民用航空發(fā)動機持續(xù)適航維修特性評估

馬 超，王玉娜，張雄飛，姜春生

（中國民航大學航空工程學院1，飛行技術(shù)學院2：天津300300）

0 引言

民用航空發(fā)動機在全壽命周期內(nèi)，必須滿足適航要求。適航分為初始適航和持續(xù)適航[1]。在國際民航組織《適航手冊》（Airworthiness Manual DOC9760）中給出了持續(xù)適航的詳細解釋：持續(xù)適航涵蓋了為保證航空器在全壽命期間的任何時候遵守現(xiàn)行有效的適航要求、并處于安全運行狀態(tài)的所有工作過程。其中，維護和維修是保證持續(xù)適航的重要手段之一[2]。

美國和歐洲具備成熟的民用航空器制造能力，基于積累的大量數(shù)據(jù)，建立了較為完備的持續(xù)適航體系，相關(guān)學者圍繞適航體系的符合性驗證和適航條例的執(zhí)行細節(jié)開展了一些工作[3-5]。中國適航體系研究集中在初始適航理論構(gòu)建與適航符合性驗證等，在民機材料結(jié)構(gòu)設計、機載設備、使用環(huán)境等的符合性驗證方面得到了一些研究成果[6-8]。但是，中國持續(xù)適航領域研究進展緩慢，主要集中在持續(xù)適航文件制定[9]、條款驗證[10]等方面，以及基于數(shù)據(jù)的持續(xù)適航性能研究[11]。

民用航空發(fā)動機維修是為保證發(fā)動機及部件在設計可靠性和安全水平上持續(xù)執(zhí)行預定功能而進行的工作[12]。維修特性指用于描述維修工作的核心內(nèi)容與關(guān)鍵指標，可以根據(jù)適航階段分為初始適航與持續(xù)適航。維修特性包括但不限于維修可靠性數(shù)據(jù)、維修間隔、維修方式、故障類型、排故措施等。中國民用航空發(fā)動機的維護維修嚴格執(zhí)行OEM提出的要求，在持續(xù)適航維修工程領域尚未形成技術(shù)體系。持續(xù)適航維護維修關(guān)鍵技術(shù)依賴于發(fā)動機運行過程中形成的大量數(shù)據(jù)，航空公司雖然擁有大量數(shù)據(jù)，但很少對其挖掘分析，另外，單一航空公司難以形成具有研究價值的樣本量規(guī)模，而不同航空公司之間數(shù)據(jù)共享受到各種限制。因此，收集中國民航發(fā)動機維護維修數(shù)據(jù)，開展對持續(xù)適航維修特性評估方法研究，具有一定的工程應用價值。

本文應用因素分析法，基于卡方檢驗和廣義Logistic模型等，構(gòu)建了1種持續(xù)適航維修特性的評估方法，并對國內(nèi)民用航空發(fā)動機風扇葉片維修記錄數(shù)據(jù)進行篩選和分析評估。

1 持續(xù)適航維修特性評估方法

民用航空發(fā)動機持續(xù)適航維修過程貫徹以可靠性為中心（Reliability Centered Maintenance，RCM）的維修理論[12]，即RCM原理。RCM原理強調(diào)預防性維修的理念，希望能夠從大量維護維修數(shù)據(jù)中找到維修特性的某種規(guī)律，進而指導持續(xù)適航過程中的預防性維修工作。

持續(xù)適航維修特性影響因素大致分為2類：設計階段決定的設計因素和使用過程外界環(huán)境造成的使用因素。本文中維修特性的評估也將圍繞上述2類影響因素展開，具體包括3個步驟：

（1）對某關(guān)鍵指標的持續(xù)適航維護維修記錄數(shù)據(jù)進行預處理，包括：對數(shù)據(jù)缺失值進行篩選，將數(shù)據(jù)種類標準化，確定指標特征，對大量數(shù)據(jù)中值得關(guān)注的數(shù)據(jù)采用聚類方法進行處理等。在對數(shù)據(jù)預處理之后，采用因素分析法建立對影響持續(xù)適航維修特性各因素的評估方法。

