新研商用航空發(fā)動機的維修性指標分配方法研究

■ 盧婷婷 陳乃威 孫見忠/中國航發(fā)商用航空發(fā)動機有限責任公司 南京航空航天大學

1 維修性指標分配方法

維修性指標分配是將客戶對產(chǎn)品的維修性定量要求分配到指定的產(chǎn)品層次，并在設(shè)計中落實定量設(shè)計要求，是基于維修性設(shè)計的基礎(chǔ)[1]。維修性指標分配的目的：為產(chǎn)品各組成部分的研制者提供維修性設(shè)計指標，以保證產(chǎn)品最終符合規(guī)定的維修性要求；明確各承制單位所承擔的維修性指標，便于總承制單位的管理[2]。科學合理的維修性指標分配是產(chǎn)品維修性設(shè)計與評估工作的基礎(chǔ)，也是提升產(chǎn)品維修性水平的先決條件。

成熟的維修性分配方法包括：等分配法，按故障率分配法，相似產(chǎn)品分配法，按故障率和設(shè)計特性的加權(quán)因子分配法，按可用度和單元復雜度的加權(quán)因子分配法等。各種分配方法特點的對比分析如表1所示[5]。

由表1可知，采用上述成熟的維修性指標分配方法需要滿足以下條件，才可進行維修性指標分配工作：

1）明確產(chǎn)品待分配的維修性定量指標。

2）完成產(chǎn)品功能和結(jié)構(gòu)分析，明確產(chǎn)品功能和結(jié)構(gòu)的層次關(guān)系。

3）明確產(chǎn)品的可靠性或故障率信息。

新研航空發(fā)動機為復雜機電產(chǎn)品，由于缺乏歷史數(shù)據(jù)，無可靠性數(shù)據(jù)、故障率數(shù)據(jù)等信息，因此無法直接采用表1所述的成熟方法進行維修性指標分配。分析新研航空發(fā)動機的功能結(jié)構(gòu)特性及研究現(xiàn)狀可知，客戶提出產(chǎn)品航線級平均故障維修時間（MTTR）指標要求；通過分析相似機型的維修工藝可近似獲得新研產(chǎn)品航線可更換單元（LRU）的維修過程復雜程度的比例關(guān)系；通過結(jié)構(gòu)分析與LRU件的劃分原則可形成新研航空發(fā)動機的LRU清單。基于上述分析內(nèi)容，決定采用基于產(chǎn)品維修過程復雜程度的綜合加權(quán)分配法來實現(xiàn)新研航空發(fā)動機的維修性指標分配。

2 維修性指標分配

2.1 維修性指標分配層次

維修性指標通常采用三（多）級分配方式。對于航空發(fā)動機而言，首先將整機維修性指標分配至發(fā)動機各部件系統(tǒng)，再由部件系統(tǒng)將其指標分配至零部件。對于新研發(fā)動機的整機MTTR指標來說，由于在設(shè)計早期可獲得其LRU清單，因此可采用兩級指標分配方式，即將發(fā)動機整機級航線MTTR指標直接分配至LRU件。

表1 維修性指標分配方法分析表

兩級指標分配法克服了新研產(chǎn)品在研發(fā)初期產(chǎn)品結(jié)構(gòu)信息不完善的問題，便于維修性指標分配工作的管理，有效地將產(chǎn)品維修性指標要求結(jié)合到產(chǎn)品的設(shè)計中，實現(xiàn)了基于維修性的產(chǎn)品設(shè)計。

2.2 綜合加權(quán)分配法分配模型

基于維修過程復雜程度的綜合加權(quán)分配法的輸入條件為：產(chǎn)品整機航線MTTR指標要求；產(chǎn)品的故障率信息；維修性加權(quán)因子（此處為基于維修過程復雜程度的綜合加權(quán)因子）。將整機級航線MTTR指標分配至LRU件，分配模型為：

上式中，Ki為第i個LRU的維修性加權(quán)因子，表征維修過程的復雜程度；為LRU的維修性加權(quán)因子的平均值；Qi為第i個LRU的數(shù)量；λi為第i個LRU的故障率，不包括任何未檢測出故障的故障率；為LRU的平均故障率；n為LRU的數(shù)量；MTTRi為第i個LRU的平均故障維修時間；MTTR總為整機航線級平均故障維修時間。

2.3 維修性指標分配過程

綜上所述，對于新研航空發(fā)動機，采用基于維修過程復雜程度的綜合加權(quán)分配法，以兩級分配方式完成維修性指標的分配，指標分配過程如圖1所示。

由圖1可知，該分配法需輸入整機航線級MTTR指標、發(fā)動機LRU清單、LRU的維修性加權(quán)因子。其中，整機航線級MTTR指標是客戶提出的產(chǎn)品設(shè)計要求，發(fā)動機LRU清單在設(shè)計初期基于方案獲得，因此，該指標分配方法的重點是確定LRU的維修性加權(quán)因子。

2.4 確定維修性加權(quán)因子

本文研究的維修性加權(quán)因子表征LRU件維修過程的復雜程度。在缺乏可靠性和故障率信息的前提下，可通過分析維修性加權(quán)因子的比例關(guān)系，反映對應LRU件維修性指標的比例關(guān)系。

