基于試飛數據的航空發動機維修性分析優化技術研究

徐小芳 高雅娟 武紅姣/中國飛行試驗研究院

0 引言

維修性是產品在規定的條件下和規定的時間內、按規定的程序和方法進行維修時保持或恢復到規定狀態的能力[1]，是體現產品維修簡捷、方便、技術要求和維修成本低的一種通用質量特性。試飛階段航空發動機維修工作主要依據其使用維護說明書、維修規程等實施，而這些文件又是依據預防性維修大綱編制的。預防性維修大綱是預防性維修方案的匯總文件，制定時因缺乏必要的數據，往往較為保守，需要在收集和分析實際使用維修數據的基礎上，對預防性維修工作類型、維修間隔期等進行調整，逐步使其更加實用和合理[2]，達到優化維修方案的目的。要實現維修方案的優化，促使維修工作更加科學合理，需借助于先進的維修理念和方法，這種理念和方法即是以可靠性為中心的維修（RCM）。

RCM 是目前國際上通用的用以確定產品預防性維修需求、優化維修制度的一種系統工程方法[3]。本文引入RCM理論和方法，開展基于試飛數據的航空發動機維修性分析優化研究，以期剖析試飛階段航空發動機維修性與指標要求偏離的原因，為提升我國航空發動機的維修性提供有效方法和途徑，為新發動機研制論證提供借鑒和參考，實現試飛為裝備發展服務的目標。

1 航空發動機試飛維修性現狀

目前，按要求對航空發動機的試飛維修性開展定性和定量評價。其中，定量評價的主要參數是每飛行小時平均維修工時；定性評價主要從可達性、標準化與互換性、防差錯措施與識別標記、檢測的方便性與快捷性、維修安全性、人素工程六個方面進行，以發現其存在的設計、制造、工藝、使用和維修等問題和缺陷，為設計更改提供參考。

據不完全統計，國產航空發動機試飛期間，其維修性定量評價結果往往與指標要求存在不同程度的偏離，嚴重的僅能達到指標要求的30%左右，達標率較低。在維修性定性評價中發現的問題，通過問題反饋—設計分析—設計答復流程后，能在試飛期間落實更改的很有限，往往承諾在后續產品中更改。可見，目前試飛階段的維修性評價主要關注點在“機”本身，對“人、機、料、法、環”中除“機”以外的因素重視不夠。本文在“機”基礎上，增加對“人”和“法”的關注。“人”是指參與維修工作的機務維修人員，“法”是開展維修工作的依據，以拓展維修性分析的范圍，為實現維修性增長和數字化研制論證提供有效的方法途徑。

2 基于RCM 的維修性分析優化技術研究

2.1 RCM 內涵及應用適應性研究

RCM 內涵是以產品的可靠性發展規律為基礎，應用邏輯決斷法確定預防性維修要求，實現以最少的資源消耗保持產品的可靠性和安全性。RCM 維修主要包括視情維修和狀態監控，其中視情維修是當產品有功能故障征兆時進行的維修方式；狀態監控是指利用儀表和人的感官，在操作期間對關鍵部件進行觀察，及時發現故障征兆，在故障發生前采取有效的預防措施，以防止故障發生。但RCM 的應用需要“機”具備諸如機內自檢測（ВIT）和先進的測試儀器儀表系統等狀態監控設計，在此基礎上指導維修工作的維修大綱等“法”才有進一步優化和改進的可能和空間。

隨著科學技術的發展，在航空發動機研制中，配置了綜合電子調節器/數字電子控制器等重要附件，與發動機傳感器、機械液壓調節裝置等航空發動機控制系統和狀態監控系統一起，自動調節發動機相關參數，保證發動機工作穩定可靠。同時，通過飛參數據、座艙內自檢測等方式，能夠檢測、監控發動機的狀態。因此，RCM 適用于在航空發動機維修中應用，為維修模式轉變和維修優化奠定了基礎。

