謝靜，范文正，謝鎮(zhèn)波

（海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū)，山東青島 266041）

某型軍用發(fā)動機(jī)使用可靠性評估

謝靜，范文正，謝鎮(zhèn)波

（海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū)，山東青島 266041）

謝靜（1975），女，講師，研究方向為航空發(fā)動機(jī)可靠性。

某型軍用航空發(fā)動機(jī)在實際使用中故障頻發(fā),為了尋找制約整機(jī)可靠性提高的薄弱環(huán)節(jié)，提高飛機(jī)戰(zhàn)備完好性,提出了基于部件系統(tǒng)及其重要性的航空發(fā)動機(jī)可靠性評估方法。并依據(jù)外場故障數(shù)據(jù)，利用該方法對某型發(fā)動機(jī)的使用可靠性進(jìn)行了評估。采用層次分析方法（Analytic Hierarchy Process，AHP），建立了具有3層評估指標(biāo)的整機(jī)使用可靠性評估系統(tǒng)。運用數(shù)理統(tǒng)計的方法，根據(jù)同類型故障的壽命分布模型計算其可靠性指標(biāo)。運用加權(quán)融合的方法獲得部件系統(tǒng)及整機(jī)的平均故障間隔時間TM，用以評估發(fā)動機(jī)的使用可靠性，為該型發(fā)動機(jī)各個部件系統(tǒng)的外場維護(hù)及定檢時間提供了參考。

可靠性指標(biāo)；平均故障間隔時間；定期檢查；航空發(fā)動機(jī)

0 引言

軍用航空發(fā)動機(jī)使用可靠性的高低直接影響部隊訓(xùn)練、作戰(zhàn)任務(wù)的完成；同時，對提高發(fā)動機(jī)效能和減少其壽命周期費用至關(guān)重要。發(fā)動機(jī)使用可靠性的高低不僅與設(shè)計可靠性有關(guān)，還受使用、維修等因素的影響。目前，發(fā)動機(jī)的可靠性評估方法還不完善，因此，需要對其進(jìn)行研究，尋找科學(xué)合理的可靠性評估方法。平均故障間隔時間TM是可靠性評估中常用的重要指標(biāo)之一，傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)均值法和一次分布法不考慮故障件所屬系統(tǒng)的重要性，難以體現(xiàn)不同部件系統(tǒng)的重要性差別。

本文提出1種基于部件系統(tǒng)重要性的發(fā)動機(jī)可靠性評估方法，對某型軍用發(fā)動機(jī)的使用可靠性進(jìn)行評估。

1 基于部件系統(tǒng)及其重要性的可靠性評估模型

發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障模式多。不同部件系統(tǒng)的故障各具特點，且對發(fā)動機(jī)工作的影響程度即重要性不同，有的部件故障導(dǎo)致發(fā)動機(jī)無法正常工作，有的部件故障只引起部件效率的降低。因此，不同部件系統(tǒng)的故障對整機(jī)可靠性的影響程度也不同。所以，在綜合考慮故障的性質(zhì)、規(guī)律及部件系統(tǒng)重要性的基礎(chǔ)上，建立了基于部件系統(tǒng)及其重要性的航空發(fā)動機(jī)可靠性評估模型。

1.1 評估模型的總體思路

該模型根據(jù)發(fā)動機(jī)部件系統(tǒng)重要性的不同特點，將故障按照發(fā)動機(jī)的部件系統(tǒng)進(jìn)行分類，每1部件系統(tǒng)故障綜合考慮故障現(xiàn)象、故障位置進(jìn)行分類。航空發(fā)動機(jī)可靠性指標(biāo)分為故障類型級(即指標(biāo)層)、部件系統(tǒng)級(即準(zhǔn)則層)、總體級(即目標(biāo)層)指標(biāo)3個層次。其評估的層次結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 3層評估體系結(jié)構(gòu)

根據(jù)指標(biāo)層包含的各故障類型概率分布模型對指標(biāo)層的可靠性指標(biāo)進(jìn)行評估；在指標(biāo)層可靠性指標(biāo)的基礎(chǔ)上，采用樣本量加權(quán)平均的數(shù)據(jù)融合方法得到部件系統(tǒng)級指標(biāo)；而總體級可靠性指標(biāo)則根據(jù)部件系統(tǒng)級指標(biāo)，采用樣本量及重要性綜合權(quán)系數(shù)加權(quán)平均的數(shù)據(jù)融合方法計算。

