某型國產(chǎn)發(fā)動機與其原型機使用可靠性對比分析

謝 靜，秦海勤，徐可君

（海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū)，山東青島266041）

某型國產(chǎn)發(fā)動機與其原型機使用可靠性對比分析

謝 靜，秦海勤，徐可君

（海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū)，山東青島266041）

為了研究某型引進生產(chǎn)專利的國產(chǎn)化發(fā)動機與其原型機可靠性指標(biāo)差異，利用層次分析法建立了基于部件系統(tǒng)及其重要性的航空發(fā)動機可靠性評估模型。以該型國產(chǎn)化發(fā)動機及其原型機外場故障數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，綜合運用分布法、樣本量加權(quán)、重要性加權(quán)的數(shù)據(jù)融合方法對2型發(fā)動機的使用可靠性指標(biāo)進行評估。結(jié)果表明：經(jīng)多年的改進，該型國產(chǎn)化發(fā)動機的可靠性總體指標(biāo)已高于原型機的；而如壓比調(diào)節(jié)器、滑油回油泵等零部件的指標(biāo)仍低于原型機的，類似部件的可靠性提高是進一步提高整機指標(biāo)的有效途徑。

可靠性；層次分析；數(shù)據(jù)融合；故障分析；航空發(fā)動機

0 引言

軍用航空發(fā)動機使用可靠性高低直接影響部隊訓(xùn)練、作戰(zhàn)任務(wù)地完成；同時，航空發(fā)動機使用可靠性對提高發(fā)動機效能和降低其壽命周期費用至關(guān)重要。不僅與設(shè)計可靠性有關(guān)，還受使用、維修等因素的影響。

中國某型軍用渦扇發(fā)動機引進生產(chǎn)專利國產(chǎn)化多年，雖經(jīng)多年的實踐檢驗、設(shè)計更改，其使用可靠性有所提高，但在使用中故障較多；同時，少有專家學(xué)者將國產(chǎn)化發(fā)動機的使用可靠性與其原型機進行比較研究，不利于提高該型國產(chǎn)發(fā)動機的可靠性。

本文以某原型發(fā)動機以及其國產(chǎn)化型號的外場故障數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，運用合適的可靠性評估方法進行可靠性評估(以MTBF作為指標(biāo))并對比分析，對國產(chǎn)化發(fā)動機如何提升可靠性提出了合理化建議。

1 可靠性數(shù)據(jù)的收集與處理

航空發(fā)動機使用可靠性評估結(jié)果是否真實主要取決于外場使用數(shù)據(jù)。為了確保可靠性數(shù)據(jù)的真實性及本研究結(jié)果的準(zhǔn)確性，作者先后6次到相關(guān)單位和工廠收集外場使用及工廠臺架試車的第1手故障數(shù)據(jù)共計5871例。收集到的可靠性數(shù)據(jù)來自不同單位，其記錄格式及故障屬性差別很大。為此，剔除了沒有相關(guān)壽命數(shù)據(jù)的故障樣本，并對可靠性數(shù)據(jù)進行了包括數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一、篩選、剔除(剔除人為故障、2次從屬故障等)、判斷、統(tǒng)一故障件名稱、分類、依據(jù)發(fā)動機號碼判斷發(fā)動機類型、發(fā)動機壽命數(shù)據(jù)的補充完善、以及故障所屬系統(tǒng)的分類等10余項工作。

經(jīng)過以上處理后，保留 79臺發(fā)動機在 2008年1月1日至2012年6月30日時間范圍的故障樣本349例，見表1。

表1 故障樣本統(tǒng)計

2 建立可靠性評估模型

傳統(tǒng)的航空發(fā)動機可靠性評估方法常用數(shù)學(xué)均值法和整體分布法，適用范圍廣，計算方法簡單、快捷，但由于采用傳統(tǒng)方法只能得到1個整機指標(biāo)，對可靠性增長沒有意義，因此不能滿足本文對國產(chǎn)化和原型2類發(fā)動機使用可靠性進行分析對比的需求。