2.2 維修性分析優化方法研究

維修性分析從維修性定量評價不達標入手，剖析背后的原因，探索提升的方法途徑，為制定優化方案提供支持。根據GJВ2072[4]，每飛行小時平均維修工時計算模型如下：

其中，LMMH為每飛行小時平均維修工時，單位為工時/飛行小時；MMH為發動機總維修工時，單位為工時；T為發動機總飛行小時，單位為小時。

根據飛行試驗的特點，其試驗過程可看作定時截尾試驗，因此，式（1）中的分母是相對固定的值。若想獲取較小的每飛行小時平均維修工時，需減少航空發動機的總維修工時。維修工時減少方法流程見圖1。

維修工時是完成規定維修工作的參與人數與持續時間乘積之和。通過減少維修參與人數、縮短維修時間、減少維修工作項目，均可減少維修工時，從而提高航空發動機的維修性。參加維修工作的人數及其維修時間在進行數據收集時已按實際進行了處理，統計的是實際工作人數和有效工作時間，在提高維修性方面已無上升和改進空間。下面從維修工作項目優化方面，分析提高維修性的方法和途徑。

維修工作項目是根據發動機使用維護說明書或維修大綱等技術資料制定的，這些技術資料是開展維修工作的依據，即“法”。但這些技術文件在制定時還缺乏必要的數據支撐，還需要通過工程實踐對維修工作項目（含維修間隔）進行優化，以形成更加科學合理的維修方案，為航空發動機使用維護說明書或維修大綱完善提供支持。維修工作項目優化方法流程見圖2。

圖1 航空發動機減少維修工時的方法流程

圖2 維修工作項目優化方法流程

由圖2 可以看出，優化過程最重要的是基于試飛數據，運用RCM 邏輯決斷法判定維修工作項目和維修間隔的合理性和有效性，為維修工作項目和維修間隔保留/調整/合并/取消等維修決策提供支撐。一般來說，航空發動機的預防性維修工作包括飛行前、再次出動、飛行后和定檢工作。這些維修工作項目是否必要和有效，以其能否以最少的資源消耗保證可靠性和安全性為判定原則，因此需要統計分析故障發生發現的時機。某型航空發動機故障發生發現時機包括：地面試驗、地面試車/開車、地面滑行、空中飛行、排故、飛行前、飛行后、再次出動、定檢及其他。其中，飛行前、飛行后、再次出動、定檢等發生發現的故障和維修工作項目優化有關。預防性維修發現的故障分布圖見 圖3。

圖3 預防性維修發現的故障分布圖

表1 航空發動機預防性維修工作項目優化方案

由圖3 及試飛采集的信息數據可知：飛行前發現1 起外部泄漏故障；再次出動的2 起故障通過通電和目視檢查可發現；定檢的4 起故障均不是25h 定檢發現的；飛行后發現9 起故障，占預防性維修發現故障的56.3%。因此，按照RCM 邏輯決斷優化方法流程，建議：適當減少飛行前檢查頻次；縮減再次出動工作內容，減少參試人員數量；保留飛行后或取消單飛行日的飛行后工作；取消25h 定檢，保留其他定檢工作。

根據以上維修工作優化建議，考慮優化的合理性、顯著性和綜合性，提出預防性維修工作優化方案，見表1。

修復性維修優化從故障入手，按照GJВ/Z77-95[5]，借鑒故障報告、分析和糾正措施系統（FRACAS），對故障進行分類。考慮技術、進度和費用等條件限制，僅對В 類故障進行改進。同時，該標準給出的В 類故障改進有效性系數取值范圍一般為0.55 ～0.85，從中估算出改進消除的故障數及其減少的維修工時，考慮優化的合理性、顯著性和科學性，形成修復性維修優化方案，并與預防性維修方案綜合，形成維修性綜合優化方案。修復性維修方案制定時，為方便起見，以В 類 故 障 數10 以 內 為例，提出優化方案，其他可對方案進行擴充。同時，按所有В 類改進有效，對維修性能達到的水平進行摸底。具體方案如下。

