李 哲, 豆鵬飛, 劉津宏, 王卓健

(1.空軍工程大學(xué)航空工程學(xué)院, 陜西西安 710038;2.中國人民解放軍95092部隊, 河南開封 475003; 3.中國人民解放軍95478部隊, 重慶401329)

引言

航空發(fā)動機機械系統(tǒng)故障主要是由于摩擦副磨損積累到一定程度, 導(dǎo)致部件失效引起的[1]?；拖到y(tǒng)為每個摩擦表面持續(xù)傳輸足夠數(shù)量和適當(dāng)黏度的滑油,形成循環(huán),以減少直接接觸零部件的磨損,對飛行安全至關(guān)重要[2]。據(jù)統(tǒng)計,某型航空發(fā)動機滑油系統(tǒng)故障數(shù)整機故障總數(shù)的13.1%,且滑油系統(tǒng)故障具有排除難度大,原因復(fù)雜的特點[3-4]。民航領(lǐng)域應(yīng)用(Line Replaceable Unit,LRU)理論已相對成熟,其在提高飛機維修性、可靠性、經(jīng)濟性等方面發(fā)揮了重要作用。隨著軍事訓(xùn)練改革的不斷深入發(fā)展和航空武器裝備的迅速更新?lián)Q代,對機務(wù)保障工作提出了更高的要求,包括但不限于飛機出動量增大、飛行日在場時間增加、裝備維修時間縮短、跨晝夜飛行和大機群出動科目增多、作戰(zhàn)裝備使用頻數(shù)顯著增加、軍用飛機三級維修機制向兩級維修機制轉(zhuǎn)換等方面要求。

故障樹分析法是裝備設(shè)計和保障領(lǐng)域常用方法之一,目前外場保障工作中,多以直接更換LRU級元件為主要模式,因此結(jié)合故障樹和LRU元件劃分,構(gòu)建LRU級的故障樹能夠有效提高保障效率。

綜合滑油系統(tǒng)設(shè)計、故障分析、故障樹方法建模和現(xiàn)場可更換單元方面研究,分析如下:

(1) 滑油系統(tǒng)的研究和設(shè)計涉及到大量邊沿學(xué)科,經(jīng)典理論不足。魏立隊等[5]建立了基于微凸峰接觸理論和廣義Reynolds方程的柴油機主軸承的潤滑模型;李國權(quán)[6]歸類闡述了滑油系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)勢,描繪了滑油系統(tǒng)未來研制的目標(biāo)發(fā)展方向;AIDARINIS J等[7]采用實驗測量和流體動力學(xué)建模來預(yù)測流場變化情況,以優(yōu)化軸承潤滑和滑油冷卻系統(tǒng)效率;閆星輝等[8]在MATLAB/Simulink下開發(fā)了通用仿真模塊庫并構(gòu)建了全系統(tǒng)仿真模型;楊春信等[9]提出了換熱器對環(huán)境散熱量較大的問題,計算散熱系統(tǒng)性能的新方法;馬明明[10]運用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),結(jié)合試飛的數(shù)據(jù),構(gòu)建滑油系統(tǒng)工作全過程的模型,實現(xiàn)了實時監(jiān)控滑油參數(shù)趨向,建立確定影響滑油系統(tǒng)參數(shù)的方法;趙宏達(dá)等[11]研究調(diào)壓活門,提高了滑油供油系統(tǒng)仿真計算流量、壓力結(jié)果的精確性和真實性。

目前國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于LRU級部件劃分和部件重要度的研究理論較為成熟,對于滑油系統(tǒng)的研究多注重于故障的原因分析、工廠或設(shè)計所維修和滑油系統(tǒng)設(shè)計的技術(shù)前沿,有關(guān)現(xiàn)場機務(wù)保障維修的相關(guān)研究較少。