聚類方法考慮持續(xù)適航維修數(shù)據(jù)中具有較為明顯量化特征的數(shù)據(jù)，采用k均值原型聚類的算法，假設聚類結(jié)構(gòu)能通過1組原型刻畫，利用目標使平方誤差最小化，即有[13]

（2）構(gòu)建持續(xù)適航維修中不同影響因素之間的相關(guān)程度分析模型。主要通過實際調(diào)研和分析，確定相關(guān)因素的類型，從收集的維修記錄中篩選此類因素，建立相關(guān)程度分析的數(shù)學模型，得到不同參數(shù)的相關(guān)程度系數(shù)，進而判斷不同因素之間的關(guān)系。

在數(shù)學模型的選擇方面，根據(jù)具體數(shù)據(jù)在數(shù)理統(tǒng)計分析特性中的樣本容量與理論頻數(shù)，分別采用皮爾遜卡方檢驗、連續(xù)性校正的卡方檢驗和FISHER確切概率法。具體如下：當樣本容量n>40，且理論頻數(shù)T>5時，用皮爾遜卡方檢驗；當n>40，但1

（3）構(gòu)建持續(xù)適航維修中不同因素之間的差異化程度分析模型。在已經(jīng)確定的影響持續(xù)適航維修不同因素的基礎上，基于廣義Logistic模型，假設某類樣本量最大的數(shù)據(jù)具有更為可信的分布規(guī)律，將其它類型的影響因素與其進行廣義Logistic模型的預測分析，研究不同影響因素的差異化程度，挖掘影響因素之間的深層數(shù)據(jù)關(guān)系。

廣義Logistic模型可用于2總體的判別分析，對總體分布的條件限制較弱，適用于多類型的數(shù)據(jù)。其標準分布的概率密度函數(shù)[14]如下

式中：自變量 -∞0，為增長速度因子；姿 為形狀因子。

2 民用航空發(fā)動機風扇葉片硬物沖擊損傷

民用航空發(fā)動機風扇葉片在使用過程中存在外來物的沖擊損傷現(xiàn)象（Foreign Object Damage，F(xiàn)OD），外來物沖擊損傷根據(jù)損傷源可分為軟體沖擊損傷和硬物沖擊損傷。其中，硬物沖擊損傷表現(xiàn)為常見的缺口、凹坑、刻痕等局部的機械損傷。

統(tǒng)計整理了近20年來航線和大修廠工作過程中保留的共計1765例FOD數(shù)據(jù)，涵蓋的發(fā)動機類型有CF34、CFM56-3、CFM56-5、CFM56-7、TRENT700 和V2500等16類發(fā)動機。有效數(shù)據(jù)應包含較為完整的能夠描述維修特性的可量化的信息，并能夠形成一定的樣本量規(guī)模。

從中選取樣本量最大的6類發(fā)動機的數(shù)據(jù)，包括的 發(fā) 動 機 類 型 有 CF34、CFM56-3、CFM56-5、CFM56-7、TRENT700和V2500，最終樣本量確定為355例[15]。

風扇葉片硬物沖擊損傷根據(jù)損傷后的表現(xiàn)形式，參考發(fā)動機維修手冊的定義，可分為凹坑（dent）、撕裂（tear）、缺口（notch）、刻痕（nick）、彎曲變形（bent）5種類型。另外，在航空公司維修數(shù)據(jù)中，有些數(shù)據(jù)未能明確說明損傷類型，此類數(shù)據(jù)定義為“不能確定（unknow）”，最終，風扇葉片損傷類型分為6種[16]。

不同損傷類型采用的損傷處理方式也不同，針對硬物沖擊損傷，航空公司持續(xù)適航維護維修過程中常見的處理方式包括未超標放行、打磨維修、更換葉片3類。3類損傷處理方式如下：

（1）未超標放行：損傷類型與損傷尺寸在發(fā)動機維修手冊的允許范圍內(nèi)，一般采用直接放行，保留一定的飛行循環(huán)觀察。如果遇到材料缺失會登記材料缺失清單，作為定檢或返廠修理時的參考依據(jù)。

