航空發(fā)動機受感部延壽試驗方案研究

張生 王藝

摘要：結(jié)合航空發(fā)動機成附件壽命試驗現(xiàn)狀和需求，研究確定了受感部延壽流程，并重點研究了載荷剖面確定方法，首次在成品壽命試驗中引入置信度和可靠度概念，研究確定了基于威布爾分布的成附件產(chǎn)品的壽命試驗時間確定方法，可以合理安排試驗樣本數(shù)和試驗時數(shù)，保證壽命試驗結(jié)果可信。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動機；成品；延壽試驗j威布爾分布

O引言

隨著航空發(fā)動機技術(shù)成熟度的不斷提高，長壽命、高可靠性已經(jīng)成為航空發(fā)動機的研制目標(biāo)。航空發(fā)動機配套的成附件產(chǎn)品的壽命指標(biāo)已高達幾萬小時。某型發(fā)動機整機試車沿用在役發(fā)動機的受感部，其壽命指標(biāo)遠低于整機壽命指標(biāo)要求和試車資源需求，在整機試車中頻繁更換，一方面影響研制進度，另一方面產(chǎn)品價格昂貴，裝機數(shù)量多，造成資源浪費。科學(xué)地開展成品延壽工作成為急需解決的問題。

首先開展機理分析，確定延壽試驗的載荷類型，通過實測數(shù)據(jù)確定常規(guī)載荷剖面和加速載荷剖面。鑒于在役在研成品壽命試驗多以考核為主而未考慮產(chǎn)品的分散性，使得考核結(jié)果置信度不足。本文研究確定了基于威布爾分布的成附件產(chǎn)品的壽命試驗時間，可以合理安排試驗樣本數(shù)和試驗時數(shù)，保證延壽結(jié)果可信，并給出試驗檢查間隔和故障判據(jù)，試驗方案設(shè)計完整。

1 試驗條件的確定

1.1 載荷確定流程

根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計信息和使用信息開展FMECA，確定故障機理，進而確定敏感載荷，最后確定延壽試驗載荷剖面，流程如圖1所示。

經(jīng)過分析確定，受感部敏感載荷主要包括溫度、振動載荷。為盡可能真實地模擬產(chǎn)品的實際使用環(huán)境，對發(fā)動機整機開展載荷測量。

1.2 載荷譜制定

考慮載荷分散性，依據(jù)實測數(shù)據(jù)制定可靠性試驗載荷剖面[1]，并依據(jù)實測溫度對載荷進行修正。確定隨機振動試驗載荷譜如圖2所示，振動總量為11.25g。

2試驗時間確定

2.1威布爾分布

威布爾分布因形狀參數(shù)的存在而具有較大的靈活性。當(dāng)威布爾分布中的參數(shù)不同時，可以轉(zhuǎn)化為指數(shù)分布、正態(tài)分布等[2]。威布爾分布可以看作隨機變量較普遍的分布形式[3]，已被證明能比正態(tài)分布和對數(shù)正態(tài)分布更好地描述疲勞壽命[4]，凡因為某一局部失效或故障所引起的全局機能停止運行的原件、器件、設(shè)備、系統(tǒng)等產(chǎn)品壽命均服從威布爾分布。因此，本壽命試驗方案設(shè)計主要基于威布爾分布。產(chǎn)品壽命服從威布爾分布時，其累積失效分布函數(shù)為：

β為形狀參數(shù)，η為尺度參數(shù)。形狀參數(shù)反映數(shù)據(jù)分散性，形狀參數(shù)越大，分散性越小。建議國內(nèi)件取形狀參數(shù)為2。有相似產(chǎn)品的經(jīng)驗數(shù)據(jù)也可以通過分布擬合及參數(shù)評估確定形狀參數(shù)[5-6]。

2.2壽命試驗時間的確定

假設(shè)（t1，t2，…，t_n）為隨機試驗件的失效時間樣本，將其按照從小到大的順序排列，其最小次序統(tǒng)計量t（1）的分布函數(shù)可表示為

式中，F(xiàn)_t（1）為最小次序統(tǒng)計量t（1）的分布函數(shù)；n為試驗樣本數(shù)量。

將式（1）代人式（2）可得

令t_y為威布爾分布的最小次序統(tǒng)計量累積分布函數(shù)的下側(cè)置信限，y為相應(yīng)的置信度，則最小次序統(tǒng)計量大于置信下限的風(fēng)險可用式（4）表示。

P{t（1）>t_y}=1-γ

（4）

由式（3）和式（4）有

從而，在已知形狀參數(shù)β、置信度y、樣本數(shù)n和尺度參數(shù)η條件下，可得出單個試驗件試驗時間：

R（t）為不發(fā)生失效的概率，根據(jù)式（1），

則可靠壽命tR為：

tR：[-In R（t）]1/β·η

（8）

延壽目標(biāo)在可靠壽命已知時，

將式（9）代入式（6），形狀參數(shù)一定時，根據(jù)試驗樣本量、置信度、可靠度要求，確定試驗時數(shù)與目標(biāo)可靠壽命之間存在如下關(guān)系：

由此在已知產(chǎn)品壽命分布的條件下，根據(jù)產(chǎn)品數(shù)據(jù)和可靠度要求，即可合理確定壽命試驗時間。

此次受感部壽命初次延壽至500小時，即目標(biāo)壽命500，樣本數(shù)6，β=2，根據(jù)式（10）確定不同置信度和可靠度下每個試驗件所需試驗時間，如表1所示。

取置信度和可靠度數(shù)值一致，從表1可以看出，0.75～0.8時試驗時數(shù)變化最平緩，時數(shù)在現(xiàn)有條件下可達，置信度和可靠度滿足安全性要求，因此初步確定當(dāng)6個試驗件分別試驗至548小時無故障時，方能以80%的置信度和可靠度接受目標(biāo)壽命為500小時。

3 安裝方式

試驗需要在室溫的條件下進行，試驗產(chǎn)品的安裝方式要盡量模擬發(fā)動機實際裝機方式，采用6個舊件同時試驗。

4 故障判據(jù)

在試驗過程中，出現(xiàn)下列任何一種狀態(tài)時，應(yīng)判定受試產(chǎn)品出現(xiàn)故障。

1）受試產(chǎn)品不能工作或部分功能喪失。

2）受試產(chǎn)品參數(shù)檢測結(jié)果超出規(guī)范允許范圍。

3）產(chǎn)品的機械、結(jié)構(gòu)部件或元器件發(fā)生松動、破裂、斷裂或損壞。

5 試驗檢查間隔

由于產(chǎn)品故障在試驗中并不能完全發(fā)現(xiàn)，必須定期停止試驗。要求每隔10小時進行目視檢查；150小時以下每50小時進行熒光檢查，超過150小時每25小時進行熒光檢查；視情進行X光檢查。

6 結(jié)論

研究確定的航空發(fā)動機受感部延壽試驗方法成功用于航空發(fā)動機受感部PT25延壽。初次延壽，通過248小時的內(nèi)場試驗，以80%的置信度和可靠度接受PT25受感部從300小時延壽至500小時，試車結(jié)果表明，此次延壽可行。

首次將置信度和可靠度概念引入航空發(fā)動機成品壽命試驗，可以指導(dǎo)航空發(fā)動機成品研制中首飛、鑒定等統(tǒng)計類壽命考核試驗，具有較好的理論意義和工程應(yīng)用價值。

參考文獻

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