基于故障模式的航空發動機附件可靠性試驗設計技術研究

袁翔 聶華菊 金向明

摘 要：可靠性是航空發動機附件的固有特性，是設計出來的，更是試驗出來的，因此提高附件可靠性水平的途徑，除關注設計水平的提高、產品功能性能提升之外，需關注研制階段附件可靠性試驗工作的開展。同時，為汲取發動機附件故障率高、影響部隊使用的教訓，航空發動機研制應將提高附件可靠性作為重點工作之一，為此，本文提出在對附件進行系統全面的FMECA基礎上，結合在役航空發動機附件故障情況，提出基于故障模式的附件可靠性試驗設計方法和流程，通過制定科學合理的附件可靠性試驗方案，開展附件可靠性試驗，使附件故障和不足暴露在試驗臺上，暴露在研制早期，并采取相應的糾正措施，從而提高發動機附件可靠性水平。

關鍵詞：航空發動機;故障模式;附件可靠性;試驗

引言

隨著我國航空技術的發展和認識的深入，近年來發動機的試驗越來越受到重視。但是往往只關注整機及關鍵件的試驗，且這些試驗在航空發動機型號規范和結構完整性大綱中也有明確、細致的要求，而航空發動機附件試驗則缺乏相對明確的規范和要求，加之管理上重視不夠，沒有嚴格、科學、有效地試驗，導致發動機服役后附件故障率較高。據統計，現役某發動機附件故障占發動機總故障的70%以上，成為影響航空發動機可靠性的主要因素，嚴重的影響了發動機的正常使用。

1必要性

為汲取發動機附件故障率高、影響部隊使用的教訓，航空發動機研制應將提高附件可靠性作為重點工作之一，為此，在對附件進行系統全面的FMECA基礎上，結合在役型號發動機附件故障情況，提出基于故障模式的附件可靠性試驗方案，通過制定科學合理的附件可靠性試驗方案，按照試驗方案開展附件可靠性試驗，使附件故障和不足暴露在試驗臺上，暴露在研制早期，并采取相應的糾正措施，從而提高發動機附件可靠性水平，降低發動機在使用過程中的附件故障比例，從而提高整機可靠性水平。

1.1目的

基于故障模式的航空發動機附件可靠性試驗目的是通過開展有針對性的附件級的環境與可靠性試驗，盡早充分暴露附件故障，并采取相應的糾正措施，保證附件可靠性達到預期的目標要求。同時，通過基于故障模式的附件可靠性試驗可以驗證設計措施的有效性，降低附件對發動機正常使用的不利影響。

2附件可靠性試驗設計流程

2.1總體思路

基于故障模式的附件可靠性試驗首先在對附件進行全面的FMECA分析的基礎上，結合在役型號發動機附件故障情況，明確產品典型故障模式，進行典型故障模式分析等工作，從而明確附件需開展的基于故障模式的附件可靠性試驗的試驗項目，更好的設計試驗方案。對附件產品進行FMECA分析有助于故障定位，失效分析后明確故障機理將有利于進一步改進缺陷，改進后重新試驗以驗證改進措施的效果。

2.2附件FMECA分析

附件FMECA分析是一項十分繁瑣的工作，要求設計人員或可靠性人員從以下方面進行分析（但不限于）：

a） 明確附件的薄弱環節或關鍵重要部位，這可以通過參考同類設計或在整個系統的可靠性分析給定;

b） 要了解同類產品的故障情況或產品失效的統計概率，對于航空發動機而言可用的數據較少，但同類產品的故障情況能夠作為分析的重要參考;

c） 了解發動機研制過程中（包括試驗和試飛），附件的失效情況，這也是進行典型故障模式分析的重要參考;

綜合上述情況分析確定附件典型故障模式，為基于故障模式的附件可靠性試驗方案奠定基礎。

2.3典型故障模式分析

在附件FMECA分析的基礎上結合在役型號發動機附件故障情況，綜合考慮故障發生概率、故障危害度等因素明確附件典型故障模式并對附件的典型故障模式進行分析，分析包括故障機理、故障原因、故障發生時機、故障危害度等內容，為確定科學合理的基于故障模式的附件可靠性試驗奠定基礎。

