基于威布爾分布的波音737NG飛機IDG競爭性故障模型研究

雷彤

摘要：利用737NG機隊IDG近七年的非計劃更換數據，對IDG的各部件失效機理進行探究，利用非線性秩和線性回歸方法分別為IDG易損部件建立威布爾分布模型，得到其形狀參數和尺度參數。進而在競爭性故障下，得到737NG機隊IDG的失效函數和失效率函數，為維修計劃的調整提供必要的理論依據。

關鍵詞：可靠性分析；737NG IDG.威布爾分布；競爭性故障

1 IDG工作機理簡述

IDG是一個由液壓機械恒速傳動裝置（CSD）和一個滑油冷卻的無刷交流發電機裝置組成的組件。IDG還包括一個永磁發電機（PMG），用于控制并向主發電機提供激勵電源。CSD和發電機部件的潤滑和冷卻是由同一滑油管路完成的。CSD以24000rmp的恒定轉速轉動發電機。發電機提供115V/200V交流、400Hz電源，額定功率90kVA。IDG存在低滑油壓力或欠頻時，驅動燈亮，需要人工斷開。當IDG存在高滑油溫度時自動熱斷開。

由圖1可知，IDG由CSD轉動PMG馬達，當PMG馬達轉動時，在PMG定子的三相繞組中產生交流電，該交流電供給GCU。GCU內部的電壓調節器將交流電變壓并整流成直流電。直流電在發電機控制繼電器GCR關閉時，進入勵磁繞組，主發電機激勵器（定子）繞組中的直流電產生靜止的磁場，該磁場在激勵器轉子（電樞）的繞組中產生三相交流電。轉子中的旋轉整流器將交流電轉成直流。直流電供給到主發電機勵磁繞組，磁場繞組中的電流產生旋轉磁場。旋轉的磁場在主發電機定子中產生交流電。

IDG整體來看相當于一個小系統，由滑油、恒速、發電三套系統組成，三套系統并聯，每套系統又是由多個部件串聯而成。滑油、恒速、發電三套系統中任一易損部件失效就會導致IDG故障，故障產生機理類似木桶原理，系統可靠性由可靠性最低的部件決定。

2 lDG失效機理探究

根據近七年的送修報告，IDG故障的主要原因為泵和馬達組件損壞、轉子損壞、輸入軸封嚴損壞、壓力電門損壞，如圖2所示。這四種失效原因占IDG總故障的89%，現對這四種失效模式分別按威布爾分布建模，得出每種失效模式的失效函數。

2.1 泵和馬達組件損壞

泵和馬達組件是IDG恒速傳動裝置的主要部件。泵和馬達組件的結構形式為斜盤柱塞泵，主要作用是為差動游星齒輪提供速度補償，以保持輸出轉速不變，主要失效形式為柱塞缸體磨損，柱塞、止動塊等損壞超標。失效的主要原因是由于長時間作動，導致金屬件磨損超標。

近七年的統計中，泵和馬達組件失效39次，占故障總數的30%，圖3所示為失效時間散點圖。從圖中可知，故障使用時間低于10000FH的只有兩次，使用時間分別為3671.74FH和5211.21FH（圖3中的×標記點），這兩次都與第三方修理廠二次故障修理有關。OEM有一次泵和馬達的二次修理，使用時間為11872.25FH，表明OEM的修理質量較好。

OEM頒布SB 90EGS021-24-20，要求將有銅質襯套的柱塞缸體更改為無銅質襯套的柱塞缸體并升級了柱塞。目前的柱塞缸體內壁上有一層銅質襯套，長時間作動后容易磨損，柱塞缸體磨損后產生的銅質碎屑與某些牌號滑油中的添加劑在一定溫度下會發生化學反應產生化合物，加劇缸體的磨損，查詢返修報告，近七年共發生9起因固定斜盤端柱塞缸體孔磨損導致的故障，缸體磨損失效的時限在11000～22000FH之間，主要集中在13000FH附近。波音737-SL-24-208要求將有銅質襯套的柱塞缸體更改為無銅質襯套的柱塞缸體，并升級了柱塞，這樣可以提高部件的使用壽命，并防止產生化合物造成壓差指示器（DPI）頻繁彈出。波音737-SL-24-189允許DPI彈出三次而無需更換IDG，將DPI復位后，以100小時為間隔連續進行4次檢查，如DPI未彈出，可恢復至正常的檢查間隔。查詢故障記錄共發生20次IDG彈出故障，16次檢查油濾無異物，有4次因發現金屬屑而更換IDG。執行本改裝，波音不提供索賠，改裝成本為35434美元，成本較高[4]。

