某型國產發動機與其原型機使用可靠性對比分析

謝 靜，秦海勤，徐可君

（海軍航空工程學院青島校區，山東青島266041）

某型國產發動機與其原型機使用可靠性對比分析

謝 靜，秦海勤，徐可君

（海軍航空工程學院青島校區，山東青島266041）

為了研究某型引進生產專利的國產化發動機與其原型機可靠性指標差異，利用層次分析法建立了基于部件系統及其重要性的航空發動機可靠性評估模型。以該型國產化發動機及其原型機外場故障數據為基礎，綜合運用分布法、樣本量加權、重要性加權的數據融合方法對2型發動機的使用可靠性指標進行評估。結果表明：經多年的改進，該型國產化發動機的可靠性總體指標已高于原型機的；而如壓比調節器、滑油回油泵等零部件的指標仍低于原型機的，類似部件的可靠性提高是進一步提高整機指標的有效途徑。

可靠性；層次分析；數據融合；故障分析；航空發動機

0 引言

軍用航空發動機使用可靠性高低直接影響部隊訓練、作戰任務地完成；同時，航空發動機使用可靠性對提高發動機效能和降低其壽命周期費用至關重要。不僅與設計可靠性有關，還受使用、維修等因素的影響。

中國某型軍用渦扇發動機引進生產專利國產化多年，雖經多年的實踐檢驗、設計更改，其使用可靠性有所提高，但在使用中故障較多；同時，少有專家學者將國產化發動機的使用可靠性與其原型機進行比較研究，不利于提高該型國產發動機的可靠性。

本文以某原型發動機以及其國產化型號的外場故障數據為基礎，運用合適的可靠性評估方法進行可靠性評估(以MTBF作為指標)并對比分析，對國產化發動機如何提升可靠性提出了合理化建議。

1 可靠性數據的收集與處理

航空發動機使用可靠性評估結果是否真實主要取決于外場使用數據。為了確?？煽啃詳祿恼鎸嵭约氨狙芯拷Y果的準確性，作者先后6次到相關單位和工廠收集外場使用及工廠臺架試車的第1手故障數據共計5871例。收集到的可靠性數據來自不同單位，其記錄格式及故障屬性差別很大。為此，剔除了沒有相關壽命數據的故障樣本，并對可靠性數據進行了包括數據格式統一、篩選、剔除(剔除人為故障、2次從屬故障等)、判斷、統一故障件名稱、分類、依據發動機號碼判斷發動機類型、發動機壽命數據的補充完善、以及故障所屬系統的分類等10余項工作。

經過以上處理后，保留 79臺發動機在 2008年1月1日至2012年6月30日時間范圍的故障樣本349例，見表1。

表1 故障樣本統計

2 建立可靠性評估模型

傳統的航空發動機可靠性評估方法常用數學均值法和整體分布法，適用范圍廣，計算方法簡單、快捷，但由于采用傳統方法只能得到1個整機指標，對可靠性增長沒有意義，因此不能滿足本文對國產化和原型2類發動機使用可靠性進行分析對比的需求。

為了查找制約國產發動機可靠性增長工作的薄弱環節(部附件)，必須將故障按照故障件、模式或危害度等原則進行分類。本文對故障進行分類處理，運用層次分析法對2型發動機的使用可靠性進行評估。

2.1 評估模型的總體思路

評估模型根據航空發動機部件系統重要性不同的特點，將故障按照發動機的部件系統進行分類，部件系統故障綜合考慮故障現象和部件，將航空發動機可靠性指標分為故障類型級、部件系統級、總體級指標3個層次。對于故障類型級可靠性指標的計算，通過建立各故障類型的概率分布模型(即分布法)進行可靠性指標評估；對于部件系統級可靠性指標的計算，需根據故障類型級指標采用合理的數據融合方法得到部件系統級指標；對于總體級可靠性指標的計算，需根據部件系統級指標采用合理的數據融合方法得到發動機總體可靠性指標。其評估流程如圖1所示。

圖1 基于部件系統的可靠性評估流程

2.2 可靠性數據融合

根據基于部件系統及其重要性的航空發動機可靠性評估模型的總體思路，采用層次分析法(The Analytic Hierarchy Process，AHP)對可靠性指標進行逐級融合。以處理過的故障樣本為基礎，建立具有目標層(總體級)、準則層(主件、系統級)和指標層3層評估指標的整機使用可靠性評估系統。其評估的層次結構及各層的詳細組成如圖2所示。

