航空發動機受感部延壽試驗方案研究

張生 王藝

摘要：結合航空發動機成附件壽命試驗現狀和需求，研究確定了受感部延壽流程，并重點研究了載荷剖面確定方法，首次在成品壽命試驗中引入置信度和可靠度概念，研究確定了基于威布爾分布的成附件產品的壽命試驗時間確定方法，可以合理安排試驗樣本數和試驗時數，保證壽命試驗結果可信。

關鍵詞：航空發動機；成品；延壽試驗j威布爾分布

O引言

隨著航空發動機技術成熟度的不斷提高，長壽命、高可靠性已經成為航空發動機的研制目標。航空發動機配套的成附件產品的壽命指標已高達幾萬小時。某型發動機整機試車沿用在役發動機的受感部，其壽命指標遠低于整機壽命指標要求和試車資源需求，在整機試車中頻繁更換，一方面影響研制進度，另一方面產品價格昂貴，裝機數量多，造成資源浪費。科學地開展成品延壽工作成為急需解決的問題。

首先開展機理分析，確定延壽試驗的載荷類型，通過實測數據確定常規載荷剖面和加速載荷剖面。鑒于在役在研成品壽命試驗多以考核為主而未考慮產品的分散性，使得考核結果置信度不足。本文研究確定了基于威布爾分布的成附件產品的壽命試驗時間，可以合理安排試驗樣本數和試驗時數，保證延壽結果可信，并給出試驗檢查間隔和故障判據，試驗方案設計完整。

1 試驗條件的確定

1.1 載荷確定流程

根據產品設計信息和使用信息開展FMECA，確定故障機理，進而確定敏感載荷，最后確定延壽試驗載荷剖面，流程如圖1所示。

經過分析確定，受感部敏感載荷主要包括溫度、振動載荷。為盡可能真實地模擬產品的實際使用環境，對發動機整機開展載荷測量。

1.2 載荷譜制定

考慮載荷分散性，依據實測數據制定可靠性試驗載荷剖面[1]，并依據實測溫度對載荷進行修正。確定隨機振動試驗載荷譜如圖2所示，振動總量為11.25g。

2試驗時間確定

2.1威布爾分布

威布爾分布因形狀參數的存在而具有較大的靈活性。當威布爾分布中的參數不同時，可以轉化為指數分布、正態分布等[2]。威布爾分布可以看作隨機變量較普遍的分布形式[3]，已被證明能比正態分布和對數正態分布更好地描述疲勞壽命[4]，凡因為某一局部失效或故障所引起的全局機能停止運行的原件、器件、設備、系統等產品壽命均服從威布爾分布。因此，本壽命試驗方案設計主要基于威布爾分布。產品壽命服從威布爾分布時，其累積失效分布函數為：

β為形狀參數，η為尺度參數。形狀參數反映數據分散性，形狀參數越大，分散性越小。建議國內件取形狀參數為2。有相似產品的經驗數據也可以通過分布擬合及參數評估確定形狀參數[5-6]。

2.2壽命試驗時間的確定

假設（t1，t2，…，t_n）為隨機試驗件的失效時間樣本，將其按照從小到大的順序排列，其最小次序統計量t（1）的分布函數可表示為

式中，F_t（1）為最小次序統計量t（1）的分布函數；n為試驗樣本數量。

將式（1）代人式（2）可得

令t_y為威布爾分布的最小次序統計量累積分布函數的下側置信限，y為相應的置信度，則最小次序統計量大于置信下限的風險可用式（4）表示。

P{t（1）>t_y}=1-γ

（4）

由式（3）和式（4）有

從而，在已知形狀參數β、置信度y、樣本數n和尺度參數η條件下，可得出單個試驗件試驗時間：

R（t）為不發生失效的概率，根據式（1），

則可靠壽命tR為：

tR：[-In R（t）]1/β·η

（8）

延壽目標在可靠壽命已知時，

將式（9）代入式（6），形狀參數一定時，根據試驗樣本量、置信度、可靠度要求，確定試驗時數與目標可靠壽命之間存在如下關系：

由此在已知產品壽命分布的條件下，根據產品數據和可靠度要求，即可合理確定壽命試驗時間。

此次受感部壽命初次延壽至500小時，即目標壽命500，樣本數6，β=2，根據式（10）確定不同置信度和可靠度下每個試驗件所需試驗時間，如表1所示。

取置信度和可靠度數值一致，從表1可以看出，0.75～0.8時試驗時數變化最平緩，時數在現有條件下可達，置信度和可靠度滿足安全性要求，因此初步確定當6個試驗件分別試驗至548小時無故障時，方能以80%的置信度和可靠度接受目標壽命為500小時。

3 安裝方式

試驗需要在室溫的條件下進行，試驗產品的安裝方式要盡量模擬發動機實際裝機方式，采用6個舊件同時試驗。

4 故障判據

在試驗過程中，出現下列任何一種狀態時，應判定受試產品出現故障。

1）受試產品不能工作或部分功能喪失。

2）受試產品參數檢測結果超出規范允許范圍。

3）產品的機械、結構部件或元器件發生松動、破裂、斷裂或損壞。

5 試驗檢查間隔

由于產品故障在試驗中并不能完全發現，必須定期停止試驗。要求每隔10小時進行目視檢查；150小時以下每50小時進行熒光檢查，超過150小時每25小時進行熒光檢查；視情進行X光檢查。

6 結論

研究確定的航空發動機受感部延壽試驗方法成功用于航空發動機受感部PT25延壽。初次延壽，通過248小時的內場試驗，以80%的置信度和可靠度接受PT25受感部從300小時延壽至500小時，試車結果表明，此次延壽可行。

首次將置信度和可靠度概念引入航空發動機成品壽命試驗，可以指導航空發動機成品研制中首飛、鑒定等統計類壽命考核試驗，具有較好的理論意義和工程應用價值。

參考文獻

[1]王桂華，劉海年，張大義，洪杰.航空發動機成附件振動環境試驗剖面確定方法研究[J].推進技術，2013，34（8）：1101～1107.

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[3]胡建軍，許洪斌，高孝旺.威布爾分布隨機載荷下齒輪彎曲疲勞試驗分析[J].重慶大學學報，2012，35（11），34—39

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