某型国产发动机与其原型机使用可靠性对比分析

谢 静，秦海勤，徐可君

（海军航空工程学院青岛校区，山东青岛266041）

某型国产发动机与其原型机使用可靠性对比分析

谢 静，秦海勤，徐可君

（海军航空工程学院青岛校区，山东青岛266041）

为了研究某型引进生产专利的国产化发动机与其原型机可靠性指标差异，利用层次分析法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。以该型国产化发动机及其原型机外场故障数据为基础，综合运用分布法、样本量加权、重要性加权的数据融合方法对2型发动机的使用可靠性指标进行评估。结果表明：经多年的改进，该型国产化发动机的可靠性总体指标已高于原型机的；而如压比调节器、滑油回油泵等零部件的指标仍低于原型机的，类似部件的可靠性提高是进一步提高整机指标的有效途径。

可靠性；层次分析；数据融合；故障分析；航空发动机

0 引言

军用航空发动机使用可靠性高低直接影响部队训练、作战任务地完成；同时，航空发动机使用可靠性对提高发动机效能和降低其寿命周期费用至关重要。不仅与设计可靠性有关，还受使用、维修等因素的影响。

中国某型军用涡扇发动机引进生产专利国产化多年，虽经多年的实践检验、设计更改，其使用可靠性有所提高，但在使用中故障较多；同时，少有专家学者将国产化发动机的使用可靠性与其原型机进行比较研究，不利于提高该型国产发动机的可靠性。

本文以某原型发动机以及其国产化型号的外场故障数据为基础，运用合适的可靠性评估方法进行可靠性评估(以MTBF作为指标)并对比分析，对国产化发动机如何提升可靠性提出了合理化建议。

1 可靠性数据的收集与处理

航空发动机使用可靠性评估结果是否真实主要取决于外场使用数据。为了确保可靠性数据的真实性及本研究结果的准确性，作者先后6次到相关单位和工厂收集外场使用及工厂台架试车的第1手故障数据共计5871例。收集到的可靠性数据来自不同单位，其记录格式及故障属性差别很大。为此，剔除了没有相关寿命数据的故障样本，并对可靠性数据进行了包括数据格式统一、筛选、剔除(剔除人为故障、2次从属故障等)、判断、统一故障件名称、分类、依据发动机号码判断发动机类型、发动机寿命数据的补充完善、以及故障所属系统的分类等10余项工作。

经过以上处理后，保留 79台发动机在 2008年1月1日至2012年6月30日时间范围的故障样本349例，见表1。

表1 故障样本统计

2 建立可靠性评估模型

传统的航空发动机可靠性评估方法常用数学均值法和整体分布法，适用范围广，计算方法简单、快捷，但由于采用传统方法只能得到1个整机指标，对可靠性增长没有意义，因此不能满足本文对国产化和原型2类发动机使用可靠性进行分析对比的需求。

为了查找制约国产发动机可靠性增长工作的薄弱环节(部附件)，必须将故障按照故障件、模式或危害度等原则进行分类。本文对故障进行分类处理，运用层次分析法对2型发动机的使用可靠性进行评估。

2.1 评估模型的总体思路

评估模型根据航空发动机部件系统重要性不同的特点，将故障按照发动机的部件系统进行分类，部件系统故障综合考虑故障现象和部件，将航空发动机可靠性指标分为故障类型级、部件系统级、总体级指标3个层次。对于故障类型级可靠性指标的计算，通过建立各故障类型的概率分布模型(即分布法)进行可靠性指标评估；对于部件系统级可靠性指标的计算，需根据故障类型级指标采用合理的数据融合方法得到部件系统级指标；对于总体级可靠性指标的计算，需根据部件系统级指标采用合理的数据融合方法得到发动机总体可靠性指标。其评估流程如图1所示。

图1 基于部件系统的可靠性评估流程

2.2 可靠性数据融合

根据基于部件系统及其重要性的航空发动机可靠性评估模型的总体思路，采用层次分析法(The Analytic Hierarchy Process，AHP)对可靠性指标进行逐级融合。以处理过的故障样本为基础，建立具有目标层(总体级)、准则层(主件、系统级)和指标层3层评估指标的整机使用可靠性评估系统。其评估的层次结构及各层的详细组成如图2所示。