圖2 3層評估體系結構

評估層次中最底層即指標層可靠性指標向最頂層即目標層指標融合時，采用加權融合方法，但不同的層次選取的權重計算方法不同。指標層向準則層融合時，采用基于樣本量單一權重的加權融合方法；準則層向目標層融合時，采用基于樣本量和重要性的綜合權重加權融合方法。

3 計算結果及其分析

3.1 可靠性指標計算

3.1.1 指標層可靠性指標

同一故障部件或系統可靠性指標的計算采用統計分布法，根據故障樣本數據給出分布假設(包括發動機可靠性評估中常用的指數分布、正態分布和威布爾分布)、進行分布的擬合優度檢驗、分布參數估計及可靠性指標計算。

當樣本量過小時，采用比較簡單的傳統方法無法驗證樣本對應總體的分布類型。若樣本量為0或1（樣本量很小，對整機指標影響亦很小），認為該主件或系統在發動機的1個壽命期內都能可靠工作，由于主件或系統的壽命一般都高于主機的翻修壽命，所以該系統或主件的MTBF值取新發出廠給定壽命650 h；若某主件或系統的故障樣本量為2，采用數學平均值法計算可靠性指標。

無法建立分布模型小子樣（子樣數為2），則采用傳統的數據均值法獲取其可靠性指標。整個壽命期內只發生1次故障的沒有故障樣本或故障樣本為1的部件本文經過計算后，分別得國產和原型機2種型號發動機主件和系統的可靠性指標，見表2。

從表中可見，原型機防喘系統有2例樣本，均為防喘調節器故障，分別發生在大修出廠后工作6 h53 min和36 h44 min，導致發動機提前返廠，按數學平均值法得到其可靠性指標為21.8。

表2 指標層檢驗及計算結果

3.1.2 準則層可靠性指標

準則層元素“主件”包含5個部件，即主件=(壓氣機，燃燒室，渦輪，加力燃燒室，發動機承力裝置)，用向量表示為I1=（i11，i12，i13，i14，i15）；準則層元素“系統”包含11個系統，即系統=(滑油系統，防冰系統，防喘系統，主燃油系統，加力控制系統，附面層控制系統，附件傳動裝置，電氣系統，可調噴口，操縱系統，起動系統)，I2=（i21，i22，i23，i24，i25，i26，i27，i28，i29，i210，i211）。經計算，各類型發動機的向量見表3。

表3 指標層指標矢量

表4 各類型發動機指標層權矢量

表5 各類型發動機準則層指標

3.1.3 目標層可靠性指標

獲得準則層的可靠性指標后，利用加權平均的數據融合方法計算目標層的可靠性指標。航空發動機在外場使用過程中，主件與系統除了故障數目差別較大以外，對發動機整機工作的重要程度也有顯著地區別，其對可靠性的影響也不相同。因此，在由準則層指標向上融合得到目標層指標過程中，其權重系數不再僅僅由樣本量確定，而必須要綜合考慮主件、系統的故障樣本量及其重要性2個準則確定部件系統級可靠性指標的權重系數，目標層指標融合如圖3所示。

圖3 目標層指標融合

從圖中可見，在準則層(部件系統級)指標的基礎上，經過數據融合得到總體指標要確定樣本量權重和重要性權重及其綜合權重。

3.1.3.1 樣本量準則權矢量Wn

運用相同方法獲取準則層指標對樣本量準則的權矢量見表6。

表6 各類型發動機準則層樣本量權矢量

3.1.3.2 重要性準則權矢量W5

（1）構造判斷矩陣。參考國軍標GJB 241-87《航空渦噴、渦扇發動機通用規范》對故障模式嚴重程度的劃分方法，根據主件與系統故障模式對發動機安全性的影響程度定義元素的重要性，按其重要性準則構造判斷矩陣C，見表7。