(2) 故障樹分析(Fault Tree Analysis,FTA)是核電、武器、航天等領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)故障診斷和可靠性分析的重要分析方法。PALANISWAMY D等[12]基于FTA對消防系統(tǒng)進行了專家系統(tǒng)開發(fā),提高了消防系統(tǒng)的安全性;姚成玉等[13]提出T-S動態(tài)故障樹分析法;李民曦[14]開發(fā)了航空發(fā)動機故障診斷專家系統(tǒng)和知識庫管理系統(tǒng);汪進[15]針對核電站規(guī)模性故障數(shù)據(jù)的預(yù)處理,提出了基于改進型零壓縮二元決策圖的新型FTA方法;李彥鋒[16]提出了基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)和模糊數(shù)學(xué)法的新動態(tài)系統(tǒng)可靠性分析法。

利用故障樹生成的較為直觀的維護保障流程,深受機務(wù)保障人員歡迎,能夠減輕人員工作強度,提高保障效率。

(3) LRU分析是一種模塊思想。王卓健等[17-18]提出一種針對高故障率的復(fù)雜LRU的可靠性評估仿真模型,設(shè)計了一種軍用飛機LRU劃分方案;王睿等[19]基于METRIC模型原理,建立了兩級保障體制下的作戰(zhàn)單元任務(wù)成功性評估模型;顧濤等[20]針對傳統(tǒng)邊際分析法求解多級備件庫存模型解質(zhì)量低的問題,提出兩種改進差分進化算法。

目前的外場維護工作中,多以LRU級部件更換為主要維修方式,因此將滑油系統(tǒng)的部件進行LRU劃分,為故障樹的建立提供支撐,以此提高保障水平。

(4) 系統(tǒng)的可靠性取決于元件的可靠性。夏侯唐凡等[21]提出多狀態(tài)系統(tǒng)重要度分析新方法;莫志軍[22]提出針對航空發(fā)動機支軸承故障診斷的聚類分析方法;吳開貴等[23]提出了一種基于元件敏感度分析的可靠性計算方法。

綜合分析比較發(fā)現(xiàn),有別于航空發(fā)動機系統(tǒng)設(shè)計時的元器件級可靠性分析,LRU級故障樹的構(gòu)建與分析對外場維護保障工作指導(dǎo)意義顯著,且通過分析LRU級部件可靠性能夠進一步為裝備任務(wù)可靠性的工程設(shè)計及驗證提供模型支撐和經(jīng)驗參考。

1 典型航空發(fā)動機滑油系統(tǒng)

在發(fā)動機工作時,滑油系統(tǒng)不斷向發(fā)動機的軸承和傳動齒輪輸送足夠的干凈滑油,起到潤滑作用,減少磨損消耗,并帶走接觸摩擦產(chǎn)生的碎屑和熱量。某型發(fā)動機的滑油系統(tǒng)分為:供油、回油、通氣和支點增壓系統(tǒng)。此外滑油系統(tǒng)的信號器也是一個重要的組成部分。

供油系統(tǒng)向各接觸摩擦部件提供規(guī)定壓力和數(shù)量的滑油;回油系統(tǒng)將經(jīng)過軸承、附件機匣等位置進行潤滑的滑油,抽回滑油箱,便于再次循環(huán)使用。

通氣系統(tǒng)將各軸承座滑油腔、發(fā)動機附件機匣、外置機匣和滑油箱內(nèi)的滑油蒸汽排出機外,將滲透到各軸承座前滑油腔的滑油及滑油蒸汽排出機外,因此通氣系統(tǒng)由滑油腔通氣系統(tǒng)和前滑油腔通氣系統(tǒng)兩個子系統(tǒng)組成。

支點增壓系統(tǒng)由外涵道氣源、高壓壓氣機第七級氣源、增壓空氣轉(zhuǎn)換活門和轉(zhuǎn)換活門工作信號器、導(dǎo)管組成。為發(fā)動機軸承空氣擋油裝置提供氣源,并維持前滑油腔與滑油腔之間一定的壓力梯度。

滑油系統(tǒng)信號器分為滑油壓力傳感器、滑油溫度傳感器、增壓空氣轉(zhuǎn)換活門工作信號器、金屬屑信號器組成,用于監(jiān)測滑油系統(tǒng)工作,出現(xiàn)故障時及時向飛行員報告,并將故障信號記錄在機載數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)中。