图2 3层评估体系结构

评估层次中最底层即指标层可靠性指标向最顶层即目标层指标融合时，采用加权融合方法，但不同的层次选取的权重计算方法不同。指标层向准则层融合时，采用基于样本量单一权重的加权融合方法；准则层向目标层融合时，采用基于样本量和重要性的综合权重加权融合方法。

3 计算结果及其分析

3.1 可靠性指标计算

3.1.1 指标层可靠性指标

同一故障部件或系统可靠性指标的计算采用统计分布法，根据故障样本数据给出分布假设(包括发动机可靠性评估中常用的指数分布、正态分布和威布尔分布)、进行分布的拟合优度检验、分布参数估计及可靠性指标计算。

当样本量过小时，采用比较简单的传统方法无法验证样本对应总体的分布类型。若样本量为0或1（样本量很小，对整机指标影响亦很小），认为该主件或系统在发动机的1个寿命期内都能可靠工作，由于主件或系统的寿命一般都高于主机的翻修寿命，所以该系统或主件的MTBF值取新发出厂给定寿命650 h；若某主件或系统的故障样本量为2，采用数学平均值法计算可靠性指标。

无法建立分布模型小子样（子样数为2），则采用传统的数据均值法获取其可靠性指标。整个寿命期内只发生1次故障的没有故障样本或故障样本为1的部件本文经过计算后，分别得国产和原型机2种型号发动机主件和系统的可靠性指标，见表2。

从表中可见，原型机防喘系统有2例样本，均为防喘调节器故障，分别发生在大修出厂后工作6 h53 min和36 h44 min，导致发动机提前返厂，按数学平均值法得到其可靠性指标为21.8。

表2 指标层检验及计算结果

3.1.2 准则层可靠性指标

准则层元素“主件”包含5个部件，即主件=(压气机，燃烧室，涡轮，加力燃烧室，发动机承力装置)，用向量表示为I1=（i11，i12，i13，i14，i15）；准则层元素“系统”包含11个系统，即系统=(滑油系统，防冰系统，防喘系统，主燃油系统，加力控制系统，附面层控制系统，附件传动装置，电气系统，可调喷口，操纵系统，起动系统)，I2=（i21，i22，i23，i24，i25，i26，i27，i28，i29，i210，i211）。经计算，各类型发动机的向量见表3。

表3 指标层指标矢量

表4 各类型发动机指标层权矢量

表5 各类型发动机准则层指标

3.1.3 目标层可靠性指标

获得准则层的可靠性指标后，利用加权平均的数据融合方法计算目标层的可靠性指标。航空发动机在外场使用过程中，主件与系统除了故障数目差别较大以外，对发动机整机工作的重要程度也有显著地区别，其对可靠性的影响也不相同。因此，在由准则层指标向上融合得到目标层指标过程中，其权重系数不再仅仅由样本量确定，而必须要综合考虑主件、系统的故障样本量及其重要性2个准则确定部件系统级可靠性指标的权重系数，目标层指标融合如图3所示。

图3 目标层指标融合

从图中可见，在准则层(部件系统级)指标的基础上，经过数据融合得到总体指标要确定样本量权重和重要性权重及其综合权重。

3.1.3.1 样本量准则权矢量Wn

运用相同方法获取准则层指标对样本量准则的权矢量见表6。

表6 各类型发动机准则层样本量权矢量

3.1.3.2 重要性准则权矢量W5

（1）构造判断矩阵。参考国军标GJB 241-87《航空涡喷、涡扇发动机通用规范》对故障模式严重程度的划分方法，根据主件与系统故障模式对发动机安全性的影响程度定义元素的重要性，按其重要性准则构造判断矩阵C，见表7。