為了查找制約國產(chǎn)發(fā)動機可靠性增長工作的薄弱環(huán)節(jié)(部附件)，必須將故障按照故障件、模式或危害度等原則進行分類。本文對故障進行分類處理，運用層次分析法對2型發(fā)動機的使用可靠性進行評估。

2.1 評估模型的總體思路

評估模型根據(jù)航空發(fā)動機部件系統(tǒng)重要性不同的特點，將故障按照發(fā)動機的部件系統(tǒng)進行分類，部件系統(tǒng)故障綜合考慮故障現(xiàn)象和部件，將航空發(fā)動機可靠性指標(biāo)分為故障類型級、部件系統(tǒng)級、總體級指標(biāo)3個層次。對于故障類型級可靠性指標(biāo)的計算，通過建立各故障類型的概率分布模型(即分布法)進行可靠性指標(biāo)評估；對于部件系統(tǒng)級可靠性指標(biāo)的計算，需根據(jù)故障類型級指標(biāo)采用合理的數(shù)據(jù)融合方法得到部件系統(tǒng)級指標(biāo)；對于總體級可靠性指標(biāo)的計算，需根據(jù)部件系統(tǒng)級指標(biāo)采用合理的數(shù)據(jù)融合方法得到發(fā)動機總體可靠性指標(biāo)。其評估流程如圖1所示。

圖1 基于部件系統(tǒng)的可靠性評估流程

2.2 可靠性數(shù)據(jù)融合

根據(jù)基于部件系統(tǒng)及其重要性的航空發(fā)動機可靠性評估模型的總體思路，采用層次分析法(The Analytic Hierarchy Process，AHP)對可靠性指標(biāo)進行逐級融合。以處理過的故障樣本為基礎(chǔ)，建立具有目標(biāo)層(總體級)、準(zhǔn)則層(主件、系統(tǒng)級)和指標(biāo)層3層評估指標(biāo)的整機使用可靠性評估系統(tǒng)。其評估的層次結(jié)構(gòu)及各層的詳細組成如圖2所示。

圖2 3層評估體系結(jié)構(gòu)

評估層次中最底層即指標(biāo)層可靠性指標(biāo)向最頂層即目標(biāo)層指標(biāo)融合時，采用加權(quán)融合方法，但不同的層次選取的權(quán)重計算方法不同。指標(biāo)層向準(zhǔn)則層融合時，采用基于樣本量單一權(quán)重的加權(quán)融合方法；準(zhǔn)則層向目標(biāo)層融合時，采用基于樣本量和重要性的綜合權(quán)重加權(quán)融合方法。

3 計算結(jié)果及其分析

3.1 可靠性指標(biāo)計算

3.1.1 指標(biāo)層可靠性指標(biāo)

同一故障部件或系統(tǒng)可靠性指標(biāo)的計算采用統(tǒng)計分布法，根據(jù)故障樣本數(shù)據(jù)給出分布假設(shè)(包括發(fā)動機可靠性評估中常用的指數(shù)分布、正態(tài)分布和威布爾分布)、進行分布的擬合優(yōu)度檢驗、分布參數(shù)估計及可靠性指標(biāo)計算。

當(dāng)樣本量過小時，采用比較簡單的傳統(tǒng)方法無法驗證樣本對應(yīng)總體的分布類型。若樣本量為0或1（樣本量很小，對整機指標(biāo)影響亦很小），認為該主件或系統(tǒng)在發(fā)動機的1個壽命期內(nèi)都能可靠工作，由于主件或系統(tǒng)的壽命一般都高于主機的翻修壽命，所以該系統(tǒng)或主件的MTBF值取新發(fā)出廠給定壽命650 h；若某主件或系統(tǒng)的故障樣本量為2，采用數(shù)學(xué)平均值法計算可靠性指標(biāo)。

