基于航空發動機FMECA的測試性預計研究

袁翔 彭佳 聶華菊

摘 要：測試性預計是通過工程分析和計算來估計型號測試性和診斷參數可能達到的量值，并與規定的指標進行比較，是用于評估所設計產品是否符合規定的測試性要求的一種分析方法。本文通過梳理航空發動機測試性指標體系和測試性預計模型等內容，對基于FMECA的測試性預計方法開展研究，并給出了基于航空發動機FMECA的測試性預計的應用示例，通過研究說明該方法對于航空發動機測試性指標的預計是可行的，能夠滿足航空發動機測試性設計的工程需求。

關鍵詞：航空發動機;FMECA;測試性預計

引言

按照GJB2547A-2012《裝備測試性工作通用要求》工作項目303（測試性預計）的要求，在航空渦軸發動機的方案階段和工程研制階段，需進行測試性指標的預計工作，并隨著設計的進展，在獲得更為詳細的信息后，應進行更為詳細的測試性預計。測試性預計是根據測試性設計資料，通過工程分析和計算來估計測試性和診斷參數可能達到的量值，并與規定的指標進行比較，是用于估計所設計產品是否符合規定的測試性要求的一種方法。

1航空渦軸發動機測試性指標

GJB 2547A《裝備測試性工作通用要求》中測試性指標，一般應規定以下參數的量值。

1）故障檢測率（FDR）;2）嚴重故障檢測率（CFDR）;3）故障隔離率（FIR）;

4）故障檢測時間（FDT）;5）虛警率（FAR）;6）故障隔離時間（FIT）。

由于虛警率（FAR）涉及很多不確定因素，目前還沒有有效的方法進行預計，即使開展虛警率的預計，其預計結果也不準確。故障檢測和隔離時間的預計主要是檢查是否符合使用要求、安全要求和MTTR要求，與使用和準備狀態密切相關，其預計結合型號外場使用和維修性預計中進行。嚴重故障檢測率（CFDR）與整機安全性有關，目前航空渦軸發動機提出較少，一般要求為100%，不需要進行預計。

2測試性預計時機

航空渦軸發動機測試性指標預計工作主要在方案論證和工程研制階段進行。在研制早期，由于發動機詳細結構組成等尚未完全確定，型號研制工作開展有限，能夠得到的信息較少，測試性預計工作可基于FMEA及相似型號經驗進行;在詳細設計階段，發動機型號的設計特點已逐步確定，可獲得更多、更詳細的信息，此時應基于型號詳細的FMECA報告對預計的測試性指標作必要的調整和修正，預計的結果可以作為評價型號測試性水平是否達到設計要求的初步依據。

3基于FMECA的測試性預計方法

3.1測試性預計數學模型

故障檢測率（FDR）定義為在規定的時間內，用規定的方法正確檢測到的故障數與被測單元發生故障總數之比，用百分數表示。其數學模型可表示為：

式中：NT為故障總數，或在工作時間T內發生的實際故障數;ND為正確檢測到的故障數。

隨著發動機型號的結構設計已逐步確定，當系統、部件或成附件的故障率已知的情況下，上述數學模型可修改為：

式中：λD為被檢測出的故障模式的總故障率;λ為所有故障模式的總故障率;λi為第i個故障模式的故障率;λDi為第i個被檢測出故障模式的故障率。

故障隔離率（FIR）定義為在規定的時間內，用規定的方法正確隔離到不大于規定的可更換單元數的故障數與同一時間內檢測到的故障數之比，用百分數表示。其數學模型可表示為：

式中：NL為在規定的條件下用規定的方法正確隔離到小于L個可更換單元的故障數;ND為在規定的條件下用規定的方法正確檢測到的故障數。

隨著發動機型號的結構設計已逐步確定，當系統、部件或成附件的故障率已知的情況下，上述數學模型可修改為：

式中：λD為被檢測出的所有故障模式的故障率之和;λL為可隔離到小于等于L個可更換單元的故障模式的故障率之和;λLi為可隔離到小于等于L個可更換單元的故障中，第i個故障模式的故障率;L為隔離組內的可更換單元數。

