袁翔 彭佳 聶華菊

摘 要：測試性預(yù)計(jì)是通過工程分析和計(jì)算來估計(jì)型號測試性和診斷參數(shù)可能達(dá)到的量值，并與規(guī)定的指標(biāo)進(jìn)行比較，是用于評估所設(shè)計(jì)產(chǎn)品是否符合規(guī)定的測試性要求的一種分析方法。本文通過梳理航空發(fā)動機(jī)測試性指標(biāo)體系和測試性預(yù)計(jì)模型等內(nèi)容，對基于FMECA的測試性預(yù)計(jì)方法開展研究，并給出了基于航空發(fā)動機(jī)FMECA的測試性預(yù)計(jì)的應(yīng)用示例，通過研究說明該方法對于航空發(fā)動機(jī)測試性指標(biāo)的預(yù)計(jì)是可行的，能夠滿足航空發(fā)動機(jī)測試性設(shè)計(jì)的工程需求。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動機(jī);FMECA;測試性預(yù)計(jì)

引言

按照GJB2547A-2012《裝備測試性工作通用要求》工作項(xiàng)目303（測試性預(yù)計(jì)）的要求，在航空渦軸發(fā)動機(jī)的方案階段和工程研制階段，需進(jìn)行測試性指標(biāo)的預(yù)計(jì)工作，并隨著設(shè)計(jì)的進(jìn)展，在獲得更為詳細(xì)的信息后，應(yīng)進(jìn)行更為詳細(xì)的測試性預(yù)計(jì)。測試性預(yù)計(jì)是根據(jù)測試性設(shè)計(jì)資料，通過工程分析和計(jì)算來估計(jì)測試性和診斷參數(shù)可能達(dá)到的量值，并與規(guī)定的指標(biāo)進(jìn)行比較，是用于估計(jì)所設(shè)計(jì)產(chǎn)品是否符合規(guī)定的測試性要求的一種方法。

1航空渦軸發(fā)動機(jī)測試性指標(biāo)

GJB 2547A《裝備測試性工作通用要求》中測試性指標(biāo)，一般應(yīng)規(guī)定以下參數(shù)的量值。

1）故障檢測率（FDR）;2）嚴(yán)重故障檢測率（CFDR）;3）故障隔離率（FIR）;

4）故障檢測時間（FDT）;5）虛警率（FAR）;6）故障隔離時間（FIT）。

由于虛警率（FAR）涉及很多不確定因素，目前還沒有有效的方法進(jìn)行預(yù)計(jì)，即使開展虛警率的預(yù)計(jì)，其預(yù)計(jì)結(jié)果也不準(zhǔn)確。故障檢測和隔離時間的預(yù)計(jì)主要是檢查是否符合使用要求、安全要求和MTTR要求，與使用和準(zhǔn)備狀態(tài)密切相關(guān)，其預(yù)計(jì)結(jié)合型號外場使用和維修性預(yù)計(jì)中進(jìn)行。嚴(yán)重故障檢測率（CFDR）與整機(jī)安全性有關(guān)，目前航空渦軸發(fā)動機(jī)提出較少，一般要求為100%，不需要進(jìn)行預(yù)計(jì)。

2測試性預(yù)計(jì)時機(jī)

航空渦軸發(fā)動機(jī)測試性指標(biāo)預(yù)計(jì)工作主要在方案論證和工程研制階段進(jìn)行。在研制早期，由于發(fā)動機(jī)詳細(xì)結(jié)構(gòu)組成等尚未完全確定，型號研制工作開展有限，能夠得到的信息較少，測試性預(yù)計(jì)工作可基于FMEA及相似型號經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行;在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，發(fā)動機(jī)型號的設(shè)計(jì)特點(diǎn)已逐步確定，可獲得更多、更詳細(xì)的信息，此時應(yīng)基于型號詳細(xì)的FMECA報告對預(yù)計(jì)的測試性指標(biāo)作必要的調(diào)整和修正，預(yù)計(jì)的結(jié)果可以作為評價型號測試性水平是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求的初步依據(jù)。