（2）对各指标权重系数进行计算。将矩阵C各行向量进行几何平均、归一化，可得到准则层可靠性指标对重要性准则的权矢量用Ws

表7 准则层元素重要性判断矩阵

经计算得到准则层可靠性指标对重要性准则的权矢量为Ws=（0.834，0.166），各类型发动机的准则层重要性权矢量详见表8。

3.1.3.3 样本量准则和重要性准则相对于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9。

表8 各类型发动机准则层重要性权矢量

表9 样本量与重要性准则相对于总体指标的重要性判断矩阵

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），见表10。

3.1.3.4 综合权矢量W

准则层对目标层的综合权矢量为

表10 各类型发动机准则层样本量与重要性准则相对于总体指标的重要性权矢量

利用以上各矢量的计算结果，得到各类型发动机准则层元素的可靠性指标相对于总体指标的权矢量，见表11。

3.1.3.5 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=WTR，计算结果见表12。

表11 各类型发动机准则层综合权矢量

表12 各类型发动机整机MTBF指标

3.2 可靠性指标分析

3.2.1 整体指标分析

从表11中可见，国产发动机的整机MTBF高于原型发动机的，但若想继续提高其整机可靠性水平，还需查找其可靠性薄弱环节，具体分析每个部件系统或故障多发件的可靠性指标。

从表12中可见，国产发动机除起动和滑油系统外的大部分主件和系统的MTBF均高于原型发动机的，从可靠性增长的角度考虑，若能提高起动系统的指标，则国产发动机的整机可靠性指标还会有所提高。通过分析得出，国产发动机起动系统的故障样本量与原型发动机的相同，但其可靠性指标却低于原型机很多，说明国产发动机起动系统故障发生的频率较高。国产发动机滑油系统故障样本量高于原型机的，而可靠性指标低于原型机的，说明滑油系统是国产发动机可靠性指标的薄弱环节，为该型发动机的可靠性增长工作提供了研究方向。

3.2.2 主要零部件指标分析

为了查找使用可靠性较低的零部件，结合样本量情况，列出了样本量较多的主要零部件的MTBF值，见表13。

表13 各类型发动机主要零部件可靠性指标

表中由小到大的规则列出了2种类型发动机主要零部件的可靠性指标。经计算得知国产发动机的整机MTBF值为221.9。国产发动机国产主要零部件中的S接头、前轴承滑油回油泵、压比调节器、加力燃油调节器、滑油压差信号器、温度控制放大器、高能点火装置、防冰电磁活门、T1热电偶和防喘调节器的MTBF值均低于整机指标，这些零部件是限制整机可靠性提高的部件，也是国产发动机可靠性增长的方向。

与原型机相比，国产发动机的压比调节器、加力燃油调节器、滑油压差信号器、高能点火装置、12级空气电磁活门、燃油压差开关及7级引气单项活门7个主要零部件的可靠性指标均低于原型发动机的。下面以S接头、压比调节器、加力燃油调节器和滑油压差信号器为例分析。

3.2.1.1 S接头

国产发动机MTBF值最低的S接头，其样本量也较多为17。对于国产发动机来说，S接头既是故障多发件又是整机可靠性提高的薄弱环节。其原因分析如下：S接头结构并不复杂，位于主燃油流量调节器到凸轮箱之间，其常见的故障是紧涩、操纵不灵活，但该接头的紧涩故障无法通过调整排除，只能换件；另外，在进行故障统计与处理时发现，S接头灵活程度是否满足要求没有专用工具进行测量，仅仅是通过人为感知来判断，而不同的人感觉不尽相同，所以，是否需要更换S接头的结论也不统一。经调查发现，同样使用该型发动机的2个飞行团，1个团S接头的更换数量较多，而另1个团则相对较少。因此，在所有更换的S接头故障中，某些故障可能不需要更换；另外，新出厂的发动机，其各连接结构的灵活性相对较差，经对所有S接头故障样本进行分析发现：部分更换S接头故障出现在新发装机后的很短时间内，一般是新发装机时的试车或者工作十几个小时以内，这也是导致该部件可靠性指标低的原因。