泵和馬達組件累計失效率如圖4所示。根據平均秩次和線性回歸法確定兩參數威布爾分布參數，得出泵和馬達的可靠性函數為：

由上式可得β1=3.62>1，說明泵和馬達的損傷失效為增函數，對應為損耗失效[1]。

2.2 轉子損壞

轉子損壞占全部數據的22%。這里的轉子主要是指勵磁轉子、主轉子、二極管轉子組件（不包含永磁轉子），失效的主要形式是繞組短路或開路、電阻過高或過低等電氣線路故障。

如圖5所示，轉子使用時間4000FH以下損壞的有8次，其中6次為第三方修理廠二次修理導致（圖5中×標記點），全部為15年（含）之前修理的，咨詢航材，某公司在2015年對成都第三方修理廠進行IDG質量警告后，第三方修理廠調整了IDG內部核心部件（轉子和定子）的翻修轉包方向，現由原制造廠家愛爾蘭香儂翻修，目前尚未出現15年返修后轉子損壞情況。

除了修理廠返修質量導致的原因外，轉子損壞累積失效概率分布如圖6所示。

根據平均秩次和線性回歸法確定兩參數威布爾分布參數，得出轉子的可靠性函數為：

由上式可得β2=1.3 872>1，說明轉子的損傷失效為增函數，對應為損耗失效[1]。

2.3 輸入軸封嚴失效

輸入軸封嚴失效占IDG失效的21%，主要失效形式是密封面損壞或封嚴密封面產生浮泡，碳封嚴失效時間主要集中在兩個區域，5000FH以內和11000FH之后。

5000FH以內失效形式主要為封嚴的密封面損壞。據修理廠家反映安裝碳封嚴時，要和輸入軸配合安裝，工藝要求較高。如果裝配不好，容易造成碳封嚴損壞，IDG再次滲漏。針對碳封嚴的早期失效，一方面將近幾年因裝配原因導致的失效數據反饋給修理廠家，要求廠家提高碳封嚴的裝配工藝，另一方面在IDG安裝工卡中要求維修人員安裝時注意保護好輸入軸，防止輸入軸受到過大的側向力而損壞碳封嚴，降低IDG的使用時間。

碳封嚴11000FH之后的失效形式主要為封嚴密封面產生浮泡。碳封嚴目前有兩種構型，一種普通的構型，一種Hydropadseal構型。UTAS為了解決普通構型的碳封嚴處容易漏油的問題，在2002年5月推出了新構型Hydropad seal的碳封嚴。序列號在2648之后的IDG都安裝了這種新構型的碳封嚴。新構型的碳封嚴容易出現起泡問題，導致輸入軸漏油。針對封嚴密封面浮泡問題，將繼續跟蹤UTAS的改進計劃[4]。

由圖7可以看出，輸入軸封嚴的失效率接近常數，導致累積失效率增量變化小。

根據平均秩次和線性回歸法確定兩參數威布爾分布參數，得出碳封嚴的可靠性函數為：

由上式可得β3=1.056≈1，因為碳封嚴存在早期失效和損耗失效，所以整體上看碳封嚴失效率趨近與常數，失效類型為隨機失效[1]。

2.4 壓力電門

壓力電門P/N： 713442用來探測IDG中的低壓。當IDG中壓力正常，電路處于開路狀態；當IDG中壓力低于預設壓力，活塞在彈簧力的作用下運動，閉合電路，并給GCU送去一個信號。

壓力電門失效一般為電門觸點接觸不良。目前的壓力電門是非密封式的結構，容易受油液污染后導致接觸不良。

壓力電門失效時間在10000FH小時以下的僅有兩次，均為修理廠二次修理導致。如圖8所示，×為第三方修理廠修理，使用時間1802.62FH；△為OEM原廠修理，使用時間9087.34FH。

參考737NG-FTD-24-10002，非密封結構的壓力電門浸泡在滑油中，如果液壓油有污染物，會導致電門觸點接觸不良。波音和UTAS重新設計了密封結構的壓力電門P/N1709335，后升級為P/N 5915373-1，但該電門存在壓力開關粘連和引接線斷裂等問題。目前最新型的壓力電門P/N 5915373-2升級了活塞和外殼材質，更新了陽極化處理工藝，并調整了內部的微動電門，于2016年2月裝在747/767 IDG上，截至2017年7月底未發現因新電門導致的IDG故障。后續將咨詢波音和廠家是否將新電門引入737機隊[4]。

目前CMM24-16-06 check3中包含了壓力電門的測試步驟，每次送修IDG時都會檢查此電門。

壓力電門累計失效率如圖9所示。根據平均秩次和線性回歸法確定兩參數威布爾分布參數，得出壓力電門的可靠性函數為：

由上式可得β4=3.63545>1，壓力電門為損耗失效[1]。

2.5 基于威布爾分布的IDG競爭性故障模型

1） IDG失效函數

根據IDG失效分析，IDG主要有四種故障模式，每種故障模式的失效機理都獨立地作用于系統，且每種故障類型都對應一定的失效時間，其中任何一種失效都會引起系統失效，所有的失效中，最早產生的那種失效出現時將導致系統失效[2'3]，即

