可靠性工程在航空發(fā)動機中的應用

路研

摘要：航空發(fā)動機是為飛行器提供飛行動力的一種高度精密且結構復雜的機械設備，發(fā)動機的可靠性水平將直接影響飛行器的安全性以及綜合性能，因此提高航空發(fā)動機的可靠性是提高飛機整體性能并促進國內航空工業(yè)發(fā)展的重要途徑。本文主要介紹了可靠性工程中的可靠性試驗及故障樹分析方法，重點介紹了可靠性試驗以及故障模式和影響分析在發(fā)動機中的應用。

關鍵詞：可靠性工程;航空發(fā)動機;可靠性試驗;故障模式影響分析

1引言

發(fā)動機是飛機的“心臟”，長時間工作在高溫、高壓、高強度的環(huán)境中，一旦航空發(fā)動機出現(xiàn)故障，將會嚴重影響飛機的飛行安全性，因此有必要提高航空發(fā)動機的可靠性水平以減少發(fā)動機發(fā)生故障的概率。影響航空發(fā)動機可靠性水平的因素有很多，需要運用系統(tǒng)可靠性工程來提高航空發(fā)動機的可靠性。我國航空發(fā)動機工業(yè)與國外發(fā)達國家相比起步較晚，發(fā)動機的壽命等可靠性技術指標相對落后，雖然近些年我國在材料以及航空發(fā)動機的制造工藝上水平正不斷提高，但與美國、英國等國家相比，仍然有一定差距。提高航空發(fā)動機的可靠性水平對于提高我國航空工業(yè)的整體水平，縮小與國外發(fā)達國家之間的差距至關重要。本文主要綜述了可靠性工程的一些基本概念，并重點介紹了可靠性工程在航空發(fā)動機中的應用。

2 可靠性工程基本理論

2.1可靠性試驗

可靠性試驗是通過各種試驗來了解產品在特定條件下的工作狀態(tài)及工作持續(xù)時間，并通過已經獲得的信息來對產品進行結構優(yōu)化來提高產品可靠性的試驗方法[1]?？煽啃栽囼炦m用范圍廣泛，常被應用于機械、電子等各種行業(yè)中，它可以提前發(fā)現(xiàn)產品由于設計缺陷、材料質量低下等問題，并加以改進、優(yōu)化從而提高產品可靠性水平?？煽啃栽囼灧N類繁多，主要包括可靠性強化試驗、環(huán)境應力篩選以及加速壽命試驗?？煽啃詮娀囼炂鹪从?0世紀90年代初，美國波音公司為了減少費用并在早期得到可靠性高的產品而提出了可靠性強化試驗[2]。可靠性強化試驗是通過對產品施加超過真實工作環(huán)境的工作應力，從而暴露出產品的潛在缺陷或薄弱環(huán)節(jié)，然后針對所暴露出的問題對產品進行改良，從而提高產品可靠性的試驗手段?？煽啃詮娀囼災軌虼蠓鶞p少開發(fā)成本，檢查和排除產品在設計中的缺陷，但它也不能發(fā)現(xiàn)產品存在的全部缺陷，而且部分行業(yè)缺乏較為統(tǒng)一的施加環(huán)境應力的標準等問題。環(huán)境應力篩選是通過施加高環(huán)境應力來發(fā)現(xiàn)有故障、缺陷的產品并將有缺陷的產品排除掉的試驗方法。環(huán)境應力篩選與其他可靠性試驗不同的地方，就是在篩選后，不合格的產品將被淘汰掉，而非進行修改，環(huán)境應力篩選的篩選對象是每個產品個體，通過刪減不合格產品以提高產品整體的可靠性。因此，環(huán)境應力篩選實質上并不能直接提高產品可靠性，但它在間接上，通過減少故障產品來提高產品可靠性。加速壽命試驗是在保持產品失效機理不變的條件下，通過施加高應力來縮短試驗周期的一種壽命試驗方法[3]。加速壽命試驗可以快速地使產品達到使用壽命極限，加速后的壽命通過一定的轉換關系得到產品在正常工作應力下的壽命。轉化關系的合理性將直接影響估算的產品壽命準確性，因此優(yōu)化改進轉化關系是加速壽命試驗中需要研究的重要課題。