2 典型故障與LRU級維修部件

根據(jù)飛機故障信息數(shù)據(jù),梳理某型航空發(fā)動機的典型故障類型、維修方式、維修更換元件,整理分析得出某型航空發(fā)動機典型故障和LRU級維修部件。外場LRU級故障維修保障中,采取直接更換故障機件的方式進行維修,突出如何快捷地進行現(xiàn)場的維修拆裝。

2.1 滑油系統(tǒng)典型故障

1) 滑油消耗量大

滑油系統(tǒng)中除發(fā)動機軸承腔外,其余部件均在發(fā)動機外部,因此這些部件及管路的漏油情況可通過目視檢查直接判斷。某型發(fā)動機有前軸承腔、中軸承腔和后軸承腔共3個軸承腔,如果從軸承腔漏出滑油,則需對發(fā)動機進行分解檢查,查看具體漏油情況。

(1) 附件機匣滲漏滑油。附件機匣中安裝有起動機、液壓泵、發(fā)電機等附件,外場定檢和試車過程中,發(fā)現(xiàn)附件機匣部件滲漏滑油嚴(yán)重,殼體結(jié)合面及膠圈密封位置均出現(xiàn)滲漏滑油現(xiàn)象,經(jīng)排查分析,故障原因可分為3類:一是零件加工質(zhì)量較差,局部區(qū)域表面較為粗糙,密封效果下降;二是運輸、裝配的過程中零件表面嚴(yán)重磕碰,部分膠圈安裝槽內(nèi)的表面嚴(yán)重劃傷;三是膠圈壓縮量不足,極限情況下導(dǎo)致膠圈失去密封作用。

(2) 飛行中滑油消耗量大。某型發(fā)動機在飛行時滑油消耗量超標(biāo)程度較為嚴(yán)重,更換主泵軸端密封皮碗后,情況有所改善,但仍然超標(biāo)。經(jīng)分解檢查,發(fā)現(xiàn)存在兩處故障:一是附件機匣主泵傳動齒輪軸處的皮碗損壞,其發(fā)生原因有兩個:首先齒輪軸與皮碗配合方向不對,設(shè)計要求為45°方向,實際加工成軸向方向;其次皮碗與軸配合處存在一個加工后的磕碰傷。二是4號軸承密封結(jié)構(gòu)損壞,導(dǎo)致滑油漏出。

2) 滑油液污染

航空發(fā)動機內(nèi)部構(gòu)件一旦發(fā)生機械磨損,其表面材料就會受損或脫落。成為金屬屑進入滑油從而一起循環(huán)。其中部分碎屑黏附在過濾器、磁塞和金屬屑信號裝置上,其余較小碎屑繼續(xù)懸浮在滑油中,進入軸承或齒輪間隙,導(dǎo)致發(fā)動機軸承和齒輪磨損。

金屬屑會導(dǎo)致滑油系統(tǒng)的溫度、壓力等異常,直接降低潤滑性能,導(dǎo)致內(nèi)部構(gòu)件提前進入失效階段,出現(xiàn)發(fā)動機軸承爆軸、轉(zhuǎn)速減小、喘振等嚴(yán)重危及飛機安全的故障。據(jù)統(tǒng)計,某型航空發(fā)動機在外場使用過程中,頻繁出現(xiàn)滑油光譜Fe,Al元素含量超標(biāo)問題,故障率相對較高。從發(fā)動機分解檢查情況看,問題主要是由附件機匣磨損造成的,主要原因有附件機匣振動、工作溫度對軸承與襯套間隙的影響、軸承襯套孔同軸度大、機匣剛性差、齒輪軸動不平衡量大等。

