某型發(fā)動(dòng)機(jī)典型可修復(fù)附件可靠性分析

孫波，武曉龍，楊春，蔣英杰

（1.海軍航空工程學(xué)院，山東煙臺(tái)264001;2.海軍駐沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)專業(yè)軍事代表室，沈陽(yáng)110043;3.海軍航空兵91911部隊(duì)，海南三亞572000）

1引言

目前，航空發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性評(píng)估工作對(duì)不可修復(fù)件和可修復(fù)件沒(méi)有明確區(qū)分，基本上都按不可修復(fù)件進(jìn)行評(píng)估。對(duì)可修復(fù)件而言，在實(shí)際使用中，附件故障往往發(fā)生在某幾個(gè)關(guān)鍵部位，這些關(guān)鍵部位對(duì)附件可靠性貢獻(xiàn)程度各有不同，在進(jìn)行了相應(yīng)維修之后對(duì)附件的可靠性影響也會(huì)大不相同。如果仍然按不可修復(fù)件進(jìn)行可靠性評(píng)估，必然會(huì)使評(píng)估結(jié)果產(chǎn)生較大誤差，從而難以合理地界定可修復(fù)件在修復(fù)后的使用情況。

從某型發(fā)動(dòng)機(jī)部隊(duì)使用的故障統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，許多附件未到首次翻修壽命即發(fā)生故障，這說(shuō)明出廠給定的首次翻修壽命并不合理；此外，附件修理后，再次定壽的理論依據(jù)不足，忽視了不同修復(fù)工作對(duì)附件可靠性變化的作用。這都會(huì)給發(fā)動(dòng)機(jī)的使用安全性和經(jīng)濟(jì)性帶來(lái)不利影響。針對(duì)這些問(wèn)題，在結(jié)合各種研究方法的基礎(chǔ)上，對(duì)可修復(fù)附件的可靠性評(píng)估進(jìn)行系統(tǒng)研究。

對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)其它典型可修復(fù)附件而言，現(xiàn)有大部分研究基于“修復(fù)如新”的假設(shè)。這種假設(shè)從理論角度和實(shí)用性角度上講都存在不完善的地方。因此，本文在結(jié)合各種研究方法的基礎(chǔ)上，對(duì)可修復(fù)附件的可靠性評(píng)估進(jìn)行了系統(tǒng)研究，以完善航空發(fā)動(dòng)機(jī)可修復(fù)附件可靠性評(píng)估過(guò)程，為合理確定可修復(fù)附件的可靠性和維修性指標(biāo)奠定基礎(chǔ)。

2 基于首次故障數(shù)據(jù)的可靠性分析

某型發(fā)動(dòng)機(jī)主要可修復(fù)附件有前軸承滑油泵、主滑油泵、壓比調(diào)節(jié)器、敏感活門(mén)、低壓軸控制器、燃油流量調(diào)節(jié)器等共29種。從外場(chǎng)采集的故障信息可知，某型發(fā)動(dòng)機(jī)典型可修復(fù)附件中發(fā)生故障次數(shù)較多的有壓比調(diào)節(jié)器、滑油壓差信號(hào)器、防喘調(diào)節(jié)器、燃油流量調(diào)節(jié)器、加力燃油流量調(diào)節(jié)器、溫控放大器、高壓燃油泵等，分別占總故障的11.5%、14.2%、12.7%、4.3%、9.4%、20.1%、3.2%，其它故障占24.6%。某型發(fā)動(dòng)機(jī)典型可修復(fù)附件首次故障數(shù)據(jù)處理結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 某型發(fā)動(dòng)機(jī)典型可修復(fù)附件數(shù)據(jù)處理結(jié)果