確定新研航空發(fā)動機LRU的維修性加權(quán)因子的步驟如下：

1）獲取相似產(chǎn)品維修手冊等標準材料中的LRU的拆裝工藝。

2）根據(jù)標準中維修工藝子步驟的時間，形成每個LRU拆裝操作的時間。

3）對所有LRU件的拆裝時間進行歸一化處理，形成LRU的維修性加權(quán)因子。

3 維修性指標分配示例

以某成熟型號商用航空發(fā)動機維修性指標分配為例，已知產(chǎn)品整機航線級MTTR指標要求，以及該產(chǎn)品的LRU清單，根據(jù)上述步驟確定所有LRU的維修性加權(quán)因子。以上述信息為輸入，進行該產(chǎn)品航線級MTTR的指標分配。

3.1 LRU維修性加權(quán)因子

以該發(fā)動機的某溫度傳感器為例，分解該溫度傳感器的拆裝工藝，并根據(jù)MIL-HDBK-470A標準中維修子步驟的時間，確定如表2所示的該傳感器維修工藝分析過程。

以相同的方法，分析該型發(fā)動機所有LRU件的維修工藝；計算所有LRU件的維修操作統(tǒng)計時間，形成該型發(fā)動機LRU維修時間分析表；在此基礎(chǔ)上，對發(fā)動機所有LRU維修時間進行歸一化處理，形成LRU的維修性加權(quán)因子，作為基于產(chǎn)品維修過程復雜程度的綜合加權(quán)分配法的輸入。

3.2 維修性指標分配

因新研航空發(fā)動機研制初期無法直接應用模型（1）所示的分配方法，因此通過獲取并分解相似機型的維修手冊等標準資料中的維修工藝信息，形成LRU件的維修性加權(quán)因子，從而進行維修性指標分配。簡化后的綜合加權(quán)分配法的模型為：

圖1 維修性指標分配過程

上式中，Ki為第i個航線可更換單元的維修性加權(quán)因子，表征維修過程的復雜程度；為航線可更換單元的維修性加權(quán)因子的平均值；Qj為第j種可更換單元的數(shù)量；L為LRU種類的數(shù)量；n為LRU的總數(shù)量；MTTRi為第i個航線可更換單元的平均故障維修時間；MTTR總為整機航線級平均故障維修時間。

基于維修過程復雜程度的綜合加權(quán)分配法進行維修性指標分配的輸入為：

1）該發(fā)動機整機航線級MTTR值為20 min。

2）該發(fā)動機的LRU清單。

3）該發(fā)動機LRU維修性加權(quán)因子。

將上述信息輸入模型（2）和模型（3）所述的維修性分配模型，完成該發(fā)動機的維修性指標分配工作。

為驗證該維修性指標分配方法的可行性和有效性，選擇該發(fā)動機中部分LRU的MTTR實際值與MTTR指標分配值進行對比分析，如表3所示。

表2 發(fā)動機某傳感器維修工藝分析

表3 綜合加權(quán)分配法分配結(jié)果分析

由此得到以下結(jié)論：

1）按本文提出的基于維修過程復雜程度的綜合加權(quán)分配法對某成熟型號發(fā)動機進行維修性指標分配，得到的典型LRU的MTTR分配值與該型發(fā)動機MTTR的工程值的對比結(jié)果，表明該指標分配方法科學有效。

2）本文研究的綜合加權(quán)分配法基于的是發(fā)動機LRU的維修過程的復雜程度，通過該方法進行維修性指標分配的結(jié)果反映了發(fā)動機LRU維修過程的復雜程度關(guān)系以及分配的MTTR指標之間的對應關(guān)系。

3）本文研究的綜合加權(quán)分配法在新研發(fā)動機產(chǎn)品設(shè)計初期可實現(xiàn)科學有效的維修性指標分配，但在可靠性數(shù)據(jù)的引入方面仍需在后續(xù)的設(shè)計工作中不斷完善。

4 總結(jié)

針對新研航空發(fā)動機的維修性指標分配方法，本文提出在缺乏相似產(chǎn)品數(shù)據(jù)的情況下，通過分解相似機型拆裝工藝及分析維修步驟標準時間，并將數(shù)據(jù)歸一化后形成新研發(fā)動機LRU的綜合加權(quán)因子的分配方法，該方法解決了新研航空發(fā)動機設(shè)計初期缺乏歷史數(shù)據(jù)及可靠性數(shù)據(jù)偏差較大的問題，并以某成熟型號發(fā)動機為例進行航線級MTTR指標分配，結(jié)果表明，采用基于產(chǎn)品維修過程復雜程度的綜合加權(quán)分配法進行維修性指標分配是科學有效的。

本文提出的兩級維修性指標分配方法，直接將整機航線級MTTR指標分配至各LRU，有利于分配工作的管控，并有效地將維修性指標與產(chǎn)品設(shè)計相結(jié)合。新研發(fā)動機設(shè)計早期可靠性數(shù)據(jù)不足且存在偏差，本研究認為LRU的故障率是在同一量級的，因此暫未考慮故障率之間的差異。后續(xù)的研究中需不斷完善LRU可靠性數(shù)據(jù)的收集和整合，優(yōu)化該綜合加權(quán)分配法，以指導發(fā)動機設(shè)計，并有效提高其維修性。