（2）對各指標權重系數進行計算。將矩陣C各行向量進行幾何平均、歸一化，可得到準則層可靠性指標對重要性準則的權矢量用Ws

表7 準則層元素重要性判斷矩陣

經計算得到準則層可靠性指標對重要性準則的權矢量為Ws=（0.834，0.166），各類型發動機的準則層重要性權矢量詳見表8。

3.1.3.3 樣本量準則和重要性準則相對于總體指標的重要性權矢量Wc

根據可靠性評估中樣本量比重要性重要，來構造樣本量和重要性相對于總體指標的判斷矩陣T，見表9。

表8 各類型發動機準則層重要性權矢量

表9 樣本量與重要性準則相對于總體指標的重要性判斷矩陣

對判斷矩陣各行向量進行幾何平均、歸一化得到發動機樣本量準則和重要性準則對總體指標的權矢量為 Wc=（0.834，0.166），見表10。

3.1.3.4 綜合權矢量W

準則層對目標層的綜合權矢量為

表10 各類型發動機準則層樣本量與重要性準則相對于總體指標的重要性權矢量

利用以上各矢量的計算結果，得到各類型發動機準則層元素的可靠性指標相對于總體指標的權矢量，見表11。

3.1.3.5 目標層可靠性指標T

根據準則層可靠性指標矢量R和綜合權矢量W可以計算得到目標層可靠性指標T=WTR，計算結果見表12。

表11 各類型發動機準則層綜合權矢量

表12 各類型發動機整機MTBF指標

3.2 可靠性指標分析

3.2.1 整體指標分析

從表11中可見，國產發動機的整機MTBF高于原型發動機的，但若想繼續提高其整機可靠性水平，還需查找其可靠性薄弱環節，具體分析每個部件系統或故障多發件的可靠性指標。

從表12中可見，國產發動機除起動和滑油系統外的大部分主件和系統的MTBF均高于原型發動機的，從可靠性增長的角度考慮，若能提高起動系統的指標，則國產發動機的整機可靠性指標還會有所提高。通過分析得出，國產發動機起動系統的故障樣本量與原型發動機的相同，但其可靠性指標卻低于原型機很多，說明國產發動機起動系統故障發生的頻率較高。國產發動機滑油系統故障樣本量高于原型機的，而可靠性指標低于原型機的，說明滑油系統是國產發動機可靠性指標的薄弱環節，為該型發動機的可靠性增長工作提供了研究方向。

3.2.2 主要零部件指標分析

為了查找使用可靠性較低的零部件，結合樣本量情況，列出了樣本量較多的主要零部件的MTBF值，見表13。

表13 各類型發動機主要零部件可靠性指標

表中由小到大的規則列出了2種類型發動機主要零部件的可靠性指標。經計算得知國產發動機的整機MTBF值為221.9。國產發動機國產主要零部件中的S接頭、前軸承滑油回油泵、壓比調節器、加力燃油調節器、滑油壓差信號器、溫度控制放大器、高能點火裝置、防冰電磁活門、T1熱電偶和防喘調節器的MTBF值均低于整機指標，這些零部件是限制整機可靠性提高的部件，也是國產發動機可靠性增長的方向。

與原型機相比，國產發動機的壓比調節器、加力燃油調節器、滑油壓差信號器、高能點火裝置、12級空氣電磁活門、燃油壓差開關及7級引氣單項活門7個主要零部件的可靠性指標均低于原型發動機的。下面以S接頭、壓比調節器、加力燃油調節器和滑油壓差信號器為例分析。

3.2.1.1 S接頭

國產發動機MTBF值最低的S接頭，其樣本量也較多為17。對于國產發動機來說，S接頭既是故障多發件又是整機可靠性提高的薄弱環節。其原因分析如下：S接頭結構并不復雜，位于主燃油流量調節器到凸輪箱之間，其常見的故障是緊澀、操縱不靈活，但該接頭的緊澀故障無法通過調整排除，只能換件；另外，在進行故障統計與處理時發現，S接頭靈活程度是否滿足要求沒有專用工具進行測量，僅僅是通過人為感知來判斷，而不同的人感覺不盡相同，所以，是否需要更換S接頭的結論也不統一。經調查發現，同樣使用該型發動機的2個飛行團，1個團S接頭的更換數量較多，而另1個團則相對較少。因此，在所有更換的S接頭故障中，某些故障可能不需要更換；另外，新出廠的發動機，其各連接結構的靈活性相對較差，經對所有S接頭故障樣本進行分析發現：部分更換S接頭故障出現在新發裝機后的很短時間內，一般是新發裝機時的試車或者工作十幾個小時以內，這也是導致該部件可靠性指標低的原因。

