燃?xì)廨啓C(jī)可靠性技術(shù)

曲 勝 牟 影 李 明

中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)

燃?xì)廨啓C(jī)的可靠性一直是設(shè)計(jì)師、制造商和用戶所關(guān)注的重要指標(biāo)。隨著燃?xì)廨啓C(jī)在工程領(lǐng)域中應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，尤其是在航海和航空領(lǐng)域中的應(yīng)用，使得燃?xì)廨啓C(jī)的可靠性不僅是機(jī)組本身持續(xù)工作能力的體現(xiàn)，更是關(guān)系使用者人身安全的大事。因此，對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)可靠性的研究越來越為國內(nèi)、外的科研院所和承制廠商所重視，成為決定型號(hào)研制發(fā)展成敗的關(guān)鍵因素之一。本文對(duì)可靠性技術(shù)理論的起源和發(fā)展作了簡(jiǎn)單的介紹，在闡述可靠性判定指標(biāo)和研究方法的基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析了影響燃?xì)廨啓C(jī)可靠性的主要因素，并從設(shè)計(jì)、制造和使用維護(hù)等方面探討了提高燃?xì)廨啓C(jī)壽命和可靠性，降低故障率的有效途徑，對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)可靠性的改善具有一定的指導(dǎo)意義。

燃?xì)廨啓C(jī)是以連續(xù)流動(dòng)的氣體為工質(zhì)帶動(dòng)葉輪高速旋轉(zhuǎn)，將燃料的能量轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Φ膬?nèi)燃式動(dòng)力機(jī)械，是一種集氣體動(dòng)力學(xué)、燃燒學(xué)、材料力學(xué)、控制與測(cè)試等諸多學(xué)科于一身，且對(duì)可靠性、壽命等要求又極高的復(fù)雜設(shè)備，被譽(yù)為制造業(yè)“皇冠上的明珠”，是超級(jí)大國綜合實(shí)力的重要體現(xiàn)。

1 概述

燃?xì)廨啓C(jī)是以連續(xù)流動(dòng)的氣體為工質(zhì)帶動(dòng)葉輪高速旋轉(zhuǎn)，將燃料的能量轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Φ膬?nèi)燃式動(dòng)力機(jī)械，是一種集氣體動(dòng)力學(xué)、燃燒學(xué)、材料力學(xué)、控制與測(cè)試等諸多學(xué)科于一身，且對(duì)可靠性、壽命等要求又極高的復(fù)雜設(shè)備，被譽(yù)為制造業(yè)“皇冠上的明珠”，是超級(jí)大國綜合實(shí)力的重要體現(xiàn)。

燃?xì)廨啓C(jī)經(jīng)常在高溫高壓的環(huán)境中以高轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，所受的載荷復(fù)雜多變，且由于應(yīng)用領(lǐng)域的不同，還要承受不同周邊環(huán)境因素的影響。航空型燃?xì)廨啓C(jī)不僅要在空氣稀薄、低溫的環(huán)境中工作，還要在較大的功率范圍內(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以幫助飛行器做出各種機(jī)動(dòng)動(dòng)作；航海型燃?xì)廨啓C(jī)不僅要在潮濕的環(huán)境中工作，還要經(jīng)受劇烈顛簸和鹽霧腐蝕的考驗(yàn)；工業(yè)發(fā)電型燃?xì)廨啓C(jī)的工作環(huán)境相對(duì)而言比較穩(wěn)定，但是其數(shù)萬小時(shí)的連續(xù)運(yùn)行壽命要求，也是對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)可靠性的一大挑戰(zhàn)。由于燃?xì)廨啓C(jī)自身結(jié)構(gòu)、技術(shù)的復(fù)雜性，工作環(huán)境的苛刻性，各應(yīng)用領(lǐng)域用戶要求的多樣性，導(dǎo)致燃?xì)廨啓C(jī)出現(xiàn)的故障模式多，故障出現(xiàn)的幾率高，故障的危害大，因此，燃?xì)廨啓C(jī)的可靠性是衡量燃?xì)廨啓C(jī)使用壽命的重要指標(biāo)，是設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的重要因素。

2 可靠性的定義和發(fā)展

可靠性的定義

燃?xì)廨啓C(jī)的可靠性是指燃?xì)廨啓C(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)間內(nèi)、設(shè)計(jì)條件下無故障地執(zhí)行指定功能的能力或可能性，主要包含了耐久性、可維修性、設(shè)計(jì)可靠性三大要素。

可靠性的起源和發(fā)展

最早提出可靠性理論的是德國的科學(xué)人員，德國在V-1 火箭的研制中，提出了火箭系統(tǒng)的可靠性等于所有元器件可靠度乘積的理論，即把小樣本問題轉(zhuǎn)化為大樣本問題進(jìn)行研究。