無法建立分布模型小子樣（子樣數(shù)為2），則采用傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)均值法獲取其可靠性指標(biāo)。整個壽命期內(nèi)只發(fā)生1次故障的沒有故障樣本或故障樣本為1的部件本文經(jīng)過計算后，分別得國產(chǎn)和原型機2種型號發(fā)動機主件和系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)，見表2。

從表中可見，原型機防喘系統(tǒng)有2例樣本，均為防喘調(diào)節(jié)器故障，分別發(fā)生在大修出廠后工作6 h53 min和36 h44 min，導(dǎo)致發(fā)動機提前返廠，按數(shù)學(xué)平均值法得到其可靠性指標(biāo)為21.8。

表2 指標(biāo)層檢驗及計算結(jié)果

3.1.2 準(zhǔn)則層可靠性指標(biāo)

準(zhǔn)則層元素“主件”包含5個部件，即主件=(壓氣機，燃燒室，渦輪，加力燃燒室，發(fā)動機承力裝置)，用向量表示為I1=（i11，i12，i13，i14，i15）；準(zhǔn)則層元素“系統(tǒng)”包含11個系統(tǒng)，即系統(tǒng)=(滑油系統(tǒng)，防冰系統(tǒng)，防喘系統(tǒng)，主燃油系統(tǒng)，加力控制系統(tǒng)，附面層控制系統(tǒng)，附件傳動裝置，電氣系統(tǒng)，可調(diào)噴口，操縱系統(tǒng)，起動系統(tǒng))，I2=（i21，i22，i23，i24，i25，i26，i27，i28，i29，i210，i211）。經(jīng)計算，各類型發(fā)動機的向量見表3。

表3 指標(biāo)層指標(biāo)矢量

表4 各類型發(fā)動機指標(biāo)層權(quán)矢量

表5 各類型發(fā)動機準(zhǔn)則層指標(biāo)

3.1.3 目標(biāo)層可靠性指標(biāo)

獲得準(zhǔn)則層的可靠性指標(biāo)后，利用加權(quán)平均的數(shù)據(jù)融合方法計算目標(biāo)層的可靠性指標(biāo)。航空發(fā)動機在外場使用過程中，主件與系統(tǒng)除了故障數(shù)目差別較大以外，對發(fā)動機整機工作的重要程度也有顯著地區(qū)別，其對可靠性的影響也不相同。因此，在由準(zhǔn)則層指標(biāo)向上融合得到目標(biāo)層指標(biāo)過程中，其權(quán)重系數(shù)不再僅僅由樣本量確定，而必須要綜合考慮主件、系統(tǒng)的故障樣本量及其重要性2個準(zhǔn)則確定部件系統(tǒng)級可靠性指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，目標(biāo)層指標(biāo)融合如圖3所示。

圖3 目標(biāo)層指標(biāo)融合

從圖中可見，在準(zhǔn)則層(部件系統(tǒng)級)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過數(shù)據(jù)融合得到總體指標(biāo)要確定樣本量權(quán)重和重要性權(quán)重及其綜合權(quán)重。

3.1.3.1 樣本量準(zhǔn)則權(quán)矢量Wn

運用相同方法獲取準(zhǔn)則層指標(biāo)對樣本量準(zhǔn)則的權(quán)矢量見表6。

表6 各類型發(fā)動機準(zhǔn)則層樣本量權(quán)矢量

3.1.3.2 重要性準(zhǔn)則權(quán)矢量W5

（1）構(gòu)造判斷矩陣。參考國軍標(biāo)GJB 241-87《航空渦噴、渦扇發(fā)動機通用規(guī)范》對故障模式嚴重程度的劃分方法，根據(jù)主件與系統(tǒng)故障模式對發(fā)動機安全性的影響程度定義元素的重要性，按其重要性準(zhǔn)則構(gòu)造判斷矩陣C，見表7。

（2）對各指標(biāo)權(quán)重系數(shù)進行計算。將矩陣C各行向量進行幾何平均、歸一化，可得到準(zhǔn)則層可靠性指標(biāo)對重要性準(zhǔn)則的權(quán)矢量用Ws