3基于FMECA的測試性預(yù)計(jì)方法

3.1測試性預(yù)計(jì)數(shù)學(xué)模型

故障檢測率（FDR）定義為在規(guī)定的時間內(nèi)，用規(guī)定的方法正確檢測到的故障數(shù)與被測單元發(fā)生故障總數(shù)之比，用百分?jǐn)?shù)表示。其數(shù)學(xué)模型可表示為：

式中：NT為故障總數(shù)，或在工作時間T內(nèi)發(fā)生的實(shí)際故障數(shù);ND為正確檢測到的故障數(shù)。

隨著發(fā)動機(jī)型號的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已逐步確定，當(dāng)系統(tǒng)、部件或成附件的故障率已知的情況下，上述數(shù)學(xué)模型可修改為：

式中：λD為被檢測出的故障模式的總故障率;λ為所有故障模式的總故障率;λi為第i個故障模式的故障率;λDi為第i個被檢測出故障模式的故障率。

故障隔離率（FIR）定義為在規(guī)定的時間內(nèi)，用規(guī)定的方法正確隔離到不大于規(guī)定的可更換單元數(shù)的故障數(shù)與同一時間內(nèi)檢測到的故障數(shù)之比，用百分?jǐn)?shù)表示。其數(shù)學(xué)模型可表示為：

式中：NL為在規(guī)定的條件下用規(guī)定的方法正確隔離到小于L個可更換單元的故障數(shù);ND為在規(guī)定的條件下用規(guī)定的方法正確檢測到的故障數(shù)。

隨著發(fā)動機(jī)型號的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已逐步確定，當(dāng)系統(tǒng)、部件或成附件的故障率已知的情況下，上述數(shù)學(xué)模型可修改為：

式中：λD為被檢測出的所有故障模式的故障率之和;λL為可隔離到小于等于L個可更換單元的故障模式的故障率之和;λLi為可隔離到小于等于L個可更換單元的故障中，第i個故障模式的故障率;L為隔離組內(nèi)的可更換單元數(shù)。

3.2基于FMECA的測試性預(yù)計(jì)工作步驟

測試性預(yù)計(jì)工作應(yīng)在診斷方案且FMECA報告的基礎(chǔ)上，預(yù)計(jì)航空發(fā)動機(jī)故障檢測率和隔離率。

1）結(jié)合發(fā)動機(jī)系統(tǒng)和部件的功能和結(jié)構(gòu)，分析發(fā)動機(jī)功能層次和結(jié)構(gòu)組成，形成發(fā)動機(jī)功能層次圖和結(jié)構(gòu)框圖;

2）分析發(fā)動機(jī)診斷方案，提取發(fā)動機(jī)各項(xiàng)檢測診斷手段的測試范圍、檢測流程和算法等，并收集相關(guān)測試設(shè)備、工具、傳感器和電子控制器的工作原理、啟動和結(jié)束條件、故障顯示和告警機(jī)制等，用于在開展FMEA或FMECA工作中明確該故障模式是否能夠被檢測和隔離，確定故障模式的檢測和隔離方式方法。

3）收集整理發(fā)動機(jī)FMECA和可靠性預(yù)計(jì)數(shù)據(jù)，以便列出所有故障模式，掌握故障影響情況、部件或系統(tǒng)的故障率，部件或系統(tǒng)相關(guān)故障模式頻數(shù)比。當(dāng)在發(fā)動機(jī)研制早起進(jìn)行測試性預(yù)計(jì)時，由于未開展FMECA工作，至少應(yīng)進(jìn)行FMEA報告，明確故障影響情況、故障模式檢測和隔離情況。

4）根據(jù)上述分析的結(jié)果，識別每個故障模式能否檢測、檢測方式，分析被檢測的故障模式能否隔離，可隔離到幾個LRU，并將數(shù)據(jù)填入測試性預(yù)計(jì)描述表單中。