經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，可靠性技術(shù)發(fā)展之迅速、應(yīng)用之廣泛，遠(yuǎn)非一般應(yīng)用科學(xué)可以比擬。美國的E·Henley和日本的H·Kumamoto 指出，在過去的很長一段時(shí)間內(nèi)，除環(huán)境科學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)以外，沒有任何一門應(yīng)用科學(xué)可以像可靠性分析那樣得到驚人的發(fā)展和推廣，如今商家要想取得產(chǎn)品的成功，必須將可靠性同產(chǎn)品的性能同等看待。

3 燃?xì)廨啓C(jī)可靠性的判定指標(biāo)

判定燃?xì)廨啓C(jī)可靠性的指標(biāo)有很多，但是它們多是以時(shí)間計(jì)量，或是以時(shí)間的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行體現(xiàn)，常見的判定指標(biāo)有平均故障間隔時(shí)間、平均維修時(shí)間、可靠度、故障率和耐久性等。

平均故障間隔時(shí)間

燃?xì)廨啓C(jī)是一種非常復(fù)雜的機(jī)械設(shè)備，包含數(shù)千種上萬個(gè)零組件，而平均故障間隔時(shí)間是對(duì)整個(gè)燃?xì)廨啓C(jī)質(zhì)量的綜合考驗(yàn)，任何一個(gè)零組件出現(xiàn)故障都會(huì)對(duì)平均故障間隔時(shí)間造成較大的影響，因此，燃?xì)廨啓C(jī)的平均故障間隔時(shí)間是一個(gè)非常重要的可靠性參數(shù)。

平均維修時(shí)間

燃?xì)廨啓C(jī)的平均維修時(shí)間是指產(chǎn)品發(fā)生故障后，若干次維修時(shí)間的平均值，是一批次燃?xì)廨啓C(jī)整體可靠性的重要表征。

可靠度

燃?xì)廨啓C(jī)的可靠度是指燃?xì)廨啓C(jī)在設(shè)計(jì)條件下、設(shè)計(jì)壽命內(nèi)完成規(guī)定功能的概率，是用概率計(jì)量的判定指標(biāo)，是時(shí)間的函數(shù)，其值在0 與1 之間。如以R（t）代表燃?xì)廨啓C(jī)可靠度，當(dāng)t ＝0 時(shí)，R（t）＝1，則表示燃?xì)廨啓C(jī)完全可靠。

故障率

燃?xì)廨啓C(jī)的故障率也稱失效率，是燃?xì)廨啓C(jī)在時(shí)刻t尚未出現(xiàn)故障，在t+△t 的單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生故障的條件概率。即它反映t 時(shí)刻燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)生故障的速率，也稱為瞬時(shí)故障率。

燃?xì)廨啓C(jī)在廠內(nèi)檢驗(yàn)試車、交付給用戶使用到首翻期維修期間，故障率隨時(shí)間的變化關(guān)系常用“浴盆曲線”表示，見圖1。

圖1 浴盆曲線

從圖1 可以看出，“浴盆曲線”由早期故障期、偶發(fā)故障期和耗損期三段組成。早期故障期主要指燃?xì)廨啓C(jī)新機(jī)或經(jīng)過維修的機(jī)組在制造廠進(jìn)行檢驗(yàn)試車的過程，這個(gè)過程是讓全新的零組件或新件與老件之間進(jìn)行適應(yīng)性磨合，使零組件間達(dá)到較好的穩(wěn)定配合，保證機(jī)組在出廠交付前具有良好的可靠性。偶發(fā)故障期是指交付給用戶使用到需要返廠維修的全過程，此期間出現(xiàn)的故障多數(shù)不可預(yù)計(jì)，因此稱為偶發(fā)故障期。耗損期是指燃?xì)廨啓C(jī)經(jīng)過用戶長時(shí)間使用后，機(jī)組自身的易損件或必?fù)Q件已接近壽命極限，需要進(jìn)行維修或更換的過程，通常機(jī)組在達(dá)到此期間前，就進(jìn)行返廠或現(xiàn)場(chǎng)維修，以保證機(jī)組在用戶繼續(xù)使用前具有良好的可靠性。

現(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī)的全壽命通常由3～5 個(gè)“浴盆曲線”組成，工業(yè)發(fā)電用燃?xì)廨啓C(jī)的全壽命可達(dá)40000h～60000h，用戶正常使用的翻修間隔壽命可達(dá)8000h～12000h，從這些數(shù)字中不難看出，可靠性技術(shù)所發(fā)揮的重要作用。