1.2 指標(biāo)層可靠性指標(biāo)的計算

根據(jù)統(tǒng)計學(xué)理論，指標(biāo)層同一類型故障其壽命分布符合某種典型的統(tǒng)計分布規(guī)律，即指數(shù)分布、正態(tài)分布或威布爾分布。航空發(fā)動機(jī)的故障模式多種多樣，用何種分布來描述某一具體的故障模式需要通過典型分布的擬合優(yōu)度檢驗來確定，如W檢驗、605-χ2檢驗、M檢驗等。確定其分布規(guī)律后，根據(jù)相應(yīng)分布的數(shù)學(xué)模型確定該分布的可靠性指標(biāo)——TM。式（1）、（2）和（3）分別表示指數(shù)分布、正態(tài)分布和威布爾分布的TM點估計公式。

準(zhǔn)則層即部件系統(tǒng)級的可靠性指標(biāo)由指標(biāo)層(故障類型級)指標(biāo)向上融合得到，采用樣本量加權(quán)平均的融合方法。

指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)表示某一層次的子指標(biāo)相對于上一層次的父指標(biāo)的重要程度。由于同一系統(tǒng)下不同故障類型故障可以定量的通過樣本量進(jìn)行比較，所以指標(biāo)層(故障類型級)相對于準(zhǔn)則層(部件系統(tǒng)級)的權(quán)重系數(shù)根據(jù)樣本量確定。

1.4 目標(biāo)層可靠性指標(biāo)的計算

目標(biāo)層即整體級的可靠性指標(biāo)由準(zhǔn)則層(部件系統(tǒng)級)指標(biāo)向上融合得到，采用樣本量和重要性綜合加權(quán)平均的融合方法（如圖2所示）。

圖2 目標(biāo)層指標(biāo)融合

1.4.1 樣本量權(quán)矢量Wn

式中：Ni為第i個系統(tǒng)的樣本量；N為總樣本量。

1.4.2 重要性權(quán)矢量Ws

發(fā)動機(jī)部件的重要性按照各系統(tǒng)與部件所處工作的位置、重要程度劃分為4個等級。

（1）極重要：對整機(jī)有致命影響。

（2）很重要：對整機(jī)有很大影響。

（3）重要：對整機(jī)有輕度影響。

（4）一般：對整機(jī)無大影響。

基于部件系統(tǒng)及其重要性的航空發(fā)動機(jī)可靠性評估系統(tǒng)中，部件系統(tǒng)級指標(biāo)相對于整體指標(biāo)的重要性權(quán)系數(shù)，根據(jù)AHP法對各個部件系統(tǒng)的重要性判斷矩陣，進(jìn)行幾何平均及歸一化處理確定。

AHP法在對指標(biāo)的相對重要程度進(jìn)行比較時，引入1～9比例標(biāo)度對重要性程度賦值，n個被比較的元素構(gòu)成1個相互比較的判斷矩陣C。矩陣C中各元素cij，表示橫行指標(biāo)ci對各列指標(biāo)cj的相對重要程度的比較值。

根據(jù)構(gòu)造的判斷矩陣，利用排序原理，可以求得矩陣排序矢量。根據(jù)排序矢量，利用特征根方法，可計算各指標(biāo)權(quán)重系數(shù)。計算過程為：（1）矩陣C的元素按行相乘；（2）所得到的乘積分別開n次方；（3）將所得的方根向量歸一化后即得排序權(quán)矢量Ws=（ws1，ws2，…，wsn）。計算公式為

1.4.3 總體指標(biāo)的重要性權(quán)矢量Wc

根據(jù)可靠性評估中樣本量比重要性重要，來構(gòu)造樣本量和重要性相對于總體指標(biāo)的判斷矩陣T見表1。

表1 總體指標(biāo)與樣本量與重要性的權(quán)重矩陣

對判斷矩陣各行向量進(jìn)行幾何平均、歸一化得到發(fā)動機(jī)樣本量準(zhǔn)則和重要性準(zhǔn)則對總體指標(biāo)的權(quán)矢量為Wc=（0.834，0.166）。

