某型发动机典型可修复附件可靠性分析

孙波，武晓龙，杨春，蒋英杰

（1.海军航空工程学院，山东烟台264001;2.海军驻沈阳发动机专业军事代表室，沈阳110043;3.海军航空兵91911部队，海南三亚572000）

1引言

目前，航空发动机可靠性评估工作对不可修复件和可修复件没有明确区分，基本上都按不可修复件进行评估。对可修复件而言，在实际使用中，附件故障往往发生在某几个关键部位，这些关键部位对附件可靠性贡献程度各有不同，在进行了相应维修之后对附件的可靠性影响也会大不相同。如果仍然按不可修复件进行可靠性评估，必然会使评估结果产生较大误差，从而难以合理地界定可修复件在修复后的使用情况。

从某型发动机部队使用的故障统计发现，许多附件未到首次翻修寿命即发生故障，这说明出厂给定的首次翻修寿命并不合理；此外，附件修理后，再次定寿的理论依据不足，忽视了不同修复工作对附件可靠性变化的作用。这都会给发动机的使用安全性和经济性带来不利影响。针对这些问题，在结合各种研究方法的基础上，对可修复附件的可靠性评估进行系统研究。

对于发动机其它典型可修复附件而言，现有大部分研究基于“修复如新”的假设。这种假设从理论角度和实用性角度上讲都存在不完善的地方。因此，本文在结合各种研究方法的基础上，对可修复附件的可靠性评估进行了系统研究，以完善航空发动机可修复附件可靠性评估过程，为合理确定可修复附件的可靠性和维修性指标奠定基础。

2 基于首次故障数据的可靠性分析

某型发动机主要可修复附件有前轴承滑油泵、主滑油泵、压比调节器、敏感活门、低压轴控制器、燃油流量调节器等共29种。从外场采集的故障信息可知，某型发动机典型可修复附件中发生故障次数较多的有压比调节器、滑油压差信号器、防喘调节器、燃油流量调节器、加力燃油流量调节器、温控放大器、高压燃油泵等，分别占总故障的11.5%、14.2%、12.7%、4.3%、9.4%、20.1%、3.2%，其它故障占24.6%。某型发动机典型可修复附件首次故障数据处理结果见表1。

表1 某型发动机典型可修复附件数据处理结果

防喘调节器的寿命分布曲线、故障密度曲线、故障率曲线分别如图1～3所示。压比调节器故障的形状参数β=1.366，其值大于1，此种产品的失效类型是失效率随时间变化递增型（IFR），说明压比调节器是具有耗损型故障的附件；防喘调节器故障的形状参数β=1.470，其值大于1，失效类型为IFR型，说明防喘调节器是具有耗损型故障的附件；同样燃油流量调节器、加力燃油流量调节器和高压燃油泵故障的形状参数也大于1，都是具有耗损型故障的附件。

同时得出滑油压差信号器和温控放大器故障的形状参数小于1，根据这样的计算结果得出，它们的失效类型是随时间变化的递减型（DFR）。但根据2种附件的工作环境和失效机理来分析，其失效率函数不应该是随时间变化的递减型。滑油压差信号器为电气部件，工作原理相对简单，当供油压力不足时，压差低于预定值，电触点闭合，接通飞机驾驶舱内的红色警告灯。根据外场数据，分析其故障的主要原因有以下2个方面：（1）对于长期停放的飞机，开车前未更换高速齿轮箱内滑油；（2）飞机停放时，未将地面放漏油开关打开，油箱积满后反串至高速齿轮箱。显然，滑油压差信号器的故障大部分是由于地勤维护不当造成，原因可能是维护人员责任心不强或忽视了这方面的维护工作。温控放大器也是1个电气部件，主要提供控制高压压气机进口导流叶片IGV角度的信号，而且要通过给定值电阻感应并传输T1、T2、T33个温度信号。从外场质量控制室了解到，其主要故障原因有以下2个方面：（1）温控放大器中的微调电阻没有得到及时的清洁；（2）厂家没有提供部分温控电阻。为了尽量减少故障发生，现已结合发动机50 h定检清洁微调电阻，并建议厂家提供部分温控电阻。可见，温控放大器的故障主要是由其使用不当造成的，这不能真实反映附件本身的可靠性。由此，关于发动机电气附件的可靠性评估工作，提出以下2点建议：（1）明确附件故障原因，将机械故障与电气故障区分开；（2）寻找更有效的可靠性评估模型，来分析此类附件。

就1个可修复附件而言，在使用中要经历：故障—修复—再故障—再修复的循环过程，通过以上方法可以得出产品的首次故障特性，亦即产品的固有属性，如质量特性、使用特性等。但仍然存在很多不足之处，例如无法量化产品修复后的状态，不能合理给出再次定寿的时间指标等。