由此可知，如若工廠或相關單位開發了測量S接頭靈活程度的專用工具，并且給出具體的數據范圍，那么在外場工作中S接頭靈活程度是否正常就有據可依，排除了人為主觀因素的影響，S接頭的故障樣本量一定會有所減少。除此之外，相關單位還要具體分析更換S接頭的原因，如果是機件本身質量導致的，那么還必須提高零部件的質量，排除缺陷才能有效提高其MTBF。

3.2.1.2 壓比調節器

壓比調節器屬于噴口滑油控制系統，在加力時，調節噴口面積和給加力燃油流量調節器的空氣信號發生器提供1個P3/P2信號；不加力時，使噴口滑油泵斜盤固定在4.5°的角度上，保持噴口關閉。壓比調節器工作異常時，往往會引起低壓轉差超出允許范圍、噴口抖動和加力喘振等現象，排除的方法一般可以先進行調整，即調整X6輔助釘；若通過調整的方法無法排除故障則需要換件。從外場記錄的壓比調節器調整記錄、換件記錄來看，大部分異?，F象均可通過調整X6輔助釘排除。

雖然換件的樣本量較小，但其可靠性指標仍不高，因此，結合該部件的結構及其工作原理，其可靠性指標較低的原因應該是設計生產環節的問題。附件廠可以提高該附件的可靠性指標，將對提高整機的可靠性指標有所貢獻。

3.2.1.3 加力燃油調節器

分析加力燃油調節器的故障樣本，發現大部分為漏油故障。無論是何原因導致的漏油，大部分漏油現象外場機械人員均無法排除，必須借助工廠人員通過調整或修理等方法排除故障，或是通過換件方法排除故障。由此看來，工廠提高加力燃油調節器的加工裝配質量，外場注重對其密封性的檢查維護是提高加力燃油調節器的有效途徑。

3.2.1.4 滑油壓差信號器

滑油壓差信號器發生故障時，發動機往往會出現滑壓燈異常閃亮、常亮等外部表象，其原因之一是其阻值不符合要求。因此，要想提高該附件的可靠性指標，還需要通過對大量外場故障件進行分解、詳細分析查找故障部位、原因，從而提高附件的設計環節可靠性。

4 結論

本文以某型國產發動機及其原型機的349例外場故障為基礎，利用分布法及層次分析數據融合方法分別對2型發動機的使用可靠性指標進行評估，結論如下：

（1）無論是主件還是系統，目前國產發動機的可靠性指標均高于原型機的；

（2）提高滑油和起動系統的可靠性可使國產發動機的可靠性進一步提高；

（3）提高樣本量較多且可靠性指標較低的S接頭、壓比調節器等附件的可靠性可提高國產發動機的整機使用可靠性指標；

（4）提高附件的可靠性指標，需綜合設計、生產及使用的各環節，對故障根本原因進行深入分析，進而制定可靠性指標提高的有效措施。

[1]明志茂.動態分布參數的Bayes可靠性綜合實驗與評估方法研究[D].長沙：國防科學技術大學，2009. MING Zhimao.Research on reliability synthetical assessment and qualification based on bayes analysis of dynamic distribution parameter [D].Changsha：National University of Defense Technology，2009.（in Chinese）

[2]Jeffreys H.Theory of probability[M].Oxford County：Oxford University Press，1961：35-66.

[3]Singpurwalla N D，Song M S.Reliability analysis using Weibull lifetime data and expert opinion[J].IEEE Transation on Reliability，1988，3（3）：340-347.

[4]Mann N R，Schafer R E，Songpuwalla N D.Methods for statistical analysis of reliability and data[M].New York：John Wiley，1974：76-105.

[5]DEFINETRI B.Theoryofprobability[M].NewYork：Wi1ey，1975：34-56.