1）從維修工時最小的故障開始，工時自小到大，至優化個數對應的故障改進有效，其和為減小的工時數；

2）從維修工時第二小故障開始，工時自小到大，至優化個數對應的故障改進有效，其和為減小的工時數；

3）從維修工時第三小故障開始，工時自小到大，至優化個數對應的故障改進有效，其和為減小的工時數；

4）從維修工時第四小故障開始，工時自小到大，至優化個數對應的故障改進有效，其和為減小的工時數；

5）從維修工時第三大故障開始，工時自大到小，至優化個數對應的故障改進有效，其和為減小的工時數

6）從維修工時第二大故障開始，工時自大到小，至優化個數對應的故障改進有效，其和為減小的工時數；

7）從維修工時最大故障開始，工時自大到小，至優化個數對應的故障改進有效，其和為減小的工時數；

8）所有В 類故障改進有效，減少的修復性維修工時達到最大值。

3 應用實例

為了應用以上維修優化方法，需進行試飛的飛行日及架次、預防性維修次數、飛行日類型及В 類故障維修工時等數據統計。以某型航空發動機設計定型試飛期間一段數據為例，期間共進行飛行前檢查近300 次，再次出動檢查260 余次。10 余臺參試發動機共進行25h 定檢23 次，其中首次25h 定檢12 次。經過分析確認的В 類故障9起，用F1-F9 編號，其修復性維修工時見表2（其中工時如3：20 表示3 小時20 分鐘），不同飛行日次數統計分布見圖4。按照“試驗—暴露—改進—再試驗”模式，利用統計的發動機飛行時間和單次飛行前、再次出動、飛行后和定檢時間等數據，得出某型航空發動機優化方案實施后維修工時變化及每飛行小時平均維修工時預測結果，見 表3。

表2 B類故障修復性維修工時統計

圖4 不同飛行日次數統計分布圖

表3 優化方案實施后維修工時變化及LMMH預測結果

從表3 可以看出，某型航空發動機的每飛行小時平均維修工時優化后最優能達到1.26 人時/飛行小時，保守預計能達到1.80 人時/飛行小時，與目前的指標要求尚有一定的差距，表明發動機目前的維修性指標存在虛高現象。建議從以下方面加強航空發動機維修性工作。

1）樹立航空發動機通用特性標桿，開展全壽命周期對標研究，找出使用中不達標者與標桿的具體差距，進行分析評價和預測，以提升航空發動機維修性整體水平。

2）提倡以可靠性為中心的維修，摒棄定時維修的觀念[6]。開展數據挖掘分析，在維修性大綱制定中貫徹以可靠性為中心的理念，發揮數據的價值和作用，而不是簡單粗暴地通過縮短定檢周期、增加定檢頻次來預防故障和提高飛行安全，否則不但難以達到預期效果，反而導致“過度維修”。

3） 在 航 空發動機維修性研制論證中，應注重試飛和試驗數據的融合應用，考慮我國當前的技術水平，應運用數據來指導論證，用論證推動研制，提出符合我國國情的航空發動機維修性指標 要求。

4 結束語

航空發動機是飛機的“心臟”，其對飛行安全和飛機利用率的影響不容忽視。本文對試飛數據價值挖掘做了有益嘗試，引入RCM 理論，提出維修工作項目優化方法流程，形成了航空發動機維修性綜合優化方案，并通過某型航空發動機試飛數據進行了方案實施后的維修性預測，預測結果表明仍與指標要求有一定差距。一方面說明我國航空發動機維修性仍有很大的提升空間，另一方面說明提出的維修性指標偏高[7]。期望在航空發動機全壽命周期維修性工作中，打破參試單位界限，實現數據深度共享，并借助數據挖掘、信息化和仿真試驗驗證等先進技術手段，全面提升航空發動機包括維修性在內的通用特性水平，為我國后續裝備提供強有力的“中國心”。