的可靠性指標影響較大。滑油系統的TM見表4，從表中可見，滑油系統的裂紋和磨損樣本量相對較大，且其TM＜100 h，這在一定程度上說明了發動機出廠時的缺陷，尋找這2類故障原因，并采取一定措施消除缺陷可以提高整機的可靠性指標。漏油故障雖然較多，但其TM＞200 h，說明該故障與使用時間具有一定的關聯。所以，在外場工作中，當發動機工作200 h左右時，加強對滑油系統導管及其接頭的檢查可以減少漏油故障的發生。

表4 滑油系統的TM

典型故障件的TM見表5，從表中可見樣本量較大故障件的TM值。燃油流量調節器和溫度控制放大器的樣本量較大、可靠性指標低于整機指標，且其數值接近整機指標，說明這2個附件對整機可靠性指標影響較大；防冰系統電磁活門和壓差開關的樣本量及TM值相差較大，樣本量多的電磁活門和壓比調節器其TM值比整機指標高很多，這在一定程度上可以反映該附件的壽命問題。外場工作中，當發動機工作300 h左右時加強對這2個附件的檢查維護可以減少其故障的發生，提高其可靠性。樣本量較多的高壓燃油停車開關、防冰壓差開關及防喘調節器其可靠性指標比較低，提高他們的可靠性會使整機可靠性指標有所提高。

表5 典型故障件的TM

2.2.2 整機可靠性指標及其分析

利用該模型對某型發動機的整機使用可靠性進行評估，并將評估結果與數學均值法和整體分布法進行了對比，整機的TM見表6。

表6 整機的TM

從表6中可知：對發動機進行可靠性評估時，采用整體分布法與數學平均值法計算得到的結果相差不大，與利用層次分析法考慮不同類型故障的分布類型、樣本量及重要性差別時所獲得結果相比偏小。

3 結論

利用基于重要性的可靠性評估模型對某型發動機506例外場故障進行統計分析，得到了不同部件系統及整機的可靠性指標。計算結果表明：

（1）該型發動機的故障多發附件為燃油流量調節器、溫度控制放大器、防冰電磁活門和壓比調節器。

（2）制約整機指標提高的薄弱附件為高壓燃油停車開關、防喘調節器及防冰壓差開關。

（3）制約整機指標提高的薄弱系統為滑油系統，其中包括變形、松動、滑絲等的結構故障、裂紋和磨損3類故障指標低于100 h。

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Evaluation ofMilitary Engine Service Reliability

X IE Jing,FAN W en-zheng,X IE Zhen-bo
（NavalAeronauticalEngineering InstituteQingdao Branch,QingdaoShandong266041,China）

The malfunction occur frequently for a military engine in using.The reliability evaluation method based on components system and its importancewas proposed to find theweaknessesof restricting reliability and improve aircraft readiness.The service reliability of an aeroengine was evaluated by themethod based on field failure data.The reliability evaluation system with three layers assessment indicators was established by AHP.The reliability index were calculated bymathematical statistics based on life distribution model of the same style failure.The Mean Time Between Failure TMof components system and the whole engine were obtained by weighted fusion method to evaluate reliability of the aeroengine.It provides reference for field maintenance and regular inspections for each components system of the aeroengine.

reliability index;Mean Time Between Failure;regular inspection;aeroengine

2012-05-04