某型军用发动机使用可靠性评估

谢静，范文正，谢镇波

（海军航空工程学院青岛校区，山东青岛 266041）

某型军用发动机使用可靠性评估

谢静，范文正，谢镇波

（海军航空工程学院青岛校区，山东青岛 266041）

谢静（1975），女，讲师，研究方向为航空发动机可靠性。

某型军用航空发动机在实际使用中故障频发,为了寻找制约整机可靠性提高的薄弱环节，提高飞机战备完好性,提出了基于部件系统及其重要性的航空发动机可靠性评估方法。并依据外场故障数据，利用该方法对某型发动机的使用可靠性进行了评估。采用层次分析方法（Analytic Hierarchy Process，AHP），建立了具有3层评估指标的整机使用可靠性评估系统。运用数理统计的方法，根据同类型故障的寿命分布模型计算其可靠性指标。运用加权融合的方法获得部件系统及整机的平均故障间隔时间TM，用以评估发动机的使用可靠性，为该型发动机各个部件系统的外场维护及定检时间提供了参考。

可靠性指标；平均故障间隔时间；定期检查；航空发动机

0 引言

军用航空发动机使用可靠性的高低直接影响部队训练、作战任务的完成；同时，对提高发动机效能和减少其寿命周期费用至关重要。发动机使用可靠性的高低不仅与设计可靠性有关，还受使用、维修等因素的影响。目前，发动机的可靠性评估方法还不完善，因此，需要对其进行研究，寻找科学合理的可靠性评估方法。平均故障间隔时间TM是可靠性评估中常用的重要指标之一，传统的数学均值法和一次分布法不考虑故障件所属系统的重要性，难以体现不同部件系统的重要性差别。

本文提出1种基于部件系统重要性的发动机可靠性评估方法，对某型军用发动机的使用可靠性进行评估。

1 基于部件系统及其重要性的可靠性评估模型

发动机结构复杂，故障模式多。不同部件系统的故障各具特点，且对发动机工作的影响程度即重要性不同，有的部件故障导致发动机无法正常工作，有的部件故障只引起部件效率的降低。因此，不同部件系统的故障对整机可靠性的影响程度也不同。所以，在综合考虑故障的性质、规律及部件系统重要性的基础上，建立了基于部件系统及其重要性的航空发动机可靠性评估模型。

1.1 评估模型的总体思路

该模型根据发动机部件系统重要性的不同特点，将故障按照发动机的部件系统进行分类，每1部件系统故障综合考虑故障现象、故障位置进行分类。航空发动机可靠性指标分为故障类型级(即指标层)、部件系统级(即准则层)、总体级(即目标层)指标3个层次。其评估的层次结构如图1所示。

图1 3层评估体系结构

根据指标层包含的各故障类型概率分布模型对指标层的可靠性指标进行评估；在指标层可靠性指标的基础上，采用样本量加权平均的数据融合方法得到部件系统级指标；而总体级可靠性指标则根据部件系统级指标，采用样本量及重要性综合权系数加权平均的数据融合方法计算。

1.2 指标层可靠性指标的计算

根据统计学理论，指标层同一类型故障其寿命分布符合某种典型的统计分布规律，即指数分布、正态分布或威布尔分布。航空发动机的故障模式多种多样，用何种分布来描述某一具体的故障模式需要通过典型分布的拟合优度检验来确定，如W检验、605-χ2检验、M检验等。确定其分布规律后，根据相应分布的数学模型确定该分布的可靠性指标——TM。式（1）、（2）和（3）分别表示指数分布、正态分布和威布尔分布的TM点估计公式。

准则层即部件系统级的可靠性指标由指标层(故障类型级)指标向上融合得到，采用样本量加权平均的融合方法。

指标的权重系数表示某一层次的子指标相对于上一层次的父指标的重要程度。由于同一系统下不同故障类型故障可以定量的通过样本量进行比较，所以指标层(故障类型级)相对于准则层(部件系统级)的权重系数根据样本量确定。

1.4 目标层可靠性指标的计算

目标层即整体级的可靠性指标由准则层(部件系统级)指标向上融合得到，采用样本量和重要性综合加权平均的融合方法（如图2所示）。

图2 目标层指标融合

1.4.1 样本量权矢量Wn

式中：Ni为第i个系统的样本量；N为总样本量。

1.4.2 重要性权矢量Ws

发动机部件的重要性按照各系统与部件所处工作的位置、重要程度划分为4个等级。

（1）极重要：对整机有致命影响。

（2）很重要：对整机有很大影响。

（3）重要：对整机有轻度影响。

（4）一般：对整机无大影响。

基于部件系统及其重要性的航空发动机可靠性评估系统中，部件系统级指标相对于整体指标的重要性权系数，根据AHP法对各个部件系统的重要性判断矩阵，进行几何平均及归一化处理确定。

AHP法在对指标的相对重要程度进行比较时，引入1～9比例标度对重要性程度赋值，n个被比较的元素构成1个相互比较的判断矩阵C。矩阵C中各元素cij，表示横行指标ci对各列指标cj的相对重要程度的比较值。

根据构造的判断矩阵，利用排序原理，可以求得矩阵排序矢量。根据排序矢量，利用特征根方法，可计算各指标权重系数。计算过程为：（1）矩阵C的元素按行相乘；（2）所得到的乘积分别开n次方；（3）将所得的方根向量归一化后即得排序权矢量Ws=（ws1，ws2，…，wsn）。计算公式为