由此可知，如若工厂或相关单位开发了测量S接头灵活程度的专用工具，并且给出具体的数据范围，那么在外场工作中S接头灵活程度是否正常就有据可依，排除了人为主观因素的影响，S接头的故障样本量一定会有所减少。除此之外，相关单位还要具体分析更换S接头的原因，如果是机件本身质量导致的，那么还必须提高零部件的质量，排除缺陷才能有效提高其MTBF。

3.2.1.2 压比调节器

压比调节器属于喷口滑油控制系统，在加力时，调节喷口面积和给加力燃油流量调节器的空气信号发生器提供1个P3/P2信号；不加力时，使喷口滑油泵斜盘固定在4.5°的角度上，保持喷口关闭。压比调节器工作异常时，往往会引起低压转差超出允许范围、喷口抖动和加力喘振等现象，排除的方法一般可以先进行调整，即调整X6辅助钉；若通过调整的方法无法排除故障则需要换件。从外场记录的压比调节器调整记录、换件记录来看，大部分异常现象均可通过调整X6辅助钉排除。

虽然换件的样本量较小，但其可靠性指标仍不高，因此，结合该部件的结构及其工作原理，其可靠性指标较低的原因应该是设计生产环节的问题。附件厂可以提高该附件的可靠性指标，将对提高整机的可靠性指标有所贡献。

3.2.1.3 加力燃油调节器

分析加力燃油调节器的故障样本，发现大部分为漏油故障。无论是何原因导致的漏油，大部分漏油现象外场机械人员均无法排除，必须借助工厂人员通过调整或修理等方法排除故障，或是通过换件方法排除故障。由此看来，工厂提高加力燃油调节器的加工装配质量，外场注重对其密封性的检查维护是提高加力燃油调节器的有效途径。

3.2.1.4 滑油压差信号器

滑油压差信号器发生故障时，发动机往往会出现滑压灯异常闪亮、常亮等外部表象，其原因之一是其阻值不符合要求。因此，要想提高该附件的可靠性指标，还需要通过对大量外场故障件进行分解、详细分析查找故障部位、原因，从而提高附件的设计环节可靠性。

4 结论

本文以某型国产发动机及其原型机的349例外场故障为基础，利用分布法及层次分析数据融合方法分别对2型发动机的使用可靠性指标进行评估，结论如下：

（1）无论是主件还是系统，目前国产发动机的可靠性指标均高于原型机的；

（2）提高滑油和起动系统的可靠性可使国产发动机的可靠性进一步提高；

（3）提高样本量较多且可靠性指标较低的S接头、压比调节器等附件的可靠性可提高国产发动机的整机使用可靠性指标；

（4）提高附件的可靠性指标，需综合设计、生产及使用的各环节，对故障根本原因进行深入分析，进而制定可靠性指标提高的有效措施。

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（编辑：肖磊）

Comparative Analysis on Service Reliability of a Homemade Engine and its Prototype

XIE Jing，QIN Hai-qin，XU Ke-jun
（Qingdao Branch of Naval Aviation Engineering Institute，Qingdao Shandong 266041，China）

In order to analyze differences of reliability index between an authorised homemade engine and its prototype，the reliability evaluation model of the aeroengine was built by analytic hierarchy process based on components system importance.Based on failure data of the homemade engine and its prototype in the field,the service reliability index was evaluated by data fusion including comprehensive application distribution,sample amount weighted and importance weighted.The results show that the general reliability index of the homemade engine is higher than that of its prototype,the index of pressure ratio controller and lubricant pump are also lower than that of its prototype.It is an effective way to improve similar component reliability index.

reliability index；analytic hierarchy process；data fusion；aeroengine

V 240.2

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2015.05.019

2014-12-22

谢静（1975），女，硕士，主要从事航空发动机可靠性评估、状态监控与故障诊断等工作；E-mail：xie_1919@126.com。

谢静，秦海勤，徐可君.某型国产发动机与其原型机使用可靠性对比分析[J].航空发动机，2015，41（5）：92-97.XIE Jing，QIN Haiqin，XU Kejun.Comparative analysis on service reliabilityofa homemade engine and its prototype [J].Aeroengine，2015，41（5）：92- 97.