表7 準(zhǔn)則層元素重要性判斷矩陣

經(jīng)計算得到準(zhǔn)則層可靠性指標(biāo)對重要性準(zhǔn)則的權(quán)矢量為Ws=（0.834，0.166），各類型發(fā)動機的準(zhǔn)則層重要性權(quán)矢量詳見表8。

3.1.3.3 樣本量準(zhǔn)則和重要性準(zhǔn)則相對于總體指標(biāo)的重要性權(quán)矢量Wc

根據(jù)可靠性評估中樣本量比重要性重要，來構(gòu)造樣本量和重要性相對于總體指標(biāo)的判斷矩陣T，見表9。

表8 各類型發(fā)動機準(zhǔn)則層重要性權(quán)矢量

表9 樣本量與重要性準(zhǔn)則相對于總體指標(biāo)的重要性判斷矩陣

對判斷矩陣各行向量進行幾何平均、歸一化得到發(fā)動機樣本量準(zhǔn)則和重要性準(zhǔn)則對總體指標(biāo)的權(quán)矢量為 Wc=（0.834，0.166），見表10。

3.1.3.4 綜合權(quán)矢量W

準(zhǔn)則層對目標(biāo)層的綜合權(quán)矢量為

表10 各類型發(fā)動機準(zhǔn)則層樣本量與重要性準(zhǔn)則相對于總體指標(biāo)的重要性權(quán)矢量

利用以上各矢量的計算結(jié)果，得到各類型發(fā)動機準(zhǔn)則層元素的可靠性指標(biāo)相對于總體指標(biāo)的權(quán)矢量，見表11。

3.1.3.5 目標(biāo)層可靠性指標(biāo)T

根據(jù)準(zhǔn)則層可靠性指標(biāo)矢量R和綜合權(quán)矢量W可以計算得到目標(biāo)層可靠性指標(biāo)T=WTR，計算結(jié)果見表12。

表11 各類型發(fā)動機準(zhǔn)則層綜合權(quán)矢量

表12 各類型發(fā)動機整機MTBF指標(biāo)

3.2 可靠性指標(biāo)分析

3.2.1 整體指標(biāo)分析

從表11中可見，國產(chǎn)發(fā)動機的整機MTBF高于原型發(fā)動機的，但若想繼續(xù)提高其整機可靠性水平，還需查找其可靠性薄弱環(huán)節(jié)，具體分析每個部件系統(tǒng)或故障多發(fā)件的可靠性指標(biāo)。

從表12中可見，國產(chǎn)發(fā)動機除起動和滑油系統(tǒng)外的大部分主件和系統(tǒng)的MTBF均高于原型發(fā)動機的，從可靠性增長的角度考慮，若能提高起動系統(tǒng)的指標(biāo)，則國產(chǎn)發(fā)動機的整機可靠性指標(biāo)還會有所提高。通過分析得出，國產(chǎn)發(fā)動機起動系統(tǒng)的故障樣本量與原型發(fā)動機的相同，但其可靠性指標(biāo)卻低于原型機很多，說明國產(chǎn)發(fā)動機起動系統(tǒng)故障發(fā)生的頻率較高。國產(chǎn)發(fā)動機滑油系統(tǒng)故障樣本量高于原型機的，而可靠性指標(biāo)低于原型機的，說明滑油系統(tǒng)是國產(chǎn)發(fā)動機可靠性指標(biāo)的薄弱環(huán)節(jié)，為該型發(fā)動機的可靠性增長工作提供了研究方向。

3.2.2 主要零部件指標(biāo)分析

為了查找使用可靠性較低的零部件，結(jié)合樣本量情況，列出了樣本量較多的主要零部件的MTBF值，見表13。

表13 各類型發(fā)動機主要零部件可靠性指標(biāo)