T= min{T1，T2，…，T_K}

F_i（t）是T_i的累計失效分布函數，所以IDG的累積失效分布函數為

根據IDG的失效函數，繪出累積失效分布函數圖，如圖10所示。可以看出IDG的失效函數成S型，前期使用函數曲線較平滑，隨后斜率變大，表明IDG開始進入失效高峰期，失效數達到峰值后隨著樣本數量的減少，函數曲線又趨于平滑。

IDG失效密度f（t）一F（t）如圖11所示。失效密度f（t）圖形近似為正態分布，隨著IDG使用時間的增加，單位時間內失效的個數不斷增加，在21000FH達到峰值，所以應在此時間之前找到合適的修理點。

對失效密度函數f（t）繼續求導，得到失效密度的變化趨勢，如圖12所示。計算得到13600FH為f（t）導數函數的第一個拐點，表明13 600FH附近失效密度函數變化最大，所以可以考慮對使用時間到達13600FH的IDG進行預防性送修。

IDG失效函數應用舉例：

某公司機隊有108架飛機，在翼216個IDG，n=216，機隊在At時間內失效的個數為：

即：N_F=[F（t1+△t）-F（t1）]+[F（t2+△t）-F（t2）]+…[F（t_n+△t-F（t_n）]

通過機隊在At時間內失效個數的公式，可以計算出航材需要保證庫存備件的數量。據了解，OEM修理廠平均送修周期31天，第三方修理廠平均送修周期25天，OEM修理占34%，第三方修理廠占66%，則平均送修時間為31×34%+25×66%=27天，如果按一天飛行10小時來算，At-270FH，則在△t=270FH失效的IDG個數N_FF=l.3，這就要求在庫存中至少要保證兩個備件。

2） IDG失效率

通過IDG的失效函數，得到IDG系統失效率為

其中，β1=3.62，θ1=29462.98；β2=1.3872，θ2=73158.97，β3=1.056，θ3=114217.5；β4=3.63545，θ4=32687.24。得到如圖13所示的IDG失效率函數圖。可以看到，失效率曲線內凹，隨著使用時間的增加失效率曲線越來越陡，表明使用時間越長，部件失效的機率越高，部件可靠性也越來越低。

IDC失效率應用舉例：

已知某公司截至2017年8月10日機隊IDG的使用時間，在翼216臺IDG的平均失效率為：

計算得到機隊IDG的平均故障間隔時間

MTBF=（

）= 29568 FH，而目前機隊統計累計平均非計劃拆換間隔時間（MTBUR）為25658.19（見圖14），除去廠家修理報告NFF件，得出統計值MTBF跟函數計算值基本一致，這說明計算函數有效且計算精確度較高。

由失效率公式計算得到，IDG使用時間為14000FH的IDG失效率為λ（14000）= 4.76089xl0 -5。使用時間為20000FH的IDG失效率為λ（20000）=9.48617x10 -5。

雖然使用時間增加了6000FH，但λ（20000）比λ（14000）將近增加了一倍，進一步說明預防性維修是有必要的。737NGMEL24-1規定發動機驅動發電機系統，只要APU發電機工作正常且整個飛行中都使用，允許一套不工作，執行（M）（0）程序。若左右IDG在空中同時失效，這種情況超出MEL規定，對飛行安全影響較大，在此計算其發生概率。

1）考察對象：選擇某公司平均飛行航段濟南至福州，約2小時，記為T=2。

2）事件A：左發IDG空中失效，其發生概率記為P（A）。

3）事件B：右發IDG空中失效，其發生概率記為P（B）。

4）事件C：左右IDG同時失效，即事件A、B同時發生，其發生概率記為P（C）。

5）假設失效率左發λ（14000），右發λ（20000）。

由IDG工作原理可知，左右IDG獨立工作，即事件A、B獨立。

P（A）=λ（14000）.T=9.5 xl0 -5

P（B）=λ（20000）.T=1.897xl0-4

P（C）= P（A. B）= P（A）.P（B）= 1.8 xl0-8

數值P（C）為平均航段T=2時雙發IDG同時失效概率，即55355483次飛行才會出現一次，安全風險可以接受。

參考文獻

[1]趙宇，楊軍，馬小兵.可靠性數據分析教程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2009.

[2] PASCULA F.Accelerated life test planning withindependent Weibull competing risks[J].IEEE Transactions onReliability，2008，57（3）；435 -444.

[3] Bryan Dodson.WeibuIIAnalysis.ASQ Quality Press.

[4] CMM24-11-85，SB90EGS021- 24-20，737-SL-24-208，737-SL-24-189，737NG-FTD-24-10002.