航空發(fā)動機可靠性定性評價分析及預(yù)測方法研究

徐小芳 高雅娟

摘要：針對航空發(fā)動機試飛可靠性定量評價與指標(biāo)要求存在偏離的現(xiàn)狀，開展了可靠性定性評價分析及預(yù)測方法研究，提出多維度可靠性定性評價分析方法及可靠性分析預(yù)測方法，為全面系統(tǒng)掌握航空發(fā)動機的可靠性現(xiàn)狀和趨勢、摸清其可靠性底數(shù)范圍提供了有效的方法途徑，也可為后續(xù)航空發(fā)動機改進(jìn)改型和研制時可靠性論證提供借鑒和參考，為推動我國航空發(fā)動機可靠性進(jìn)一步提升提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動機；可靠性；定性評價；分析預(yù)測

Keywords：aero-engine；reliability；quantitative evaluation；analysis prediction

0 引言

可靠性評價是對產(chǎn)品的可靠性所達(dá)到的水平進(jìn)行分析和確認(rèn)的過程，包括定性評價和定量評價兩個方面。其中，定量評價是利用收集的數(shù)據(jù)，采用預(yù)定的可靠性數(shù)學(xué)模型，計算出可靠性定量參數(shù)估值并與其指標(biāo)要求對比后給出結(jié)論的過程；定性評價不采用數(shù)學(xué)的方法，而是根據(jù)對象的使用可靠性數(shù)據(jù)信息，通過觀察、分析、歸納與描述等方法途徑給出評價結(jié)論的過程。如果說定量評價關(guān)注“量”而走向抽象，那么，定性評價則關(guān)注“質(zhì)”而走向具體，因此定性評價是更具有發(fā)展性評價的理念。本文針對航空發(fā)動機可靠性定量評價與指標(biāo)要求有偏離的現(xiàn)狀，開展可靠性定性評價分析及預(yù)測方法研究，以探究定量評價不達(dá)標(biāo)的原因，分析存在的問題和薄弱環(huán)節(jié)，為全方位多角度掌握航空發(fā)動機的可靠性水平提供方法途徑，為摸清可靠性底數(shù)提供技術(shù)支撐，以促進(jìn)可靠性實現(xiàn)增長。

1 可靠性定性評價分析方法確定研究

關(guān)于可靠性定性評價分析的方法較多，如常用的歸類分析法、趨勢分析法、故障樹分析法等。本文在繼承現(xiàn)有成熟方法的基礎(chǔ)上，注重評價分析中試飛數(shù)據(jù)的價值挖掘和融合應(yīng)用。可靠性定性評價分析方法的確定應(yīng)遵循以下原則：

1）能夠從整體上把握存在的問題，提出實現(xiàn)可靠性增長的方向；

2）能夠抓住可靠性關(guān)鍵信息故障進(jìn)行分析研究；

3）能夠開展個體的差異化研究，為整體方向落實提供具體化改進(jìn)意見和建議；

4）能夠綜合考慮各方面相關(guān)因素，實現(xiàn)方法之間的互補，為找出可靠性薄弱環(huán)節(jié)并改進(jìn)提供方法途徑，達(dá)到多維度開展可靠性定性評價分析的目的。

根據(jù)以上可靠性定性評價方法確定原則，考慮工程上的方便性和可操作性，提出可靠性定性評價分析方法，實現(xiàn)多維度可靠性定性評價分析，具體方法及應(yīng)用說明如表1所示。

2 可靠性定性評價分析方法應(yīng)用研究

2.1 目標(biāo)評價分析法

目前，可靠性定量評價參數(shù)為平均故障間隔時間（MTBF），其單側(cè)置信下限MTBFL（單位h）評價模型如下：

其中，T是發(fā)動機累積工作時間，r是發(fā)動機累積責(zé)任故障數(shù)，α是選定的顯著性水平。

根據(jù)飛行試驗的特點，航空發(fā)動機試飛大綱預(yù)先規(guī)劃了試飛科目、飛行時間/架次，飛行試驗很大程度上可看作是定時截尾試驗。因此，模型（1）中的分子是一個相對固定的數(shù)據(jù)，而分母隨著責(zé)任故障數(shù)的增大而增大。可見，在試飛大綱設(shè)計完成后，減少責(zé)任故障數(shù)是實現(xiàn)可靠性增長的有效途徑。同時，在試飛實施結(jié)束后，按模型（1）可估算出如要達(dá)到目標(biāo)航空發(fā)動機最多可允許發(fā)生的責(zé)任故障數(shù)，為發(fā)動機可靠性增長指明方向。但事實上，故障數(shù)的減少必須通過故障分析和設(shè)計更改才能實現(xiàn)，往往是一個艱難曲折的過程，需投入大量人力和財力開展專題攻關(guān)研究和試驗驗證。需要注意的是，當(dāng)航空發(fā)動機累計工作時間小于指標(biāo)要求時，即使不發(fā)生故障也難以達(dá)到指標(biāo)要求，這表明充分的試驗也是保證可靠性評價的重要方面。