防喘調(diào)節(jié)器的壽命分布曲線、故障密度曲線、故障率曲線分別如圖1～3所示。壓比調(diào)節(jié)器故障的形狀參數(shù)β=1.366，其值大于1，此種產(chǎn)品的失效類型是失效率隨時(shí)間變化遞增型（IFR），說(shuō)明壓比調(diào)節(jié)器是具有耗損型故障的附件；防喘調(diào)節(jié)器故障的形狀參數(shù)β=1.470，其值大于1，失效類型為IFR型，說(shuō)明防喘調(diào)節(jié)器是具有耗損型故障的附件；同樣燃油流量調(diào)節(jié)器、加力燃油流量調(diào)節(jié)器和高壓燃油泵故障的形狀參數(shù)也大于1，都是具有耗損型故障的附件。

同時(shí)得出滑油壓差信號(hào)器和溫控放大器故障的形狀參數(shù)小于1，根據(jù)這樣的計(jì)算結(jié)果得出，它們的失效類型是隨時(shí)間變化的遞減型（DFR）。但根據(jù)2種附件的工作環(huán)境和失效機(jī)理來(lái)分析，其失效率函數(shù)不應(yīng)該是隨時(shí)間變化的遞減型?；蛪翰钚盘?hào)器為電氣部件，工作原理相對(duì)簡(jiǎn)單，當(dāng)供油壓力不足時(shí)，壓差低于預(yù)定值，電觸點(diǎn)閉合，接通飛機(jī)駕駛艙內(nèi)的紅色警告燈。根據(jù)外場(chǎng)數(shù)據(jù)，分析其故障的主要原因有以下2個(gè)方面：（1）對(duì)于長(zhǎng)期停放的飛機(jī)，開(kāi)車前未更換高速齒輪箱內(nèi)滑油；（2）飛機(jī)停放時(shí)，未將地面放漏油開(kāi)關(guān)打開(kāi)，油箱積滿后反串至高速齒輪箱。顯然，滑油壓差信號(hào)器的故障大部分是由于地勤維護(hù)不當(dāng)造成，原因可能是維護(hù)人員責(zé)任心不強(qiáng)或忽視了這方面的維護(hù)工作。溫控放大器也是1個(gè)電氣部件，主要提供控制高壓壓氣機(jī)進(jìn)口導(dǎo)流葉片IGV角度的信號(hào)，而且要通過(guò)給定值電阻感應(yīng)并傳輸T1、T2、T33個(gè)溫度信號(hào)。從外場(chǎng)質(zhì)量控制室了解到，其主要故障原因有以下2個(gè)方面：（1）溫控放大器中的微調(diào)電阻沒(méi)有得到及時(shí)的清潔；（2）廠家沒(méi)有提供部分溫控電阻。為了盡量減少故障發(fā)生，現(xiàn)已結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)50 h定檢清潔微調(diào)電阻，并建議廠家提供部分溫控電阻?？梢?jiàn)，溫控放大器的故障主要是由其使用不當(dāng)造成的，這不能真實(shí)反映附件本身的可靠性。由此，關(guān)于發(fā)動(dòng)機(jī)電氣附件的可靠性評(píng)估工作，提出以下2點(diǎn)建議：（1）明確附件故障原因，將機(jī)械故障與電氣故障區(qū)分開(kāi)；（2）尋找更有效的可靠性評(píng)估模型，來(lái)分析此類附件。

就1個(gè)可修復(fù)附件而言，在使用中要經(jīng)歷：故障—修復(fù)—再故障—再修復(fù)的循環(huán)過(guò)程，通過(guò)以上方法可以得出產(chǎn)品的首次故障特性，亦即產(chǎn)品的固有屬性，如質(zhì)量特性、使用特性等。但仍然存在很多不足之處，例如無(wú)法量化產(chǎn)品修復(fù)后的狀態(tài)，不能合理給出再次定壽的時(shí)間指標(biāo)等。