[6]潘吉安.可靠性維修性可用性評估手冊 [M].北京：國防工業出版社，1995：93-203. Pan Jian.Handbook of evaluation on reliability，maintainability and usability[M].Beijing：Defence Industry Press，1995：93-203.（in Chinese）

[7]周源泉，翁朝曦.可靠性評定[M].北京：科學出版社，1990：88-96. ZHOU Yuanquan，WONG Chaoxi.Evaluation of reliability[M].Beijing：Science Press，1990：88-96.（in Chinese）

[8]江龍平.某型渦扇發動機使用可靠性評估[J].海軍航空工程學院學報，2005，20（5）：539-542. JIANG Longping，Evaluation of a turtofan engine service reliability[J]. Journal of Naval Aeronautical and Astronautical University，2005，20（5）：539-542.（in Chinese）

[9]秦海勤.基于威布爾分布法的某型發動機MTBF計算[J].燃氣輪機技術，2006，19（3）：40-43. QIN Haiqin.MTBF calculation for aero engine based on the Weibull distribution method[J].Gas TurbineTechnology，2006，19（3）：40-43.（in Chinese）

[10]王大偉.基于危害度的航空發動機可靠性評估方法研究[D].北京：北京航空航天大學，2008. WANG Dawei.Reliability evaluation method analysis on aeroengine based on damage degree[D].Beijing：Beijing University of Aeronautics and Astronautics，2008.（in Chinese）

[11]王大偉，馬艷紅，洪杰.基于危害度航空發動機可靠性評估模型及應用[J].北京航空航天大學學報，2008，34（8）：883-886. WANG Dawei，MA Yanhong，HONG Jie.Reliability assessment model and application for aeroengine based on criticality method[J]. Beijing University of Aeronautics and Astronautics，2008，34（8）：883-886.（in Chinese）

[12]謝靜，范文正，謝鎮波.某型軍用發動機使用可靠性評估[J].航空發動機，2012，38（6）：43-47. XIE Jing，FAN Wenzheng，XIE Zhenbo.Evaluation of military service reliability[J].Aeroengine，2012，38（6）：43-47.（in Chinese）

[13]Murthy D N P，Bulmer M，Eccleston J A.Weibull model selection for reliability modeling[J].Reliability Engineering&System Safety，2004，86（8）：257-267.

[14]宋兆泓，洪其麟.發動機可靠性工程研究[M].北京：北京航空航天大學出版社，1989：113-165. SONG Zhaohong，HONG Qiliin.Study of engine reliability engineering [M].Beijing:Beihang University Press，1989：113-165.（in Chinese）

[15]夏飛，張玲芳，楊艷華.AIC準則在數據融合中的應用[J].上海電力學院學報，2007，23（3）：261-264. XIA fei，ZHANF Lingfang,YANG Yanhua.AIC criteria in the application of data fusion[J].Journal of Shanghai University of Electric Power，2007，23（3）：261-264.（in Chinese）

[16]Akaike H.Factor analysis and AIC[J].Psychometrik，1987，（52）：97-104.

（編輯：肖磊）

Comparative Analysis on Service Reliability of a Homemade Engine and its Prototype

XIE Jing，QIN Hai-qin，XU Ke-jun
（Qingdao Branch of Naval Aviation Engineering Institute，Qingdao Shandong 266041，China）

In order to analyze differences of reliability index between an authorised homemade engine and its prototype，the reliability evaluation model of the aeroengine was built by analytic hierarchy process based on components system importance.Based on failure data of the homemade engine and its prototype in the field,the service reliability index was evaluated by data fusion including comprehensive application distribution,sample amount weighted and importance weighted.The results show that the general reliability index of the homemade engine is higher than that of its prototype,the index of pressure ratio controller and lubricant pump are also lower than that of its prototype.It is an effective way to improve similar component reliability index.

reliability index；analytic hierarchy process；data fusion；aeroengine

V 240.2

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2015.05.019

2014-12-22

謝靜（1975），女，碩士，主要從事航空發動機可靠性評估、狀態監控與故障診斷等工作；E-mail：xie_1919@126.com。

謝靜，秦海勤，徐可君.某型國產發動機與其原型機使用可靠性對比分析[J].航空發動機，2015，41（5）：92-97.XIE Jing，QIN Haiqin，XU Kejun.Comparative analysis on service reliabilityofa homemade engine and its prototype [J].Aeroengine，2015，41（5）：92- 97.