2.2 故障模式影響評價分析法

通過目標(biāo)評價分析，認(rèn)為減少責(zé)任故障是提高可靠性的有效方法途徑，必須下大力氣開展故障研究，以降低故障率，實現(xiàn)可靠性增長。要降低故障率，需研究試飛中出現(xiàn)了哪些故障，其影響包括哪些方面，這些故障能否通過設(shè)計改進(jìn)減少或消除。故障模式影響分析法正是從故障入手分析其影響并提出減少故障發(fā)生的改進(jìn)措施的一種方法。

故障模式是指故障的表現(xiàn)形式，如短路、開路、斷裂、過度耗損等，而故障影響則是故障模式對產(chǎn)品的使用、功能或狀態(tài)所導(dǎo)致的結(jié)果[1]。在工程實踐中，按照GJB/Z 1391[2]中給出的軟硬件故障模式（但不限于），對試飛中發(fā)生的每一故障進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化歸類，并對每一故障模式的影響從進(jìn)度、安全和任務(wù)三方面分析，以從總體上掌握故障模式和影響情況，為找出故障發(fā)生的規(guī)律、發(fā)現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)并采取有效的改進(jìn)措施和補償措施提供技術(shù)支持。

據(jù)統(tǒng)計，航空渦扇發(fā)動機的故障模式有20余種，發(fā)生頻次較高的有泄漏、超出允許值、報故和喘振等，占總故障的50%以上，其故障改進(jìn)率較低，尚不到自身發(fā)生故障的15%。在發(fā)生的故障模式中，影響任務(wù)、進(jìn)度和安全的故障約占70%，其中對進(jìn)度影響尤為嚴(yán)重[3]。因此，需對發(fā)生頻次高及影響進(jìn)度和安全的故障開展專題研究，以提高航空發(fā)動機的可靠性。

2.3 對比評價分析法

通過目標(biāo)評價分析和故障模式影響分析，能整體上掌握航空發(fā)動機的可靠性水平，了解其發(fā)生的故障模式和影響。航空發(fā)動機個體可靠性如何？為此，開展航空發(fā)動機個體可靠性對比評價分析研究。

對比評價分析以不同參試航空發(fā)動機個體為研究對象，分別對其可靠性進(jìn)行定量評價，分析個體差異及原因，并對標(biāo)可靠性高的航空發(fā)動機，通過補短板，實現(xiàn)整體可靠性逐步提升。

基于試飛數(shù)據(jù)，統(tǒng)計分析了某型航空發(fā)動機的可靠性，發(fā)現(xiàn)其個體差異較大，最高和最低的可靠性相差數(shù)倍。建議借鑒美國提升渦扇發(fā)動機F100的經(jīng)驗和做法[3]，開展可靠性提升研究，促進(jìn)我國航空發(fā)動機整體可靠性實現(xiàn)增長。

2.4 綜合評價分析法

在研究航空發(fā)動機試飛特點的基礎(chǔ)上，綜合2種及以上適用的可靠性定性評價分析方法，得出航空發(fā)動機可靠性定性評價結(jié)論，包括：

1）可靠性整體水平定性描述；

2）故障模式及其影響分析歸納；

3）航空發(fā)動機可靠性個體差異及原因分析。

3 可靠性分析預(yù)測方法研究

隨著新試驗鑒定體系的推行，性能底數(shù)試驗已成為狀態(tài)鑒定的重要內(nèi)容之一?？煽啃宰鳛檠b備性能不可或缺的組成部分，摸清其底數(shù)也是新形勢下的鑒定需求。本文設(shè)想以試飛數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析預(yù)測可靠性的底數(shù)范圍，為航空發(fā)動機改進(jìn)改型及其研制可靠性論證提供技術(shù)支持，為可靠性底數(shù)試驗驗證提供方法途徑。