传统的解决可修复产品的可靠性评估方法，大都基于修复如新或修复如旧的假设前提之下，实际使用中发现，对于1个较为复杂的结构件而言，其故障部位往往不只1处，而且各部位的相对重要程度大有不同，也许对某1个部位进行修复可以按照修复如新的情况处理，但对另1个部位修复却有可能是1种修复如旧的情况，这同时取决于修复的手段，如果对这些异同不加以考虑，而直接纳为整个产品的故障数据，势必会影响产品修复后状态的界定。

此外，威布尔分布方法在处理外场数据信息时，有以下几方面的不足：（1）对首次故障样本的要求较高，在外场的实际使用中得不到很好的满足；（2）不能有效结合产品的修复情况，给出产品继续使用的可靠性指标；（3）不能合理给出产品△t时间的任务可靠度、瞬时故障间隔时间、累积故障间隔时间等可靠性指标，无法有效衡量产品修复后的使用情况，以及产品的维修合理性。以下结合随机过程理论解决以上问题。

3 基于威布尔过程的可靠性分析

3.1 威布尔过程应用概述

在深入研究某型发动机典型可修复附件结构的基础上，结合故障数据分析，发现很多附件结构比较简单，从理论角度讲不符合威布尔过程模型，在数据信息足够的情况下，依此可以将主要可修复附件分为2类：第1类，既可以应用威布尔过程模型评估可靠性指标，又可以用威布尔分布模型评估；第2类，仅可用威布尔分布模型评估其可靠性指标。具体分类见表2。

表2 某型发动机典型可修复附件按可靠性评估方法分类

研究中发现，某型发动机可修复附件的外场数据信息参差不齐，从理论角度可以大致分为以下几类：

（1）总故障样本量大，有效首次故障样本量为大样本；

（2）总故障样本量大，首次故障样本量为大样本，但由于使用和制造因素造成的早期故障较多，致使有效首次故障样本量为小样本；

（3）总故障样本量小，有效首次故障样本为小样本，研究的某型发动机是原装机型，使用至今很多附件已达到其使用寿命，现已开始转为国产型产品；

（4）总故障样本量小（样本量小于4），有效首次故障样本为大样本；

（5）总故障样本量为小样本。

因此，在进行航空发动机外场可修复附件可靠性评估时，需要在表2基础上，结合具体的数据信息分类，来确定相应的可靠性评估方法，见表3。

表3 基于外场数据信息的可靠性评估方法分类

此外，对于不同的可靠度评估指标，在具体评估方法的选择上也应有相应区分，以便于外场的实际使用，具体分类方案见表4。

以上各类别的区分，可以用于外场的可靠性评估工作，并有益于可修复附件可靠性评估工作的顺利开展，提高评估的准确性。

3.2 威布尔过程分析

高压燃油泵是燃油系统的1个典型复杂部件，由转子、分油盘、柱塞、保持架、斜盘、随动活塞、安全活门、壳体等组成。通过分析外场数据，其有效首次故障样本为大样本，采集7架飞机曾使用过的高压燃油泵故障时间如图4所示。其中“×”表示对该处故障进行基本修复，“#”表示对该处故障进行完全修复。

表4可靠性评估指标分类

采用威布尔过程模型，按产品基本修复和完全修复情况，将故障样本整理如图5所示。

λ，β的迭代法估计值见表5。

表5 高压燃油泵的点估计迭代值

当迭代到第4次的时候，各参数的估计值保持不变，则第4组参数估计值为最优值。值小于1，故障强度随时间逐渐降低，说明对此产品一旦进行修复后，故障强度便呈下降趋势，同时也验证了其维修策略的合理性。

观察第1个高压燃油泵故障样本，在最后1次修复之后，已使用231 h，经过本次修复后的出厂再次定寿为450 h，计算（231,450）时间区间内预计发生1次故障的概率为

说明该高压燃油泵的再次出厂定寿时间是合理的。在此区间内d=1.2，设任务时间，其在231 h的任务可靠度为

t=231 h的瞬时MTBF、累积MTBF分别为

IMTBF用于描述t时刻高压燃油泵的瞬时可靠性水平，而CMTBF则用于描述经过t时刻后高压燃油泵已经消耗掉的可靠性水平，当数据采集环境不同时，可利用CMTBF衡量不同环境间的差异，有益于环境折合系数的计算。表6列出了某型发动机典型可修复附件的NHPP参数估计结果。

表6 某型发动机典型可修复附件NHPP

4 结束语

根据某型发动机典型可修复附件的实际使用情况，首先利用威布尔分布来分析其首次故障特性，总结附件的使用特性，确定薄弱环节；然后结合随机过程理论，研究其与传统分析方法的异同之处，分析附件的使用可靠性，提出了航空发动机可修复附件可靠性评估的相应分类方案，完善了航空发动机可修复附件可靠性评估过程，为合理确定可修复附件的可靠性和维修性指标奠定了基础。

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