4 燃?xì)廨啓C(jī)可靠性的研究方法

隨著近現(xiàn)代計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)的出現(xiàn)和各種數(shù)學(xué)模型的建立，使得可靠性技術(shù)研究的新理論、新方法與新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，可以歸于數(shù)學(xué)模型法與物理原因法兩大類。數(shù)學(xué)模型法是一種定量分析的可靠性研究方法，又稱概率分析法，是指可靠性遵從燃?xì)廨啓C(jī)由某種試驗(yàn)數(shù)據(jù)或真實(shí)工作中獲得的概率統(tǒng)計(jì)規(guī)律，包括純概率分析法和近似概率分析法。純概率分析法主要有精確解析法和蒙特卡洛模擬法，而常用的近似概率法有A 次B 階矩法。物理原因法是一種側(cè)重于定性分析的可靠性研究方法，是指考慮燃?xì)廨啓C(jī)各系統(tǒng)零組件失效的物理原因的方法，包括故障模式影響和危害度分析（FMECA）、故障樹分析（FTA）等。

數(shù)學(xué)模型法

精確解析法

精確解析法是指用概率論的公式直接計(jì)算可靠性精確解的研究方法，應(yīng)用最為廣泛的概率分布有正態(tài)分布和指數(shù)分布等。各概率分布形態(tài)均包含數(shù)種函數(shù)關(guān)系式，根據(jù)研究需要，可選擇其中一種或幾種對(duì)發(fā)生故障概率的量值進(jìn)行精確求解。

正態(tài)分布

燃?xì)廨啓C(jī)中有些零組件的故障是由幾種相對(duì)獨(dú)立、作用均勻的微小差異因素造成的，如燃燒室組件、氣缸和軸承的磨損性故障等，這些零組件的故障概率分布函數(shù)多為正態(tài)分布。研究這些零組件發(fā)生故障的概率所涉及的數(shù)學(xué)公式主要有正態(tài)分布密度函數(shù)、累計(jì)概率函數(shù)、可靠度函數(shù)和可靠壽命函數(shù)等。

指數(shù)分布

按指數(shù)分布的故障分布規(guī)律主要適用于燃?xì)廨啓C(jī)隨機(jī)性沖擊產(chǎn)生的故障、正常使用下突發(fā)故障、可維修故障等的研究。研究這類故障所涉及的數(shù)學(xué)公式主要有指數(shù)分布密度函數(shù)和故障率函數(shù)等。

蒙特卡洛法

蒙特卡洛法，也稱統(tǒng)計(jì)模擬方法，是二十世紀(jì)四十年代中期由于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和電子計(jì)算機(jī)的發(fā)明，而被提出的一種以概率統(tǒng)計(jì)理論為指導(dǎo)的一類非常重要的數(shù)值計(jì)算方法。是指使用隨機(jī)數(shù)來解決很多計(jì)算問題的方法。

早期蒙特卡洛法的應(yīng)用并不是很廣泛，計(jì)算精度也較低，原因是人工計(jì)算無法達(dá)到較高的模擬次數(shù)。但是隨著計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)的出現(xiàn)，使得數(shù)據(jù)量偏大的計(jì)算變得輕而易舉，計(jì)算速度也得到了很大的提高，現(xiàn)如今的蒙特卡洛法計(jì)算精度早已達(dá)到了令人滿意的模擬次數(shù)和精度。

A 次B 階矩法

A 次B 階矩法中字母A 代表次數(shù)，字母B 代表階矩的等級(jí)。常用的是二次三階矩法，因?yàn)榇朔N方法可以獲得較高的計(jì)算精度，原因在于泰勒函數(shù)展開時(shí)多采用了一個(gè)數(shù)字特征——偏度，進(jìn)而較多地保留了隨機(jī)變量的分布特性。

更高次數(shù)和階矩等級(jí)的計(jì)算方法很多文獻(xiàn)中也有介紹，但是應(yīng)用較少，原因在于高次數(shù)、高等級(jí)的計(jì)算方法不僅會(huì)使計(jì)算量急劇增加，還會(huì)使研究的問題復(fù)雜化，并導(dǎo)致更多的誤差出現(xiàn)。

物理原因法

故障模式影響和危害度分析（FMECA）

故障模式影響和危害度分析（FMECA）主要由FMEA（故障模式與影響分析）和CA（危害性分析）兩部分組成，其中FMEA 側(cè)重于定性分析，CA 側(cè)重于定量分析。這種方法是分析燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)品中每一潛在的故障模式，并確定其對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)品所產(chǎn)生的影響，以及把每個(gè)潛在故障模式按它的嚴(yán)重程度及其發(fā)生的概率予以分類的一門分析技術(shù)。