表中由小到大的規(guī)則列出了2種類型發(fā)動機主要零部件的可靠性指標(biāo)。經(jīng)計算得知國產(chǎn)發(fā)動機的整機MTBF值為221.9。國產(chǎn)發(fā)動機國產(chǎn)主要零部件中的S接頭、前軸承滑油回油泵、壓比調(diào)節(jié)器、加力燃油調(diào)節(jié)器、滑油壓差信號器、溫度控制放大器、高能點火裝置、防冰電磁活門、T1熱電偶和防喘調(diào)節(jié)器的MTBF值均低于整機指標(biāo)，這些零部件是限制整機可靠性提高的部件，也是國產(chǎn)發(fā)動機可靠性增長的方向。

與原型機相比，國產(chǎn)發(fā)動機的壓比調(diào)節(jié)器、加力燃油調(diào)節(jié)器、滑油壓差信號器、高能點火裝置、12級空氣電磁活門、燃油壓差開關(guān)及7級引氣單項活門7個主要零部件的可靠性指標(biāo)均低于原型發(fā)動機的。下面以S接頭、壓比調(diào)節(jié)器、加力燃油調(diào)節(jié)器和滑油壓差信號器為例分析。

3.2.1.1 S接頭

國產(chǎn)發(fā)動機MTBF值最低的S接頭，其樣本量也較多為17。對于國產(chǎn)發(fā)動機來說，S接頭既是故障多發(fā)件又是整機可靠性提高的薄弱環(huán)節(jié)。其原因分析如下：S接頭結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，位于主燃油流量調(diào)節(jié)器到凸輪箱之間，其常見的故障是緊澀、操縱不靈活，但該接頭的緊澀故障無法通過調(diào)整排除，只能換件；另外，在進行故障統(tǒng)計與處理時發(fā)現(xiàn)，S接頭靈活程度是否滿足要求沒有專用工具進行測量，僅僅是通過人為感知來判斷，而不同的人感覺不盡相同，所以，是否需要更換S接頭的結(jié)論也不統(tǒng)一。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，同樣使用該型發(fā)動機的2個飛行團，1個團S接頭的更換數(shù)量較多，而另1個團則相對較少。因此，在所有更換的S接頭故障中，某些故障可能不需要更換；另外，新出廠的發(fā)動機，其各連接結(jié)構(gòu)的靈活性相對較差，經(jīng)對所有S接頭故障樣本進行分析發(fā)現(xiàn)：部分更換S接頭故障出現(xiàn)在新發(fā)裝機后的很短時間內(nèi)，一般是新發(fā)裝機時的試車或者工作十幾個小時以內(nèi)，這也是導(dǎo)致該部件可靠性指標(biāo)低的原因。

由此可知，如若工廠或相關(guān)單位開發(fā)了測量S接頭靈活程度的專用工具，并且給出具體的數(shù)據(jù)范圍，那么在外場工作中S接頭靈活程度是否正常就有據(jù)可依，排除了人為主觀因素的影響，S接頭的故障樣本量一定會有所減少。除此之外，相關(guān)單位還要具體分析更換S接頭的原因，如果是機件本身質(zhì)量導(dǎo)致的，那么還必須提高零部件的質(zhì)量，排除缺陷才能有效提高其MTBF。

3.2.1.2 壓比調(diào)節(jié)器

壓比調(diào)節(jié)器屬于噴口滑油控制系統(tǒng)，在加力時，調(diào)節(jié)噴口面積和給加力燃油流量調(diào)節(jié)器的空氣信號發(fā)生器提供1個P3/P2信號；不加力時，使噴口滑油泵斜盤固定在4.5°的角度上，保持噴口關(guān)閉。壓比調(diào)節(jié)器工作異常時，往往會引起低壓轉(zhuǎn)差超出允許范圍、噴口抖動和加力喘振等現(xiàn)象，排除的方法一般可以先進行調(diào)整，即調(diào)整X6輔助釘；若通過調(diào)整的方法無法排除故障則需要換件。從外場記錄的壓比調(diào)節(jié)器調(diào)整記錄、換件記錄來看，大部分異?，F(xiàn)象均可通過調(diào)整X6輔助釘排除。