2.2故障樹分析

故障樹分析法最初由貝爾電話試驗室的H.A.Watson提出[4]，它在產品的設計階段，分析可能導致產品出現(xiàn)故障的原因，并以樹狀框圖的形式表現(xiàn)出來，并通過數(shù)學方法計算故障事件發(fā)生的概率。通過故障樹，可以清晰地了解產品故障的各種原因及其內在聯(lián)系，便于對產品進行結構改進優(yōu)化，以達到提高可靠性的目的。在故障樹建樹時，一般要先了解掌握系統(tǒng)，然后選擇頂事件，即可能會出現(xiàn)的故障，再逐層分析導致頂事件發(fā)生的底事件。具體原則為先分析直接導致頂事件發(fā)生的原因，再分析導致上一層頂事件發(fā)生的底事件，直至不可再分出底事件為止。在進行故障樹分析時，對于體系較小的故障樹，操作簡便易行，但大多數(shù)情況，故障原因多樣，導致故障樹結構復雜，計算任務大，以人工操作難以保證計算數(shù)據(jù)的精確性，因此，一般故障樹分析過程常在電腦上完成。目前國內的故障樹分析法仍處于一個待發(fā)展完善的階段，主要問題表現(xiàn)在國內發(fā)動機相關數(shù)據(jù)不夠充分，可借鑒資料不足，導致部分故障原理分析不夠透徹，給改進工作帶來一定阻力。

3可靠性工程在航空發(fā)動機中的應用

3.1可靠性試驗在航空發(fā)動機中的應用

航空發(fā)動機的工作環(huán)境具有高溫、高壓等特點，這對航空發(fā)動機的可靠性水平提出了很高的要求。據(jù)統(tǒng)計，國內航空發(fā)動機因成品問題導致的故障占整個飛機故障的70﹪～80﹪以上[5]。所以在航空發(fā)動機的設計以及研發(fā)階段，對航空發(fā)動機進行可靠性試驗以提高其可靠性是十分必要的。

零部件是構成發(fā)動機的基礎，有必要先對零部件進行可靠性試驗。在對零部件進行可靠性試驗前，需要了解各零件在工作時的工作環(huán)境特點，并確定需要進行的可靠性試驗。胡軍等[6]提出要針對不同零部件進行相應的可靠性試驗，才能準確有效地提高發(fā)動機的可靠性。航空發(fā)動機大體上可分為進氣道、壓氣機、燃燒室、渦輪和尾噴管五個部分，進氣道和壓氣機處的零件將接觸外界低溫空氣，需對其進行低溫步進試驗;渦輪和尾噴管則是處于高溫燃氣的環(huán)境中，需要對其進行高溫試驗;而燃燒室的工作環(huán)境更為復雜，處于冷熱交替的環(huán)境中，最容易出現(xiàn)故障，因此需要對其進行冷熱沖擊試驗，這只是根據(jù)溫度進行的分類。根據(jù)壓強、磨損、機械振動等不同原因，還需進行相應的可靠性試驗才能全面的保證零件的可靠性。然后是對零部件進行可靠性試驗，如在設計、試生產后，對于進氣道及壓氣機處零部件，自常溫開始每次迅速降低固定數(shù)值的溫度并檢測其性能是否正常，若存在性能衰退現(xiàn)象則改進其材料及結構以符合未來工作需要，若性能良好則繼續(xù)降溫直至達到或超過預期工作環(huán)境溫度，即得到更高可靠性的零部件。而燃燒室處零件則需進行相關的冷熱沖擊試驗，以檢驗其在不斷變化的大溫差下對環(huán)境的適應能力。對于渦輪與尾噴管處的零部件的試驗方法類似于低溫步進試驗。經過可靠性強化試驗后，還需進行環(huán)境應力篩選，因為即使零部件的工作適應性已經得到改善，但在實際生產中，由于生產技術原因，不可避免地會出現(xiàn)殘次零部件，為了保障航空發(fā)動機的正常運轉，每一個零部件都不容許出現(xiàn)差錯，通過環(huán)境應力篩選試驗就可以篩去不合格零部件，使發(fā)動機可以穩(wěn)定、持續(xù)地運轉。

進行完零部件可靠性試驗后，還要對發(fā)動機整機進行可靠性試驗。發(fā)動機整機的主要問題為結構配置的不合理從而導致的機械功能下降進而引起的可靠性水平的下降，因而需要對發(fā)動機整體進行整機可靠性試驗以優(yōu)化結構配置來提高發(fā)動機的可靠性?？梢酝ㄟ^可靠性強化試驗來暴露潛在的問題，這需要大量、充足的試驗數(shù)據(jù)，而目前國內相關試驗數(shù)據(jù)比較缺乏，一定程度上影響了強化實驗的全面性。隨著研發(fā)資金的投入以及強化試驗的進行，試驗數(shù)據(jù)將會更加豐富，發(fā)動機的可靠性將會持續(xù)上升。另外，僅僅是可靠性強化試驗是不夠的，還需要了解發(fā)動機的工作壽命才能較為全面的掌握發(fā)動機的整體性能。在這里可以采用前面提及的加速壽命試驗來快速了解發(fā)動機的壽命。王桂華等[7]提出要參考系統(tǒng)不平衡量、溫度、使用規(guī)范及進氣畸變產生的影響這四方面來進行耐久性考核。但是目前對于航空發(fā)動機的可靠性試驗，還缺乏一個比較完善、系統(tǒng)的試驗規(guī)范，因此在未來有必要對于航空發(fā)動機建立一套完備的可靠性試驗流程，來更有效地提高航空發(fā)動機的可靠性。

