新研商用航空发动机的维修性指标分配方法研究

■ 卢婷婷 陈乃威 孙见忠/中国航发商用航空发动机有限责任公司 南京航空航天大学

1 维修性指标分配方法

维修性指标分配是将客户对产品的维修性定量要求分配到指定的产品层次，并在设计中落实定量设计要求，是基于维修性设计的基础[1]。维修性指标分配的目的：为产品各组成部分的研制者提供维修性设计指标，以保证产品最终符合规定的维修性要求；明确各承制单位所承担的维修性指标，便于总承制单位的管理[2]。科学合理的维修性指标分配是产品维修性设计与评估工作的基础，也是提升产品维修性水平的先决条件。

成熟的维修性分配方法包括：等分配法，按故障率分配法，相似产品分配法，按故障率和设计特性的加权因子分配法，按可用度和单元复杂度的加权因子分配法等。各种分配方法特点的对比分析如表1所示[5]。

由表1可知，采用上述成熟的维修性指标分配方法需要满足以下条件，才可进行维修性指标分配工作：

1）明确产品待分配的维修性定量指标。

2）完成产品功能和结构分析，明确产品功能和结构的层次关系。

3）明确产品的可靠性或故障率信息。

新研航空发动机为复杂机电产品，由于缺乏历史数据，无可靠性数据、故障率数据等信息，因此无法直接采用表1所述的成熟方法进行维修性指标分配。分析新研航空发动机的功能结构特性及研究现状可知，客户提出产品航线级平均故障维修时间（MTTR）指标要求；通过分析相似机型的维修工艺可近似获得新研产品航线可更换单元（LRU）的维修过程复杂程度的比例关系；通过结构分析与LRU件的划分原则可形成新研航空发动机的LRU清单。基于上述分析内容，决定采用基于产品维修过程复杂程度的综合加权分配法来实现新研航空发动机的维修性指标分配。

2 维修性指标分配

2.1 维修性指标分配层次

维修性指标通常采用三（多）级分配方式。对于航空发动机而言，首先将整机维修性指标分配至发动机各部件系统，再由部件系统将其指标分配至零部件。对于新研发动机的整机MTTR指标来说，由于在设计早期可获得其LRU清单，因此可采用两级指标分配方式，即将发动机整机级航线MTTR指标直接分配至LRU件。

表1 维修性指标分配方法分析表

两级指标分配法克服了新研产品在研发初期产品结构信息不完善的问题，便于维修性指标分配工作的管理，有效地将产品维修性指标要求结合到产品的设计中，实现了基于维修性的产品设计。

2.2 综合加权分配法分配模型

基于维修过程复杂程度的综合加权分配法的输入条件为：产品整机航线MTTR指标要求；产品的故障率信息；维修性加权因子（此处为基于维修过程复杂程度的综合加权因子）。将整机级航线MTTR指标分配至LRU件，分配模型为：

上式中，Ki为第i个LRU的维修性加权因子，表征维修过程的复杂程度；为LRU的维修性加权因子的平均值；Qi为第i个LRU的数量；λi为第i个LRU的故障率，不包括任何未检测出故障的故障率；为LRU的平均故障率；n为LRU的数量；MTTRi为第i个LRU的平均故障维修时间；MTTR总为整机航线级平均故障维修时间。

2.3 维修性指标分配过程

综上所述，对于新研航空发动机，采用基于维修过程复杂程度的综合加权分配法，以两级分配方式完成维修性指标的分配，指标分配过程如图1所示。

由图1可知，该分配法需输入整机航线级MTTR指标、发动机LRU清单、LRU的维修性加权因子。其中，整机航线级MTTR指标是客户提出的产品设计要求，发动机LRU清单在设计初期基于方案获得，因此，该指标分配方法的重点是确定LRU的维修性加权因子。

2.4 确定维修性加权因子

本文研究的维修性加权因子表征LRU件维修过程的复杂程度。在缺乏可靠性和故障率信息的前提下，可通过分析维修性加权因子的比例关系，反映对应LRU件维修性指标的比例关系。