雖然換件的樣本量較小，但其可靠性指標(biāo)仍不高，因此，結(jié)合該部件的結(jié)構(gòu)及其工作原理，其可靠性指標(biāo)較低的原因應(yīng)該是設(shè)計生產(chǎn)環(huán)節(jié)的問題。附件廠可以提高該附件的可靠性指標(biāo)，將對提高整機的可靠性指標(biāo)有所貢獻。

3.2.1.3 加力燃油調(diào)節(jié)器

分析加力燃油調(diào)節(jié)器的故障樣本，發(fā)現(xiàn)大部分為漏油故障。無論是何原因?qū)е碌穆┯?，大部分漏油現(xiàn)象外場機械人員均無法排除，必須借助工廠人員通過調(diào)整或修理等方法排除故障，或是通過換件方法排除故障。由此看來，工廠提高加力燃油調(diào)節(jié)器的加工裝配質(zhì)量，外場注重對其密封性的檢查維護是提高加力燃油調(diào)節(jié)器的有效途徑。

3.2.1.4 滑油壓差信號器

滑油壓差信號器發(fā)生故障時，發(fā)動機往往會出現(xiàn)滑壓燈異常閃亮、常亮等外部表象，其原因之一是其阻值不符合要求。因此，要想提高該附件的可靠性指標(biāo)，還需要通過對大量外場故障件進行分解、詳細分析查找故障部位、原因，從而提高附件的設(shè)計環(huán)節(jié)可靠性。

4 結(jié)論

本文以某型國產(chǎn)發(fā)動機及其原型機的349例外場故障為基礎(chǔ)，利用分布法及層次分析數(shù)據(jù)融合方法分別對2型發(fā)動機的使用可靠性指標(biāo)進行評估，結(jié)論如下：

（1）無論是主件還是系統(tǒng)，目前國產(chǎn)發(fā)動機的可靠性指標(biāo)均高于原型機的；

（2）提高滑油和起動系統(tǒng)的可靠性可使國產(chǎn)發(fā)動機的可靠性進一步提高；

（3）提高樣本量較多且可靠性指標(biāo)較低的S接頭、壓比調(diào)節(jié)器等附件的可靠性可提高國產(chǎn)發(fā)動機的整機使用可靠性指標(biāo)；

（4）提高附件的可靠性指標(biāo)，需綜合設(shè)計、生產(chǎn)及使用的各環(huán)節(jié)，對故障根本原因進行深入分析，進而制定可靠性指標(biāo)提高的有效措施。

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（編輯：肖磊）

Comparative Analysis on Service Reliability of a Homemade Engine and its Prototype

XIE Jing，QIN Hai-qin，XU Ke-jun
（Qingdao Branch of Naval Aviation Engineering Institute，Qingdao Shandong 266041，China）

In order to analyze differences of reliability index between an authorised homemade engine and its prototype，the reliability evaluation model of the aeroengine was built by analytic hierarchy process based on components system importance.Based on failure data of the homemade engine and its prototype in the field,the service reliability index was evaluated by data fusion including comprehensive application distribution,sample amount weighted and importance weighted.The results show that the general reliability index of the homemade engine is higher than that of its prototype,the index of pressure ratio controller and lubricant pump are also lower than that of its prototype.It is an effective way to improve similar component reliability index.

reliability index；analytic hierarchy process；data fusion；aeroengine

V 240.2

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2015.05.019

2014-12-22

謝靜（1975），女，碩士，主要從事航空發(fā)動機可靠性評估、狀態(tài)監(jiān)控與故障診斷等工作；E-mail：xie_1919@126.com。

謝靜，秦海勤，徐可君.某型國產(chǎn)發(fā)動機與其原型機使用可靠性對比分析[J].航空發(fā)動機，2015，41（5）：92-97.XIE Jing，QIN Haiqin，XU Kejun.Comparative analysis on service reliabilityofa homemade engine and its prototype [J].Aeroengine，2015，41（5）：92- 97.