基于航空发动机FMECA的测试性预计研究

袁翔 彭佳 聂华菊

摘 要：测试性预计是通过工程分析和计算来估计型号测试性和诊断参数可能达到的量值，并与规定的指标进行比较，是用于评估所设计产品是否符合规定的测试性要求的一种分析方法。本文通过梳理航空发动机测试性指标体系和测试性预计模型等内容，对基于FMECA的测试性预计方法开展研究，并给出了基于航空发动机FMECA的测试性预计的应用示例，通过研究说明该方法对于航空发动机测试性指标的预计是可行的，能够满足航空发动机测试性设计的工程需求。

关键词：航空发动机;FMECA;测试性预计

引言

按照GJB2547A-2012《装备测试性工作通用要求》工作项目303（测试性预计）的要求，在航空涡轴发动机的方案阶段和工程研制阶段，需进行测试性指标的预计工作，并随着设计的进展，在获得更为详细的信息后，应进行更为详细的测试性预计。测试性预计是根据测试性设计资料，通过工程分析和计算来估计测试性和诊断参数可能达到的量值，并与规定的指标进行比较，是用于估计所设计产品是否符合规定的测试性要求的一种方法。

1航空涡轴发动机测试性指标

GJB 2547A《装备测试性工作通用要求》中测试性指标，一般应规定以下参数的量值。

1）故障检测率（FDR）;2）严重故障检测率（CFDR）;3）故障隔离率（FIR）;

4）故障检测时间（FDT）;5）虚警率（FAR）;6）故障隔离时间（FIT）。

由于虚警率（FAR）涉及很多不确定因素，目前还没有有效的方法进行预计，即使开展虚警率的预计，其预计结果也不准确。故障检测和隔离时间的预计主要是检查是否符合使用要求、安全要求和MTTR要求，与使用和准备状态密切相关，其预计结合型号外场使用和维修性预计中进行。严重故障检测率（CFDR）与整机安全性有关，目前航空涡轴发动机提出较少，一般要求为100%，不需要进行预计。

2测试性预计时机

航空涡轴发动机测试性指标预计工作主要在方案论证和工程研制阶段进行。在研制早期，由于发动机详细结构组成等尚未完全确定，型号研制工作开展有限，能够得到的信息较少，测试性预计工作可基于FMEA及相似型号经验进行;在详细设计阶段，发动机型号的设计特点已逐步确定，可获得更多、更详细的信息，此时应基于型号详细的FMECA报告对预计的测试性指标作必要的调整和修正，预计的结果可以作为评价型号测试性水平是否达到设计要求的初步依据。

3基于FMECA的测试性预计方法

3.1测试性预计数学模型

故障检测率（FDR）定义为在规定的时间内，用规定的方法正确检测到的故障数与被测单元发生故障总数之比，用百分数表示。其数学模型可表示为：

式中：NT为故障总数，或在工作时间T内发生的实际故障数;ND为正确检测到的故障数。

随着发动机型号的结构设计已逐步确定，当系统、部件或成附件的故障率已知的情况下，上述数学模型可修改为：

式中：λD为被检测出的故障模式的总故障率;λ为所有故障模式的总故障率;λi为第i个故障模式的故障率;λDi为第i个被检测出故障模式的故障率。

故障隔离率（FIR）定义为在规定的时间内，用规定的方法正确隔离到不大于规定的可更换单元数的故障数与同一时间内检测到的故障数之比，用百分数表示。其数学模型可表示为：

式中：NL为在规定的条件下用规定的方法正确隔离到小于L个可更换单元的故障数;ND为在规定的条件下用规定的方法正确检测到的故障数。

随着发动机型号的结构设计已逐步确定，当系统、部件或成附件的故障率已知的情况下，上述数学模型可修改为：

式中：λD为被检测出的所有故障模式的故障率之和;λL为可隔离到小于等于L个可更换单元的故障模式的故障率之和;λLi为可隔离到小于等于L个可更换单元的故障中，第i个故障模式的故障率;L为隔离组内的可更换单元数。

3.2基于FMECA的测试性预计工作步骤

测试性预计工作应在诊断方案且FMECA报告的基础上，预计航空发动机故障检测率和隔离率。

1）结合发动机系统和部件的功能和结构，分析发动机功能层次和結构组成，形成发动机功能层次图和结构框图;