2.4確定附件可靠性試驗項目

基于故障模式的附件可靠性試驗項目是以全面分析附件故障模式為基礎，結合型號規范、相關國軍標和附件技術協議的規定，綜合提出并設計有針對性的可靠性試驗項目和相關要求，基于故障模式的附件可靠性試驗項目是基于故障模式采用科學的方法優選試驗項目或開展試驗設計，主要包括通用規范規定的附件試驗、附件實驗室環境試驗、附件壽命試驗、附件產品規范規定的試驗和基于故障模式設計的可靠性試驗等5類，其中：

a） 通用規范規定的附件試驗為GJB242A-2018《航空渦輪螺槳和渦輪軸發動機通用規范》規定的附件模擬工作試驗、發動機附件環境試驗、防火試驗、電磁環境效應試驗等;

b） 附件實驗室環境試驗為GJB 150.1A-2009《軍用裝備試驗室環境試驗方法》規定的實驗室環境試驗，其中部分試驗與“通用規范規定的附件試驗”要求一致;

c） 壽命試驗為科工委〖1985〗科六字第1325號文《航空技術裝備壽命和可靠性工作暫行規定（試行）》要求開展的附件壽命試驗;

d） 附件產品規范規定的試驗為部分附件設計試驗除依據上述標準外，有相關國軍標專門規定其附件產品設計，如GJB 4735-1996《飛機發動機用空氣渦輪起動機通用規范》規定的運轉接合試驗、離合器和軸破壞試驗等試驗;

e） 基于故障模式設計的附件可靠性試驗是針對每個附件產品，在分析其主要故障模式的基礎上所提出的具有針對性的特種試驗項目。該類試驗包括密封試驗（打壓試驗，針對燃滑油泄漏和滲漏故障）、滑油泵軸扭斷試驗（針對斷軸故障）等試驗。

3示例

某滑油泵主要由殼體、傳動軸、內轉子、外轉子等組成?；捅冒鰤罕煤突赜捅茫鰤罕弥饕峁毫櫥鸵詽櫥?、冷卻軸承和齒輪;回油泵抽滑油回滑油箱。

某滑油泵FMECA分析詳見表1，通過FMECA可知，該滑油泵主要故障模式為斷軸和漏油。

統計在研在役其他型號航空發動機滑油泵故障情況，詳見表2。

通過某滑油泵FMECA分析和在研在役其他型號航空發動機滑油泵故障分析可知，發動機滑油泵主要故障模式為斷軸和漏油，因此針對斷軸故障模式設計泵軸扭斷試驗，針對滲漏油故障模式設計密封性試驗和振動試驗組合試驗。

a）泵軸扭斷試驗

試驗目的：對滑油泵傳動軸進行扭斷試驗，以考核其靜強度，保證工作安全。

試驗要求：

◆用傳動軸進行破壞性試驗，實際記錄數值，與設計要求和計算的理論值進行對比分析。

◆試驗要求載荷來源于產品技術協議。

◆加載過程分為三個階段：最大工作扭矩、計算扭斷力矩和扭斷。

◆最大工作扭矩試驗后目視檢查傳動軸，分析其扭矩-扭轉角曲線;計算扭斷力矩試驗后目視檢查傳動軸，無損檢測是否有裂紋;扭斷后記錄剪切扭矩和試驗件故障部位。

b）組合試驗

試驗目的：對滑油泵進行振動試驗和密封性試驗組合試驗，考核滑油泵接合面處密封性。

試驗要求：

◆振動試驗方法按GJB150.16A-2009中的有關規定執行，振動試驗類型為功能性振動和耐久性振動。產品須經受3個軸向的振動。每個軸向振動持續時間各為1小時。

◆密封性試驗要求：滑油完成振動試驗后在室溫下，將轉速調至工作轉速后，增壓級出口壓力調為**MPa， 回油泵出口壓力調為**MPa， 保持一段時間后，滑油泵接合面處不允許漏油。

4總結

本文針對航空發動機服役后附件故障率高，影響部隊試用的問題，基于故障模式開展附件可靠性試驗設計，給出了基于故障模式的附件可靠性試驗設計流程和方法。通過開展基于故障模式的附件可靠性試驗設計方法驗證，該試驗設計方法具有工程應用價值，能夠有效的暴露設計缺陷、驗證設計的有效性，從而提高附件可靠性水平。

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（中國航發湖南動力機械研究所，湖南 株洲 412002）