1.4.3 总体指标的重要性权矢量Wc

根据可靠性评估中样本量比重要性重要，来构造样本量和重要性相对于总体指标的判断矩阵T见表1。

表1 总体指标与样本量与重要性的权重矩阵

对判断矩阵各行向量进行几何平均、归一化得到发动机样本量准则和重要性准则对总体指标的权矢量为Wc=（0.834，0.166）。

1.4.4 综合权矢量

准则层对目标层的综合权矢量

1.4.5 目标层可靠性指标T

根据准则层可靠性指标矢量R和综合权矢量W可以计算得到目标层可靠性指标T。

2 发动机使用可靠性指标评估

某型军用发动机虽然具有较高的设计可靠性，但在实际使用中，仍不可避免地发生了众多的各类故障。因此，有必要对某型军用发动机的外场使用故障数据进行统计分析，以评估其使用可靠性，进而对外场工作及设计改进提供借鉴和参考。

2.1 发动机故障统计

经过对该型发动机外场故障的收集和整理，保留506例外场故障数据。根据基于部件及其系统重要性可靠性评估方法的思路，将故障按故障件或故障部位的所属系统进行划分，其分布情况见表2。各部件系统包含结构故障、打伤、裂纹、漏油等不同类型故障。

表2 某型发动机故障样本按部位的分布

2.2 发动机可靠性评估

根据故障的分析处理，利用评估模型对该型、发动机的可靠性进行评估。其评估流程如图3所示。

2.2.1 部件系统的可靠性指标及其分析

利用模型对改型发动机的可靠性指标TM进行评估，各部件系统及整机的指标见表3。

从表3中可知：

（1）发动机的整机TM达到了200 h以上。

（2）故障数目较多的主燃油系统和电气系统的TM值低于整机的可靠性指标，而加力控制系统、防冰系统虽然故障数较多，但其TM值高于整机指标。

（3）涡轮的平均故障间隔时间值最小，低于100h，但其故障样本只有1例，应属于偶发故障，不具有代表性。

图3 总指标算法流程

表3 某型发动机各部件TM值

（4）燃烧室没有有效故障，这里将发动机的寿命作为其TM值，由于其样本量为0，计算整机指标时，只考虑重要性的影响，对整机指标影响不大。

（5）滑油系统的故障样本较多，可靠性指标较低，所以，其可靠性的高低对整机的可靠性指标影响较大。滑油系统的TM见表4，从表中可见，滑油系统的裂纹和磨损样本量相对较大，且其TM＜100 h，这在一定程度上说明了发动机出厂时的缺陷，寻找这2类故障原因，并采取一定措施消除缺陷可以提高整机的可靠性指标。漏油故障虽然较多，但其TM＞200 h，说明该故障与使用时间具有一定的关联。所以，在外场工作中，当发动机工作200 h左右时，加强对滑油系统导管及其接头的检查可以减少漏油故障的发生。

表4 滑油系统的TM

典型故障件的TM见表5，从表中可见样本量较大故障件的TM值。燃油流量调节器和温度控制放大器的样本量较大、可靠性指标低于整机指标，且其数值接近整机指标，说明这2个附件对整机可靠性指标影响较大；防冰系统电磁活门和压差开关的样本量及TM值相差较大，样本量多的电磁活门和压比调节器其TM值比整机指标高很多，这在一定程度上可以反映该附件的寿命问题。外场工作中，当发动机工作300 h左右时加强对这2个附件的检查维护可以减少其故障的发生，提高其可靠性。样本量较多的高压燃油停车开关、防冰压差开关及防喘调节器其可靠性指标比较低，提高他们的可靠性会使整机可靠性指标有所提高。

表5 典型故障件的TM

2.2.2 整机可靠性指标及其分析

利用该模型对某型发动机的整机使用可靠性进行评估，并将评估结果与数学均值法和整体分布法进行了对比，整机的TM见表6。

表6 整机的TM

从表6中可知：对发动机进行可靠性评估时，采用整体分布法与数学平均值法计算得到的结果相差不大，与利用层次分析法考虑不同类型故障的分布类型、样本量及重要性差别时所获得结果相比偏小。

3 结论

利用基于重要性的可靠性评估模型对某型发动机506例外场故障进行统计分析，得到了不同部件系统及整机的可靠性指标。计算结果表明：

（1）该型发动机的故障多发附件为燃油流量调节器、温度控制放大器、防冰电磁活门和压比调节器。

（2）制约整机指标提高的薄弱附件为高压燃油停车开关、防喘调节器及防冰压差开关。

（3）制约整机指标提高的薄弱系统为滑油系统，其中包括变形、松动、滑丝等的结构故障、裂纹和磨损3类故障指标低于100 h。

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Evaluation ofMilitary Engine Service Reliability

X IE Jing,FAN W en-zheng,X IE Zhen-bo
（NavalAeronauticalEngineering InstituteQingdao Branch,QingdaoShandong266041,China）

The malfunction occur frequently for a military engine in using.The reliability evaluation method based on components system and its importancewas proposed to find theweaknessesof restricting reliability and improve aircraft readiness.The service reliability of an aeroengine was evaluated by themethod based on field failure data.The reliability evaluation system with three layers assessment indicators was established by AHP.The reliability index were calculated bymathematical statistics based on life distribution model of the same style failure.The Mean Time Between Failure TMof components system and the whole engine were obtained by weighted fusion method to evaluate reliability of the aeroengine.It provides reference for field maintenance and regular inspections for each components system of the aeroengine.

reliability index;Mean Time Between Failure;regular inspection;aeroengine

2012-05-04