故障樹分析法（FTA）

故障樹分析法（FTA）是通過對(duì)可能引起燃?xì)廨啓C(jī)故障的設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行和維護(hù)等因素進(jìn)行分析，畫出故障樹并進(jìn)行逐條分析，從而確定產(chǎn)生故障原因的各種可能組合方式或其發(fā)生概率的一種分析方法。此方法不僅可以對(duì)機(jī)組的可靠性進(jìn)行綜合統(tǒng)計(jì)分析，還可以針對(duì)某一特定故障進(jìn)行單獨(dú)的列樹分析，因此其應(yīng)用也較為廣泛。

5 燃?xì)廨啓C(jī)可靠性的提高途徑

我國著名科學(xué)家錢學(xué)森說過，產(chǎn)品的可靠性是設(shè)計(jì)出來的，生產(chǎn)出來的，管理出來的。由此可以看出，可靠性技術(shù)必須要滲透到產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造、安裝與使用之中，它是一門由始至終的整體性技術(shù)，只有做好每一步，才能獲得產(chǎn)品可靠性的提高。

設(shè)計(jì)可靠性

設(shè)計(jì)賦予了燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)品“先天優(yōu)劣”的本質(zhì)特性，決定了燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)品的固有質(zhì)量特性（如：功能、性能、壽命、安全性和可靠性等），據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，設(shè)計(jì)對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)品質(zhì)量的貢獻(xiàn)率可達(dá)70%以上，是提高燃?xì)廨啓C(jī)可靠性水平的關(guān)鍵因素。

燃?xì)廨啓C(jī)等機(jī)械產(chǎn)品相對(duì)電子產(chǎn)品有其自身的特點(diǎn)，其設(shè)計(jì)方法與電子產(chǎn)品也不盡相同，歸納起來，其可靠性設(shè)計(jì)應(yīng)遵循傳統(tǒng)設(shè)計(jì)與可靠性設(shè)計(jì)相結(jié)合、定性設(shè)計(jì)與定量設(shè)計(jì)相結(jié)合、機(jī)械可靠性與耐久性設(shè)計(jì)并行及系統(tǒng)與零部件可靠性設(shè)計(jì)并行等原則。在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)充分考慮不同應(yīng)用領(lǐng)域的燃?xì)廨啓C(jī)的使用條件及合理地選擇工作能力儲(chǔ)備，并在相關(guān)部件驗(yàn)證試驗(yàn)的幫助下，盡可能全面的排除在燃?xì)廨啓C(jī)正常使用中可能發(fā)生的意外情況，最終使燃?xì)廨啓C(jī)在設(shè)計(jì)階段就具有較高的可靠性水平。

制造可靠性

燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)品的制造質(zhì)量是設(shè)計(jì)可靠性能否得以全面體現(xiàn)的重要保證。根據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，就燃?xì)廨啓C(jī)而言，加工制造原因所引起的故障約占總故障數(shù)的30%。

燃?xì)廨啓C(jī)由成千上萬個(gè)零組件所組成，在每一個(gè)零組件的生產(chǎn)制造過程中，保證其自身的可靠性主要體現(xiàn)在制造設(shè)備的先進(jìn)性、工藝路線的成熟性、制造過程的穩(wěn)定性和質(zhì)量檢驗(yàn)的準(zhǔn)確性等幾個(gè)方面，只有做好每一個(gè)環(huán)節(jié)，方能保證最終成品——燃?xì)廨啓C(jī)具有較高的可靠性水平。

使用維護(hù)可靠性

不同的應(yīng)用領(lǐng)域、不同的燃料形式和不同的功能需求等因素，使得各型燃?xì)廨啓C(jī)的使用和維護(hù)操作規(guī)程也不盡相同。使用過程中的許多故障就是由燃?xì)廨啓C(jī)使用或操作人員違反燃?xì)廨啓C(jī)使用和維護(hù)操作規(guī)程造成的。同時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)使用過程中各種監(jiān)測(cè)手段所提供的數(shù)據(jù)，如壓力、溫度、流量等，經(jīng)過處理分析，也可以較早地發(fā)現(xiàn)燃?xì)廨啓C(jī)故障和設(shè)計(jì)、加工或裝配的不正確性。

6 結(jié)語

本文簡(jiǎn)要介紹了燃?xì)廨啓C(jī)可靠性判定指標(biāo)、相關(guān)研究方法及提高可靠性需采取的措施及途徑，為技術(shù)人員能夠快速理解可靠性含義及深入開展燃?xì)廨啓C(jī)可靠性增長研究打下良好基礎(chǔ)。