傳統(tǒng)的解決可修復(fù)產(chǎn)品的可靠性評(píng)估方法，大都基于修復(fù)如新或修復(fù)如舊的假設(shè)前提之下，實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)，對(duì)于1個(gè)較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件而言，其故障部位往往不只1處，而且各部位的相對(duì)重要程度大有不同，也許對(duì)某1個(gè)部位進(jìn)行修復(fù)可以按照修復(fù)如新的情況處理，但對(duì)另1個(gè)部位修復(fù)卻有可能是1種修復(fù)如舊的情況，這同時(shí)取決于修復(fù)的手段，如果對(duì)這些異同不加以考慮，而直接納為整個(gè)產(chǎn)品的故障數(shù)據(jù)，勢(shì)必會(huì)影響產(chǎn)品修復(fù)后狀態(tài)的界定。

此外，威布爾分布方法在處理外場(chǎng)數(shù)據(jù)信息時(shí)，有以下幾方面的不足：（1）對(duì)首次故障樣本的要求較高，在外場(chǎng)的實(shí)際使用中得不到很好的滿足；（2）不能有效結(jié)合產(chǎn)品的修復(fù)情況，給出產(chǎn)品繼續(xù)使用的可靠性指標(biāo)；（3）不能合理給出產(chǎn)品△t時(shí)間的任務(wù)可靠度、瞬時(shí)故障間隔時(shí)間、累積故障間隔時(shí)間等可靠性指標(biāo)，無(wú)法有效衡量產(chǎn)品修復(fù)后的使用情況，以及產(chǎn)品的維修合理性。以下結(jié)合隨機(jī)過(guò)程理論解決以上問(wèn)題。

3 基于威布爾過(guò)程的可靠性分析

3.1 威布爾過(guò)程應(yīng)用概述

在深入研究某型發(fā)動(dòng)機(jī)典型可修復(fù)附件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，結(jié)合故障數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)很多附件結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，從理論角度講不符合威布爾過(guò)程模型，在數(shù)據(jù)信息足夠的情況下，依此可以將主要可修復(fù)附件分為2類：第1類，既可以應(yīng)用威布爾過(guò)程模型評(píng)估可靠性指標(biāo)，又可以用威布爾分布模型評(píng)估；第2類，僅可用威布爾分布模型評(píng)估其可靠性指標(biāo)。具體分類見(jiàn)表2。

表2 某型發(fā)動(dòng)機(jī)典型可修復(fù)附件按可靠性評(píng)估方法分類

研究中發(fā)現(xiàn)，某型發(fā)動(dòng)機(jī)可修復(fù)附件的外場(chǎng)數(shù)據(jù)信息參差不齊，從理論角度可以大致分為以下幾類：

（1）總故障樣本量大，有效首次故障樣本量為大樣本；

（2）總故障樣本量大，首次故障樣本量為大樣本，但由于使用和制造因素造成的早期故障較多，致使有效首次故障樣本量為小樣本；

（3）總故障樣本量小，有效首次故障樣本為小樣本，研究的某型發(fā)動(dòng)機(jī)是原裝機(jī)型，使用至今很多附件已達(dá)到其使用壽命，現(xiàn)已開(kāi)始轉(zhuǎn)為國(guó)產(chǎn)型產(chǎn)品；

（4）總故障樣本量?。颖玖啃∮?），有效首次故障樣本為大樣本；

（5）總故障樣本量為小樣本。

因此，在進(jìn)行航空發(fā)動(dòng)機(jī)外場(chǎng)可修復(fù)附件可靠性評(píng)估時(shí)，需要在表2基礎(chǔ)上，結(jié)合具體的數(shù)據(jù)信息分類，來(lái)確定相應(yīng)的可靠性評(píng)估方法，見(jiàn)表3。

表3 基于外場(chǎng)數(shù)據(jù)信息的可靠性評(píng)估方法分類

此外，對(duì)于不同的可靠度評(píng)估指標(biāo)，在具體評(píng)估方法的選擇上也應(yīng)有相應(yīng)區(qū)分，以便于外場(chǎng)的實(shí)際使用，具體分類方案見(jiàn)表4。