可靠性分析預(yù)測的思路是以故障為切入點，按照GJB/Z 77[4]中的故障分類方法，將試飛期間發(fā)生的故障分為A類和B類故障，其中A類故障因不能經(jīng)濟地降低其故障率而不進(jìn)行改進(jìn)，B類故障經(jīng)技術(shù)、經(jīng)濟和進(jìn)度等方面權(quán)衡可進(jìn)行改進(jìn)。B類故障有多種，每種故障改進(jìn)措施的有效程度用改進(jìn)有效性系數(shù)表征，具體取值可通過專家打分法確定。但專家打分法存在主觀性，且組織實施有一定的難度。這里考慮到可操作性，利用工程實踐經(jīng)驗估計整個B類故障的改進(jìn)有效性系數(shù)d。依據(jù)國軍標(biāo)和相關(guān)文獻(xiàn)[4，5]，d的范圍一般為0.55～0.85，為了摸清可靠性底數(shù)，可在制定改進(jìn)優(yōu)化方案時，取改進(jìn)有效性系數(shù)極限值為1。

假設(shè)試飛期間B類故障數(shù)為K，取最小改進(jìn)有效性系數(shù)d1為0.55，其對應(yīng)的改進(jìn)故障數(shù)為0.55K，取整后表示為K1=[0.55K]，其他改進(jìn)有效性系數(shù)及其改進(jìn)有效的故障數(shù)由下式確定：

其中，j=2，3，…，直到改進(jìn)有效性系數(shù)大于0.85且小于1為止。

至此，可以設(shè)計制定可靠性可能的改進(jìn)優(yōu)化方案，具體如表2所示。

根據(jù)以上改進(jìn)優(yōu)化方案，在以下假設(shè)下進(jìn)行預(yù)測：按照“試驗—暴露—改進(jìn)—提升試驗”模式，在改進(jìn)后按原試飛大綱進(jìn)行提升試驗。期間A類故障的故障率不變，B類故障數(shù)按改進(jìn)有效性系數(shù)相應(yīng)減少，預(yù)測不同改進(jìn)優(yōu)化方案的可靠性結(jié)果，從而獲取航空發(fā)動機可靠性的底數(shù)范圍，為后續(xù)開展基于試飛數(shù)據(jù)的航空發(fā)動機可靠性論證提供技術(shù)支持。

以某型航空發(fā)動機狀態(tài)鑒定某段試飛為例，期間發(fā)動機累計工作時間1432h50min，發(fā)生責(zé)任故障32起，階段可靠性定量評價結(jié)果為38h。經(jīng)分析確認(rèn)，B類故障8起?？煽啃愿倪M(jìn)優(yōu)化方案及預(yù)測結(jié)果見表3。

由表3可以看出，B類故障以不同的方案改進(jìn)后，預(yù)測的可靠性底數(shù)范圍為[42.9，49.3]，提高率在10%與30%之間，表明該型航空發(fā)動機可靠性水平偏低，改進(jìn)措施對可靠性提高貢獻(xiàn)有限，也從一個側(cè)面說明需加大可靠性提升研究和試驗的人力、物力和財力投入，切實推動航空發(fā)動機可靠性增長。

4 結(jié)束語

航空發(fā)動機是裝備系統(tǒng)的“心臟”，可靠性對其性能的發(fā)揮具有舉足輕重的作用。本文開展了可靠性評價分析及預(yù)測方法探索性研究，期望在航空發(fā)動機改進(jìn)改型等研制中，注重歷史數(shù)據(jù)價值挖掘和融合應(yīng)用，實現(xiàn)試飛為裝備發(fā)展服務(wù)的目標(biāo)，促進(jìn)我國航空發(fā)動機可靠性得到令人滿意的提升，為裝備系統(tǒng)戰(zhàn)斗力的形成貢獻(xiàn)力量。

參考文獻(xiàn)

[1] GJB451A可靠性維修性保障性術(shù)語 [S].中國人民解放軍總裝備部，2005.

[2] GJB/Z 1391故障模式、影響及危害性分析指南 [S].中國人民解放軍總裝備部，2006.

[3] 徐小芳，王守敏.某型航空發(fā)動機試飛可靠性分析與評估 [J].航空維修與工程，2018（4）：41-43.

[4] GJB/Z 77 可靠性增長管理手冊 [S].國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會，1996.

[5] A W Benton，L H Crow，Integrated reliability growth testing [C]//1989 Proceedings Annual R & M Symposium.1989：160-166.

作者簡介

徐小芳，研究員，主要研究方向為飛機“六性”評估技術(shù)。