1.4.4 綜合權(quán)矢量

準(zhǔn)則層對目標(biāo)層的綜合權(quán)矢量

1.4.5 目標(biāo)層可靠性指標(biāo)T

根據(jù)準(zhǔn)則層可靠性指標(biāo)矢量R和綜合權(quán)矢量W可以計算得到目標(biāo)層可靠性指標(biāo)T。

2 發(fā)動機(jī)使用可靠性指標(biāo)評估

某型軍用發(fā)動機(jī)雖然具有較高的設(shè)計可靠性，但在實際使用中，仍不可避免地發(fā)生了眾多的各類故障。因此，有必要對某型軍用發(fā)動機(jī)的外場使用故障數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，以評估其使用可靠性，進(jìn)而對外場工作及設(shè)計改進(jìn)提供借鑒和參考。

2.1 發(fā)動機(jī)故障統(tǒng)計

經(jīng)過對該型發(fā)動機(jī)外場故障的收集和整理，保留506例外場故障數(shù)據(jù)。根據(jù)基于部件及其系統(tǒng)重要性可靠性評估方法的思路，將故障按故障件或故障部位的所屬系統(tǒng)進(jìn)行劃分，其分布情況見表2。各部件系統(tǒng)包含結(jié)構(gòu)故障、打傷、裂紋、漏油等不同類型故障。

表2 某型發(fā)動機(jī)故障樣本按部位的分布

2.2 發(fā)動機(jī)可靠性評估

根據(jù)故障的分析處理，利用評估模型對該型、發(fā)動機(jī)的可靠性進(jìn)行評估。其評估流程如圖3所示。

2.2.1 部件系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)及其分析

利用模型對改型發(fā)動機(jī)的可靠性指標(biāo)TM進(jìn)行評估，各部件系統(tǒng)及整機(jī)的指標(biāo)見表3。

從表3中可知：

（1）發(fā)動機(jī)的整機(jī)TM達(dá)到了200 h以上。

（2）故障數(shù)目較多的主燃油系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)的TM值低于整機(jī)的可靠性指標(biāo)，而加力控制系統(tǒng)、防冰系統(tǒng)雖然故障數(shù)較多，但其TM值高于整機(jī)指標(biāo)。

（3）渦輪的平均故障間隔時間值最小，低于100h，但其故障樣本只有1例，應(yīng)屬于偶發(fā)故障，不具有代表性。

圖3 總指標(biāo)算法流程

表3 某型發(fā)動機(jī)各部件TM值

（4）燃燒室沒有有效故障，這里將發(fā)動機(jī)的壽命作為其TM值，由于其樣本量為0，計算整機(jī)指標(biāo)時，只考慮重要性的影響，對整機(jī)指標(biāo)影響不大。

（5）滑油系統(tǒng)的故障樣本較多，可靠性指標(biāo)較低，所以，其可靠性的高低對整機(jī)的可靠性指標(biāo)影響較大?；拖到y(tǒng)的TM見表4，從表中可見，滑油系統(tǒng)的裂紋和磨損樣本量相對較大，且其TM＜100 h，這在一定程度上說明了發(fā)動機(jī)出廠時的缺陷，尋找這2類故障原因，并采取一定措施消除缺陷可以提高整機(jī)的可靠性指標(biāo)。漏油故障雖然較多，但其TM＞200 h，說明該故障與使用時間具有一定的關(guān)聯(lián)。所以，在外場工作中，當(dāng)發(fā)動機(jī)工作200 h左右時，加強(qiáng)對滑油系統(tǒng)導(dǎo)管及其接頭的檢查可以減少漏油故障的發(fā)生。

表4 滑油系統(tǒng)的TM

典型故障件的TM見表5，從表中可見樣本量較大故障件的TM值。燃油流量調(diào)節(jié)器和溫度控制放大器的樣本量較大、可靠性指標(biāo)低于整機(jī)指標(biāo)，且其數(shù)值接近整機(jī)指標(biāo)，說明這2個附件對整機(jī)可靠性指標(biāo)影響較大；防冰系統(tǒng)電磁活門和壓差開關(guān)的樣本量及TM值相差較大，樣本量多的電磁活門和壓比調(diào)節(jié)器其TM值比整機(jī)指標(biāo)高很多，這在一定程度上可以反映該附件的壽命問題。外場工作中，當(dāng)發(fā)動機(jī)工作300 h左右時加強(qiáng)對這2個附件的檢查維護(hù)可以減少其故障的發(fā)生，提高其可靠性。樣本量較多的高壓燃油停車開關(guān)、防冰壓差開關(guān)及防喘調(diào)節(jié)器其可靠性指標(biāo)比較低，提高他們的可靠性會使整機(jī)可靠性指標(biāo)有所提高。