3) 滑油壓力波動

壓差調(diào)壓活門是通過感受供油壓力和中軸承腔壓力來保持噴嘴前后的壓差,并穩(wěn)定在一定值左右。如果壓差調(diào)壓活門卡滯會導(dǎo)致滑油供油壓差異常,甚至飛機座艙報降轉(zhuǎn)信號,產(chǎn)生事故征候,終止飛行任務(wù)的執(zhí)行,因此滑油壓差調(diào)壓活門的穩(wěn)定工作對確保發(fā)動機主軸承及傳動部件的正常潤滑及冷卻有重要作用。

某型航空發(fā)動機多次由于壓差調(diào)壓活門卡滯引起滑油壓差異常波動,該故障在傳動潤滑系統(tǒng)常有發(fā)生,影響了多架次飛行任務(wù)的執(zhí)行,使發(fā)動機外場使用存在安全隱患,并造成重大經(jīng)濟損失。故障出現(xiàn)后,前期通過采用定檢和機械日清洗調(diào)壓活門、改善加工工藝、對零件尖邊進行倒圓和拋光處理等系列方法,初步降低了故障頻次,但壓差波動仍然存在。

進一步分析,壓差調(diào)壓活門除了受到供油壓力和中軸承腔壓力,加上彈簧力作用下,滑閥可以左右移動,使溢流孔的開度發(fā)生變化。對滑閥進行受力分析,滑閥受力平衡方程為:

Fhg=Fzz+Ft

(1)

Fhg=phgS1

(2)

Fzz=pzzS2

(3)

Ft=Kx

(4)

式中,Fhg—— 滑閥所受供油作用力,N

Fzz—— 滑閥所受中軸承腔作用力,N

Ft—— 滑閥所受彈簧作用力,N

S1—— 滑閥供油端受力面積,mm2

S2—— 滑閥中軸端受力面積,mm2

phg—— 供油壓力,MPa

pzz—— 中軸承腔壓力,MPa

K—— 彈簧剛度,N/mm

x—— 彈簧壓縮量,mm

當(dāng)供油管路和軸承腔壓差值變大時,滑閥向打開方向移動,溢流孔面積增大,主管路滑油流量減小從而將壓差降低至正常范圍。當(dāng)供油管路和軸承腔壓差值減小時,滑閥向關(guān)閉方向移動,溢流孔面積減小,主管路滑油流量增加從而將壓差增加至正常范圍。當(dāng)發(fā)動機停止工作時,滑閥在彈簧力作用下向關(guān)閉方向移動至極限位置,閥門完全關(guān)閉,閥門殼體與滑閥形成的密封面阻止了滑油由滑油箱流經(jīng)閥門至軸承腔流路的虹吸現(xiàn)象。

2.2 滑油系統(tǒng)LRU級維修部件

航空發(fā)動機滑油系統(tǒng)LRU劃分是基于飛機維修保障階段快速排除、更換的故障部件和滑油系統(tǒng)功能層次結(jié)構(gòu)的劃分,最終實現(xiàn)滑油系統(tǒng)特定功能的部件裝配。根據(jù)LRU的劃分定義和實際工作開展,結(jié)合故障信息數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析,某型航空發(fā)動機滑油系統(tǒng)LRU級維修元件組成如圖1所示,包括滑油濾、飛附機匣、發(fā)附機匣、皮碗、調(diào)壓活門、O形密封圈、金屬屑信號器。

圖1 滑油系統(tǒng)LRU級維修元件Fig.1 Lubrication system LRU grade maintenance components

3 LRU級故障樹的構(gòu)建

將航空發(fā)動機滑油系統(tǒng)LRU級故障元件與故障樹相結(jié)合,通過故障現(xiàn)象分析故障原因,找出對應(yīng)的LRU故障元件,畫出故障樹,從而確定滑油系統(tǒng)故障原因的各種可能組合方式和其發(fā)生概率。以直觀的圖形表述了滑油系統(tǒng)內(nèi)在聯(lián)系,層次清晰,既可進行定性分析又可進行定量分析,通用可靠。通過整理分析故障信息,現(xiàn)規(guī)定頂事件滑油系統(tǒng)故障編號為A,故障樹中間事件建模所需數(shù)據(jù),如表1所示。