3.2失效模式和影響分析

失效模式和影響分析是在進行產品設計時，從產品角度出發(fā)，對可能存在的故障進行預測，并找出解決失敗原因的方法[8]。失效模式和影響分析作為產品生產前的分析過程，可以有規(guī)劃地對故障原因進行排查以及預先修正工作。在對產品進行失效模式與影響分析時，由于能夠導致產品失效的因素很多，以普通的分析方法很容易遺漏部分故障模式影響因素，經常使用故障樹分析法來分析其失效模式以減少遺漏內容。比如：選取頂事件為航空發(fā)動機啟動無應答，對應的底事件可以有氣缸壓力不足、進氣系統(tǒng)堵塞、油箱油量不足等原因。對于氣缸壓力不足可能是因為氣缸零部件的尺寸不符合標準導致間隙過大以及長期工作導致零部件間過度磨損導致間隙過大;進氣系統(tǒng)堵塞可能因為長期灰塵附著、堆積導致進氣道停止運轉或是因為零部件老化導致進氣系統(tǒng)停止運轉;油箱油量不足可能是因為初始油量填充不足或是油箱發(fā)生泄漏導致油量不足。這些只是對發(fā)動機故障原因進行的部分分析，實際故障原因將更加多樣，建樹過程將更加復雜。錢鑫等[10]對某型軍用發(fā)動機進行了故障模式影響及致命性分析（FMECA），通過收集外場使用維護數(shù)據(jù)再結合FMECA找出關鍵部件，可以改進外場維護并為該型發(fā)動機的設計改進提供一些借鑒。目前故障模式的影響分析還存在一些問題，比如分析與設計的工作不協(xié)調以及未引起設計人員的重視等，這些因素制約著我國航空發(fā)動機可靠性的進一步提高，相關技術還需要進一步完善。

4 結語

航空發(fā)動機的可靠性對于飛機的安全運行至關重要，目前我國航空發(fā)動機的可靠性水平與國外還有很大差距，這也制約了我國航空工業(yè)的發(fā)展。本文主要介紹了如何將可靠性工程應用于航空發(fā)動機中以提高發(fā)動機的可靠性，為我國提高航空發(fā)動機的可靠性提供一些思路和方向。

參考文獻：

[1]范志鋒，齊杏林，雷彬.加速可靠性試驗綜述[J].裝備環(huán)境工程，2008 （02）：37-40+92.

[2]姜同敏.可靠性強化試驗[J].環(huán)境技術，2000 （01）：3-6.

[3]陳循，陶俊勇，張春華.可靠性強化試驗與加速壽命試驗綜述[J].國防科技大學學報，2002 （04）：29-32.

[4]魏選平，卞樹檀.故障樹分析法及其應用[J].電子產品可靠性與環(huán)境試驗，2004 （03）：43-45.

[5]劉文興，劉海年，劉慧娟.航空發(fā)動機成品研制中的可靠性強化試驗技術的應用[J].航空維修與工程，2013 （03）：40-43.

[6]胡君，魏厚敏，蔣習軍等.發(fā)動機可靠性試驗方法及研究[J].內燃機，2009 （01）：43-45.

[7]王桂華，蔚奪魁，洪杰等.航空發(fā)動機可靠性試驗方法研究[J].航空發(fā)動機，2014，40 （05）：13-17+2.

[8]陳明，王國華，陳云等.用失效機制模型對大型復雜產品進行失效模式影響分析[J].機電一體化，2006 （02）：40-43.

[9]常新龍，孫兵曉，馬章海等.固體發(fā)動機失效模式分析及貯存可靠性評價指標體系研究[J].質量與可靠性，2008 （05）：24-27.

[10]錢鑫，蔡忠春，常旭，等.某型軍用發(fā)動機故障模式、影響及致命性分析[J].四川兵工學報，2014，35 （10）：48-51.