5）根據(jù)各部件或系統(tǒng)測試性預(yù)計(jì)表中的數(shù)據(jù)計(jì)算發(fā)動機(jī)故障檢測率、隔離率。

6）分析所得預(yù)計(jì)結(jié)果，并根據(jù)要求編寫測試性預(yù)計(jì)報告：

a）把測試性預(yù)計(jì)值與要求比較，看是否滿足要求;

b）列出該發(fā)動機(jī)中不能檢測或隔離的故障模式和相關(guān)零組件，并分析其對安全和使用的影響。

c）必要時可根據(jù)測試性預(yù)計(jì)情況對發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)提出設(shè)計(jì)改進(jìn)意見。

3應(yīng)用示例

某發(fā)動機(jī)為單元體設(shè)計(jì)，其主要構(gòu)成有：粒子分離器單元體、壓氣機(jī)單元體、燃燒室單元體、渦輪單元體、附件傳動系統(tǒng)單元體。系統(tǒng)主要包括有燃油與控制、滑油、電氣、及空氣系統(tǒng)等。

依據(jù)發(fā)動機(jī)診斷方案和FMECA分析報告進(jìn)行測試性預(yù)計(jì)，表4中給出了部分測試性預(yù)計(jì)表。通過對表3中的內(nèi)容進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，該發(fā)動機(jī)故障模式總數(shù)為953個，其中無法進(jìn)行檢測的故障模式92個，可檢測的故障模式為861個，分析861個可檢測的故障模式中823個故障模式是外場可以通過各測試手段實(shí)現(xiàn)故障隔離，521個故障模式可隔離至1個LRU，754個故障模式可隔離至2個LRU內(nèi)，823個故障模式可全部實(shí)現(xiàn)隔離在3個LRU內(nèi)，詳見表3和表4。

通過現(xiàn)階段測試性數(shù)據(jù)進(jìn)行測試性預(yù)計(jì)可知，某型發(fā)動機(jī)故障檢測率為90.3%，故障隔離率為95.6%，其中隔離至1個LRU為63.3%，2個LRU為91.6%，3個LRU為100%，可滿足研制要求中的測試性定量要求。

對不可檢測和不能隔離的故障模式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。對于8個II類的不可檢測的故障模式、2個I類不可隔離的故障模式和6個II類不可隔離的故障模式，需要求相關(guān)設(shè)計(jì)人員予以重視，并針對上述故障模式進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，如該結(jié)構(gòu)無法在設(shè)計(jì)上進(jìn)行改進(jìn)則需要給出外場使用維護(hù)詳細(xì)建議和安全使用要求，其他故障模式需進(jìn)行詳細(xì)細(xì)致的危害性分析，并予以設(shè)計(jì)改進(jìn)和優(yōu)化使用維護(hù)要求。

4結(jié)束語

本文通過梳理航空發(fā)動機(jī)測試性指標(biāo)體系和測試性預(yù)計(jì)時機(jī)等內(nèi)容，對基于FMECA的測試性預(yù)計(jì)方法開展研究，給出了應(yīng)用示例。通過研究可以看出，此方法可以分階段依據(jù)測試性信息情況來預(yù)計(jì)航空發(fā)動機(jī)的故障檢測和故障隔離能力， 從而發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的薄弱環(huán)節(jié)，提出測試性設(shè)計(jì)意見和建議，為權(quán)衡不同設(shè)計(jì)方案提供依據(jù)，并且可以通過測試性預(yù)計(jì)來評價和確認(rèn)已進(jìn)行的測試性設(shè)計(jì)工作，找出不足，改進(jìn)設(shè)計(jì)。通過基于航空發(fā)動機(jī)FMECA的測試性預(yù)計(jì)研究并給出應(yīng)用示例，該方法對于航空渦軸發(fā)動機(jī)測試性指標(biāo)的預(yù)計(jì)是可行的，能夠滿足航空發(fā)動機(jī)測試性設(shè)計(jì)的工程需求。

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（中國航發(fā)湖南動力機(jī)械研究所，湖南 株洲 412002）