表1 故障樹中間事件Tab.1 Fault tree intermediate events

利用統(tǒng)計的方法對滑油系統(tǒng)歷史故障維修記錄進行挖掘分析,得到故障樹底部事件發(fā)生的概率。具體計算公式如下:

(5)

MTBF指的是系統(tǒng)各部件的平均故障間隔時間,ti就是故障樹底事件的第i次不發(fā)生故障的安全工作時間量。

底事件故障發(fā)生概率是MTBF的倒數(shù):

(6)

底事件名稱和發(fā)生概率,如表2所示。

表2 故障樹底事件和發(fā)生概率Tab.2 Fault tree bottom events and incidence

故障數(shù)據(jù)來源于飛機故障信息數(shù)據(jù)的主要記錄匯總,其中包括故障時間、故障現(xiàn)象記錄、故障原因、現(xiàn)場處理過程以及最終處理結(jié)果,結(jié)合案例和專家經(jīng)驗,參考已有的文獻,初步得到各底事件的故障概率,綜合考慮多種因素,進一步修訂統(tǒng)計數(shù)據(jù),得出每個底事件故障概率。研究結(jié)果基于工程實踐,具有一定的實用價值和科學(xué)性。

建立航空發(fā)動機滑油系統(tǒng)LRU級故障樹模型,如圖2所示(所有事件均用編號代替)。

圖2 滑油系統(tǒng)LRU級故障樹模型Fig.2 LRU-level fault tree model of lubricating oil system

4 滑油系統(tǒng)LRU級故障樹模型分析

針對構(gòu)建的滑油系統(tǒng)LRU級故障樹模型,計算最小割集、頂事件和中間事件故障發(fā)生概率、底事件概率重要度和相對概率重要度,根據(jù)計算結(jié)果分析得到滑油系統(tǒng)LRU級元件的概率重要度。

4.1 最小割集

根據(jù)所構(gòu)建的LRU級故障樹,根據(jù)布爾代數(shù)的方法寫出故障樹的代數(shù)表達(dá)式如下:

A=M1+M2+M3+M4+M5=M1+M4+M5+N1+N2+N3+N4+N5+N6=C1+C2+L+C14+C15

針對只含有“或門”的故障樹,最小割集的數(shù)量與底事件的數(shù)量相一致,因此導(dǎo)致頂事件發(fā)生的可能性共有15種。

4.2 故障樹頂事件和中間事件發(fā)生概率

當(dāng)最小割集之間不獨立時, 使用容斥定理來計算事件概率,但所構(gòu)建的故障樹最小割集相互獨立且數(shù)量較大,為防止“組合爆炸”問題,減小計算量,采用不交化的最小割集表達(dá)式計算,即:

(7)

Km—— 第m個最小割集發(fā)生的概率

Nm—— 第m個最小割集中含有基本事件的個數(shù)

M—— 最小割集總數(shù)

Xj—— 基本事件j發(fā)生的概率

滑油系統(tǒng)LRU級故障樹頂事件和中間事件發(fā)生概率,如表3、圖3所示。

表3 頂事件和中間事件發(fā)生概率Tab.3 Top events and intermediate events incidence

圖3 頂事件和中間事件發(fā)生概率Fig.3 Top events and intermediate events incidence

4.3 概率重要度

概率重要度表示底事件發(fā)生概率的微小變化而導(dǎo)致頂事件發(fā)生概率的變化率。在故障樹所有底事件互相獨立的條件下,第i個底事件的概率重要度表達(dá)式為:

(8)

式中,Q(q1,q2,…,qn)為故障樹頂事件發(fā)生概率函數(shù)。反映在不相交的最小割集矩陣中, 對應(yīng)于頂事件的概率。首先將每行的概率乘以每列的概率, 然后將每列的乘法結(jié)果相加,得到基本事件的概率重要度。