确定新研航空发动机LRU的维修性加权因子的步骤如下：

1）获取相似产品维修手册等标准材料中的LRU的拆装工艺。

2）根据标准中维修工艺子步骤的时间，形成每个LRU拆装操作的时间。

3）对所有LRU件的拆装时间进行归一化处理，形成LRU的维修性加权因子。

3 维修性指标分配示例

以某成熟型号商用航空发动机维修性指标分配为例，已知产品整机航线级MTTR指标要求，以及该产品的LRU清单，根据上述步骤确定所有LRU的维修性加权因子。以上述信息为输入，进行该产品航线级MTTR的指标分配。

3.1 LRU维修性加权因子

以该发动机的某温度传感器为例，分解该温度传感器的拆装工艺，并根据MIL-HDBK-470A标准中维修子步骤的时间，确定如表2所示的该传感器维修工艺分析过程。

以相同的方法，分析该型发动机所有LRU件的维修工艺；计算所有LRU件的维修操作统计时间，形成该型发动机LRU维修时间分析表；在此基础上，对发动机所有LRU维修时间进行归一化处理，形成LRU的维修性加权因子，作为基于产品维修过程复杂程度的综合加权分配法的输入。

3.2 维修性指标分配

因新研航空发动机研制初期无法直接应用模型（1）所示的分配方法，因此通过获取并分解相似机型的维修手册等标准资料中的维修工艺信息，形成LRU件的维修性加权因子，从而进行维修性指标分配。简化后的综合加权分配法的模型为：

图1 维修性指标分配过程

上式中，Ki为第i个航线可更换单元的维修性加权因子，表征维修过程的复杂程度；为航线可更换单元的维修性加权因子的平均值；Qj为第j种可更换单元的数量；L为LRU种类的数量；n为LRU的总数量；MTTRi为第i个航线可更换单元的平均故障维修时间；MTTR总为整机航线级平均故障维修时间。

基于维修过程复杂程度的综合加权分配法进行维修性指标分配的输入为：

1）该发动机整机航线级MTTR值为20 min。

2）该发动机的LRU清单。

3）该发动机LRU维修性加权因子。

将上述信息输入模型（2）和模型（3）所述的维修性分配模型，完成该发动机的维修性指标分配工作。

为验证该维修性指标分配方法的可行性和有效性，选择该发动机中部分LRU的MTTR实际值与MTTR指标分配值进行对比分析，如表3所示。

表2 发动机某传感器维修工艺分析

表3 综合加权分配法分配结果分析

由此得到以下结论：

1）按本文提出的基于维修过程复杂程度的综合加权分配法对某成熟型号发动机进行维修性指标分配，得到的典型LRU的MTTR分配值与该型发动机MTTR的工程值的对比结果，表明该指标分配方法科学有效。

2）本文研究的综合加权分配法基于的是发动机LRU的维修过程的复杂程度，通过该方法进行维修性指标分配的结果反映了发动机LRU维修过程的复杂程度关系以及分配的MTTR指标之间的对应关系。

3）本文研究的综合加权分配法在新研发动机产品设计初期可实现科学有效的维修性指标分配，但在可靠性数据的引入方面仍需在后续的设计工作中不断完善。

4 总结

针对新研航空发动机的维修性指标分配方法，本文提出在缺乏相似产品数据的情况下，通过分解相似机型拆装工艺及分析维修步骤标准时间，并将数据归一化后形成新研发动机LRU的综合加权因子的分配方法，该方法解决了新研航空发动机设计初期缺乏历史数据及可靠性数据偏差较大的问题，并以某成熟型号发动机为例进行航线级MTTR指标分配，结果表明，采用基于产品维修过程复杂程度的综合加权分配法进行维修性指标分配是科学有效的。

本文提出的两级维修性指标分配方法，直接将整机航线级MTTR指标分配至各LRU，有利于分配工作的管控，并有效地将维修性指标与产品设计相结合。新研发动机设计早期可靠性数据不足且存在偏差，本研究认为LRU的故障率是在同一量级的，因此暂未考虑故障率之间的差异。后续的研究中需不断完善LRU可靠性数据的收集和整合，优化该综合加权分配法，以指导发动机设计，并有效提高其维修性。