以上各類別的區(qū)分，可以用于外場(chǎng)的可靠性評(píng)估工作，并有益于可修復(fù)附件可靠性評(píng)估工作的順利開(kāi)展，提高評(píng)估的準(zhǔn)確性。

3.2 威布爾過(guò)程分析

高壓燃油泵是燃油系統(tǒng)的1個(gè)典型復(fù)雜部件，由轉(zhuǎn)子、分油盤(pán)、柱塞、保持架、斜盤(pán)、隨動(dòng)活塞、安全活門(mén)、殼體等組成。通過(guò)分析外場(chǎng)數(shù)據(jù)，其有效首次故障樣本為大樣本，采集7架飛機(jī)曾使用過(guò)的高壓燃油泵故障時(shí)間如圖4所示。其中“×”表示對(duì)該處故障進(jìn)行基本修復(fù)，“#”表示對(duì)該處故障進(jìn)行完全修復(fù)。

表4可靠性評(píng)估指標(biāo)分類

采用威布爾過(guò)程模型，按產(chǎn)品基本修復(fù)和完全修復(fù)情況，將故障樣本整理如圖5所示。

λ，β的迭代法估計(jì)值見(jiàn)表5。

表5 高壓燃油泵的點(diǎn)估計(jì)迭代值

當(dāng)?shù)降?次的時(shí)候，各參數(shù)的估計(jì)值保持不變，則第4組參數(shù)估計(jì)值為最優(yōu)值。值小于1，故障強(qiáng)度隨時(shí)間逐漸降低，說(shuō)明對(duì)此產(chǎn)品一旦進(jìn)行修復(fù)后，故障強(qiáng)度便呈下降趨勢(shì)，同時(shí)也驗(yàn)證了其維修策略的合理性。

觀察第1個(gè)高壓燃油泵故障樣本，在最后1次修復(fù)之后，已使用231 h，經(jīng)過(guò)本次修復(fù)后的出廠再次定壽為450 h，計(jì)算（231,450）時(shí)間區(qū)間內(nèi)預(yù)計(jì)發(fā)生1次故障的概率為

說(shuō)明該高壓燃油泵的再次出廠定壽時(shí)間是合理的。在此區(qū)間內(nèi)d=1.2，設(shè)任務(wù)時(shí)間，其在231 h的任務(wù)可靠度為

t=231 h的瞬時(shí)MTBF、累積MTBF分別為

IMTBF用于描述t時(shí)刻高壓燃油泵的瞬時(shí)可靠性水平，而CMTBF則用于描述經(jīng)過(guò)t時(shí)刻后高壓燃油泵已經(jīng)消耗掉的可靠性水平，當(dāng)數(shù)據(jù)采集環(huán)境不同時(shí)，可利用CMTBF衡量不同環(huán)境間的差異，有益于環(huán)境折合系數(shù)的計(jì)算。表6列出了某型發(fā)動(dòng)機(jī)典型可修復(fù)附件的NHPP參數(shù)估計(jì)結(jié)果。

表6 某型發(fā)動(dòng)機(jī)典型可修復(fù)附件NHPP

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)某型發(fā)動(dòng)機(jī)典型可修復(fù)附件的實(shí)際使用情況，首先利用威布爾分布來(lái)分析其首次故障特性，總結(jié)附件的使用特性，確定薄弱環(huán)節(jié)；然后結(jié)合隨機(jī)過(guò)程理論，研究其與傳統(tǒng)分析方法的異同之處，分析附件的使用可靠性，提出了航空發(fā)動(dòng)機(jī)可修復(fù)附件可靠性評(píng)估的相應(yīng)分類方案，完善了航空發(fā)動(dòng)機(jī)可修復(fù)附件可靠性評(píng)估過(guò)程，為合理確定可修復(fù)附件的可靠性和維修性指標(biāo)奠定了基礎(chǔ)。

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