表5 典型故障件的TM

2.2.2 整機(jī)可靠性指標(biāo)及其分析

利用該模型對某型發(fā)動機(jī)的整機(jī)使用可靠性進(jìn)行評估，并將評估結(jié)果與數(shù)學(xué)均值法和整體分布法進(jìn)行了對比，整機(jī)的TM見表6。

表6 整機(jī)的TM

從表6中可知：對發(fā)動機(jī)進(jìn)行可靠性評估時，采用整體分布法與數(shù)學(xué)平均值法計算得到的結(jié)果相差不大，與利用層次分析法考慮不同類型故障的分布類型、樣本量及重要性差別時所獲得結(jié)果相比偏小。

3 結(jié)論

利用基于重要性的可靠性評估模型對某型發(fā)動機(jī)506例外場故障進(jìn)行統(tǒng)計分析，得到了不同部件系統(tǒng)及整機(jī)的可靠性指標(biāo)。計算結(jié)果表明：

（1）該型發(fā)動機(jī)的故障多發(fā)附件為燃油流量調(diào)節(jié)器、溫度控制放大器、防冰電磁活門和壓比調(diào)節(jié)器。

（2）制約整機(jī)指標(biāo)提高的薄弱附件為高壓燃油停車開關(guān)、防喘調(diào)節(jié)器及防冰壓差開關(guān)。

（3）制約整機(jī)指標(biāo)提高的薄弱系統(tǒng)為滑油系統(tǒng)，其中包括變形、松動、滑絲等的結(jié)構(gòu)故障、裂紋和磨損3類故障指標(biāo)低于100 h。

[1]黃敏.產(chǎn)品研制階段可靠性增長過程的綜合分析[C]//中國航空學(xué)會可靠性工程學(xué)術(shù)年會文集，北京：中國航空學(xué)會，2001：56-60.

[2]王桂華.Duane模型評估航空發(fā)動機(jī)平均故障間隔時間[J].航空發(fā)動機(jī)，2006，32（1）：29-31.

[3]杜振華.基于AMSAA模型的研制試驗數(shù)據(jù)可靠性綜合評估[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報，2003（8）：745-748.

[4]宋兆泓.航空發(fā)動機(jī)典型故障分析[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,1993：68-75.

[5]潘吉安.可靠性維修性可用性評估手冊[M].北京：國防工業(yè)出版社,1995：25-53.

[6]周源泉，翁朝曦.可靠性評定[M].北京：科學(xué)出版社，1990：37-46.

[7]江龍平.某型渦扇發(fā)動機(jī)使用可靠性評估[J].海軍航空工程學(xué)院學(xué)報,2005,20（5）：539-542.

[8]秦海勤.基于威布爾分布法的某型發(fā)動機(jī)MTBF計算[J].燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù),2006,19（3）：40-43.

[9]徐可君.航空發(fā)動機(jī)最低放行壽命評定研究[J].海軍航空工程學(xué)院學(xué)報,2007,22（2）：252-256.

[10]王大偉.基于危害度的航空發(fā)動機(jī)可靠性評估方法研究[D].北京：北京航空航天大學(xué),2008.

[11]王大偉.基于危害度航空發(fā)動機(jī)可靠性評估模型及應(yīng)用[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報,2008，34（8）：883-886.

[12]朱壽雷，彭紹雄，董蒙.Weibull分布下的系統(tǒng)可靠性評估方法研究[J].可靠性與環(huán)境適應(yīng)性理論研究,2010,28（1）：20-23.

[13]余國林，吳海橋，丁運亮.威布爾在飛機(jī)系統(tǒng)使用可靠性評估中的應(yīng)用[J].航空工程與維修，2006（2）：49-51.

[14]費鶴良.產(chǎn)品壽命分析方法[M].北京：國防工業(yè)出版社, 1988：228-255.

[15]Winterbottom A.The interval estimation of system reliability from component test data[J].Operations Research，1984，32（3）：628-640.

[16]Erto P.New practical bayes estimators for the 2-parameter weibull distribution[J].IEEE Trans Reliability,1982,31（2）：194-197.

[17]Calabria R,Pulcini G.An engineering approach to bayes estimation for the weibull distribution[J].Microelectronics Reliability,1994,34（5）：789-802.

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