3.2基于FMECA的測試性預計工作步驟

測試性預計工作應在診斷方案且FMECA報告的基礎上，預計航空發動機故障檢測率和隔離率。

1）結合發動機系統和部件的功能和結構，分析發動機功能層次和結構組成，形成發動機功能層次圖和結構框圖;

2）分析發動機診斷方案，提取發動機各項檢測診斷手段的測試范圍、檢測流程和算法等，并收集相關測試設備、工具、傳感器和電子控制器的工作原理、啟動和結束條件、故障顯示和告警機制等，用于在開展FMEA或FMECA工作中明確該故障模式是否能夠被檢測和隔離，確定故障模式的檢測和隔離方式方法。

3）收集整理發動機FMECA和可靠性預計數據，以便列出所有故障模式，掌握故障影響情況、部件或系統的故障率，部件或系統相關故障模式頻數比。當在發動機研制早起進行測試性預計時，由于未開展FMECA工作，至少應進行FMEA報告，明確故障影響情況、故障模式檢測和隔離情況。

4）根據上述分析的結果，識別每個故障模式能否檢測、檢測方式，分析被檢測的故障模式能否隔離，可隔離到幾個LRU，并將數據填入測試性預計描述表單中。

5）根據各部件或系統測試性預計表中的數據計算發動機故障檢測率、隔離率。

6）分析所得預計結果，并根據要求編寫測試性預計報告：

a）把測試性預計值與要求比較，看是否滿足要求;

b）列出該發動機中不能檢測或隔離的故障模式和相關零組件，并分析其對安全和使用的影響。

c）必要時可根據測試性預計情況對發動機設計提出設計改進意見。

3應用示例

某發動機為單元體設計，其主要構成有：粒子分離器單元體、壓氣機單元體、燃燒室單元體、渦輪單元體、附件傳動系統單元體。系統主要包括有燃油與控制、滑油、電氣、及空氣系統等。

依據發動機診斷方案和FMECA分析報告進行測試性預計，表4中給出了部分測試性預計表。通過對表3中的內容進行統計分析，該發動機故障模式總數為953個，其中無法進行檢測的故障模式92個，可檢測的故障模式為861個，分析861個可檢測的故障模式中823個故障模式是外場可以通過各測試手段實現故障隔離，521個故障模式可隔離至1個LRU，754個故障模式可隔離至2個LRU內，823個故障模式可全部實現隔離在3個LRU內，詳見表3和表4。

通過現階段測試性數據進行測試性預計可知，某型發動機故障檢測率為90.3%，故障隔離率為95.6%，其中隔離至1個LRU為63.3%，2個LRU為91.6%，3個LRU為100%，可滿足研制要求中的測試性定量要求。

對不可檢測和不能隔離的故障模式進行統計分析。對于8個II類的不可檢測的故障模式、2個I類不可隔離的故障模式和6個II類不可隔離的故障模式，需要求相關設計人員予以重視，并針對上述故障模式進行設計改進，如該結構無法在設計上進行改進則需要給出外場使用維護詳細建議和安全使用要求，其他故障模式需進行詳細細致的危害性分析，并予以設計改進和優化使用維護要求。

4結束語

本文通過梳理航空發動機測試性指標體系和測試性預計時機等內容，對基于FMECA的測試性預計方法開展研究，給出了應用示例。通過研究可以看出，此方法可以分階段依據測試性信息情況來預計航空發動機的故障檢測和故障隔離能力， 從而發現設計中的薄弱環節，提出測試性設計意見和建議，為權衡不同設計方案提供依據，并且可以通過測試性預計來評價和確認已進行的測試性設計工作，找出不足，改進設計。通過基于航空發動機FMECA的測試性預計研究并給出應用示例，該方法對于航空渦軸發動機測試性指標的預計是可行的，能夠滿足航空發動機測試性設計的工程需求。

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（中國航發湖南動力機械研究所，湖南 株洲 412002）