2）分析发动机诊断方案，提取发动机各项检测诊断手段的测试范围、检测流程和算法等，并收集相关测试设备、工具、传感器和电子控制器的工作原理、启动和结束条件、故障显示和告警机制等，用于在开展FMEA或FMECA工作中明确该故障模式是否能够被检测和隔离，确定故障模式的检测和隔离方式方法。

3）收集整理发动机FMECA和可靠性预计数据，以便列出所有故障模式，掌握故障影响情况、部件或系统的故障率，部件或系统相关故障模式频数比。当在发动机研制早起进行测试性预计时，由于未开展FMECA工作，至少应进行FMEA报告，明确故障影响情况、故障模式检测和隔离情况。

4）根据上述分析的结果，识别每个故障模式能否检测、检测方式，分析被检测的故障模式能否隔离，可隔离到几个LRU，并将数据填入测试性预计描述表单中。

5）根据各部件或系统测试性预计表中的数据计算发动机故障检测率、隔离率。

6）分析所得预计结果，并根据要求编写测试性预计报告：

a）把测试性预计值与要求比较，看是否满足要求;

b）列出该发动机中不能检测或隔离的故障模式和相关零组件，并分析其对安全和使用的影响。

c）必要时可根据测试性预计情况对发动机设计提出设计改进意见。

3应用示例

某发动机为单元体设计，其主要构成有：粒子分离器单元体、压气机单元体、燃烧室单元体、涡轮单元体、附件传动系统单元体。系统主要包括有燃油与控制、滑油、电气、及空气系统等。

依据发动机诊断方案和FMECA分析报告进行测试性预计，表4中给出了部分测试性预计表。通过对表3中的内容进行统计分析，该发动机故障模式总数为953个，其中无法进行检测的故障模式92个，可檢测的故障模式为861个，分析861个可检测的故障模式中823个故障模式是外场可以通过各测试手段实现故障隔离，521个故障模式可隔离至1个LRU，754个故障模式可隔离至2个LRU内，823个故障模式可全部实现隔离在3个LRU内，详见表3和表4。

通过现阶段测试性数据进行测试性预计可知，某型发动机故障检测率为90.3%，故障隔离率为95.6%，其中隔离至1个LRU为63.3%，2个LRU为91.6%，3个LRU为100%，可满足研制要求中的测试性定量要求。

对不可检测和不能隔离的故障模式进行统计分析。对于8个II类的不可检测的故障模式、2个I类不可隔离的故障模式和6个II类不可隔离的故障模式，需要求相关设计人员予以重视，并针对上述故障模式进行设计改进，如该结构无法在设计上进行改进则需要给出外场使用维护详细建议和安全使用要求，其他故障模式需进行详细细致的危害性分析，并予以设计改进和优化使用维护要求。

4结束语

本文通过梳理航空发动机测试性指标体系和测试性预计时机等内容，对基于FMECA的测试性预计方法开展研究，给出了应用示例。通过研究可以看出，此方法可以分阶段依据测试性信息情况来预计航空发动机的故障检测和故障隔离能力， 从而发现设计中的薄弱环节，提出测试性设计意见和建议，为权衡不同设计方案提供依据，并且可以通过测试性预计来评价和确认已进行的测试性设计工作，找出不足，改进设计。通过基于航空发动机FMECA的测试性预计研究并给出应用示例，该方法对于航空涡轴发动机测试性指标的预计是可行的，能够满足航空发动机测试性设计的工程需求。

参考文献：

[1] 装备测试性工作通用要求.中华人民共和国国家军用标准GJB 2547A-2012.

[2] 故障模式、影响及危害性分析指南.中华人民共和国国家标准GJB/Z 1391-2006.

[3] 田仲，石君友等. 系统测试性设计分析与验证[M] . 北京： 北京航空航天大学出版社， 2004..

[4] 石君友等. 测试性设计分析与验证[M].国防工业出版社.

[5] 张晓爽，杨占才等. 基于FMEA的航空发动机故障诊断方案设计[J].测控技术.2015.

[6] 袁翔，单晓明等. 航空发动机测试性特点与现状[J].测控技术.2014.

（中国航发湖南动力机械研究所，湖南 株洲 412002）