滑油系統(tǒng)LRU級故障樹底事件概率重要度,如表4、圖4所示。

表4 底事件概率重要度Tab.4 Probability importance of bottom event

圖4 底事件概率重要度Fig.4 Probability importance of bottom event

4.4 相對概率重要度

相對概率重要度表示第i個底事件發(fā)生概率的微小變化而導(dǎo)致頂事件發(fā)生概率的相對變化率。將概率重要度相對化可以更直觀地對比分析影響程度,表達(dá)式如下:

(9)

滑油系統(tǒng)LRU級故障樹底事件相對概率重要度,如表5、圖5所示。

表5 底事件相對概率重要度Tab.5 Relative probability importance of bottom events

圖5 底事件相對概率重要度Fig.5 Relative probability importance of bottom events

4.5 數(shù)據(jù)分析

通過對圖表數(shù)據(jù)的分析,認(rèn)為滑油系統(tǒng)的主要故障是漏油、滑油中金屬元素含量超標(biāo)和系統(tǒng)壓力異常。金屬元素含量超標(biāo)主要原因是油液中鐵元素超標(biāo)。壓力異常故障的主要故障是油壓下降。

根據(jù)圖表分析,C8調(diào)壓活門失效對頂事件失效的影響最大,其次是C2皮碗失效,概率重要度分別為0.54和0.52,相對概率重要度分別為0.102和0.084。C9油濾組件損壞、C11油濾組件工作效率下降、C12調(diào)壓活門彈簧力衰減對頂事件失效的影響最小,概率重要度為0.49,相對概率重要度為0.015。

由此可得,減小底事件C8調(diào)壓活門故障發(fā)生概率能使頂事件故障的發(fā)生概率迅速下降,相比根據(jù)相同的數(shù)值減小其他底事件發(fā)生概率都更有效果,其次是底事件C2皮碗失效、C6飛附機匣齒輪磨損②、C13濾芯磨損和C14殼體裂紋,最不敏感的是底事件C9滑油濾組件破損和C11滑油濾組件效能下降。因此,在外場機務(wù)維修中,對調(diào)壓活門和皮碗部件關(guān)注度更高,減小調(diào)壓活門和皮碗失效故障發(fā)生概率可以有效地降低滑油系統(tǒng)故障發(fā)生概率。

實際工作開展中,針對概率重要度相對較高的LRU,如調(diào)壓活門、皮碗、飛附機匣、金屬屑信號器的備件數(shù)量可留有較大裕度;對于概率重要度相對較低的LRU,如滑油濾、滑油泵組、O形密封圈的備件數(shù)量可根據(jù)需求進行適當(dāng)準(zhǔn)備,能夠提高航空發(fā)動機滑油系統(tǒng)維護速度和成本效益,提高飛機出動率和飛行可靠性。

5 結(jié)論

機務(wù)保障工作中,滑油系統(tǒng)故障原因復(fù)雜,排除難度大,因此基于故障樹分析的方法,結(jié)合滑油系統(tǒng)LRU劃分,針對滑油系統(tǒng)典型故障進行LRU級別的故障樹建模,運用下行法求解故障樹最小割集,隨后進行定量分析,采用不交化的最小割集表達(dá)式,計算滑油系統(tǒng)頂事件故障發(fā)生概率、滑油壓力異常、油液污染、滑油消耗量大、滑油系統(tǒng)部件損壞等典型故障發(fā)生概率,計算分析LRU的概率重要度和相對概率重要度,主要結(jié)論有以下幾個方面:

(1) 調(diào)壓活門故障的相對概率重要度為0.102,橫向比較大于其他基本故障,因此通過降低調(diào)壓活門故障發(fā)生概率可以有效地降低滑油系統(tǒng)故障發(fā)生概率;

(2) 外場特定檢查中和日常維護時,應(yīng)注意對調(diào)壓活門和皮碗等易失效故障元件的檢查,航材備件庫可以適當(dāng)增加此類備件的儲存量;

(3) 使用所提出的思路進行其他裝備維護保障分析可以幫助作戰(zhàn)單位進行作戰(zhàn)任務(wù)和維修保障進行合理計劃安排。