（2）打磨維修：超過放行標準，但又在手冊維修范圍標準內(nèi)的損傷，一般采用打磨的維修方式，打磨后的損傷尺寸滿足修理手冊標準要求即可放行。

（3）更換葉片：對于超出手冊規(guī)定的損傷類型，或超出維修范圍標準的損傷，采取直接更換葉片的維修方法。更換葉片要考慮配平要求，一般采用成對更換、順序調(diào)整或裝配配重螺釘?shù)确椒ā?/p>

將確定的355例樣本量數(shù)據(jù)按照發(fā)動機類型、損傷類型、損傷處理方式進行統(tǒng)計分析，統(tǒng)計分布結(jié)果如圖1所示。

圖1 發(fā)動機類型、損傷類型、損傷處理方式統(tǒng)計分布

3 持續(xù)適航維修特性評估

風扇葉片硬物沖擊損傷持續(xù)適航維修特性評估主要考慮的設計因素和使用因素有發(fā)動機類型、損傷類型和損傷處理方式。

3.1 損傷類型與損傷處理方式

3.1.1 相關(guān)程度評估分析

355例樣本量按照損傷類型與損傷處理方式統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表1。

表1 發(fā)動機損傷類型與損傷處理方式統(tǒng)計

圖2 發(fā)動機損傷類型中損傷處理方式百分比分布

采用連續(xù)性校正的卡方檢驗計算相關(guān)程度，卡方值字2=81.95，顯著性p<0.001，達到顯著，說明發(fā)動機損傷類型與損傷處理方式之間存在相關(guān)性，關(guān)聯(lián)度系數(shù)Cramer'sV=0.387，為中等程度關(guān)聯(lián)。

每類發(fā)動機損傷類型中損傷處理方式百分比分布如圖2所示。

從圖中可見，不同損傷類型的損傷處理方式出現(xiàn)了明顯的區(qū)分度：

（1）缺口損傷的維修方式更傾向于打磨維修，而未超標放行與更換葉片2種維修方式的百分比大致相當。相比缺口損傷，凹坑與刻痕2種損傷類型采用未超標放行的情況更多。說明在3種損傷中，缺口損傷容易使風扇葉片超出維修標準，在實際維護維修中更值得注意。

（2）撕裂損傷的表現(xiàn)形式?jīng)Q定了其無法采用打磨維修的維修方式，而只能直接更換葉片。

（3）彎曲變形相對于其它損傷類型而言未超標放行的比例最高，這是由于硬物沖擊損傷造成的風扇葉片彎曲變形量往往較小，一般符合未超標放行的要求。3.1.2 差異化程度評估分析

對損傷類型與損傷處理方式的差異分析采用廣義Logistic模型的回歸分析方法，將樣本量最大的缺口損傷且采用打磨修理損傷處理方式的樣本量作為對照組的基準樣本量。通過將其它損傷類型和損傷處理方式與其對比分析，找出之間的差異性。

廣義Logistic模型回歸分析方法首先進行估計參數(shù)的判斷，若只有常數(shù)項的無效模型與最終模型的擬合標準值存在顯著變異，且顯著性明顯，則模型具有擬合意義。模型的似然比檢驗結(jié)果見表2。

表2 總模型的似然比檢驗結(jié)果

從表中可見，最終模型與只含有常數(shù)項的無效模型相比，變異由118.226下降到38.2，似然比卡方檢驗顯著性p<0.001，說明至少有1個自變量的系數(shù)不為0，模型有意義。

損傷類型與損傷處理方式差異分析參數(shù)估計結(jié)果見表3。

表3 發(fā)動機損傷類型與損傷處理方式差異分析結(jié)果

從表中可見，彎曲變形損傷比缺口損傷更高概率采用未超標放行的處理方式，存在差異量（B=2.278，字2=4.798，p<0.05），其中回歸系數(shù)B=2.278表示彎曲變形損傷采用未超標放行處理方式的概率是缺口損傷類型的2.278倍。

另外，撕裂損傷相比缺口損傷更傾向于采用更換葉片的處理方式，撕裂損傷采用更換葉片處理方式的概率是缺口損傷類型的5.579倍。

3.2 發(fā)動機類型與損傷處理方式

風扇葉片的設計與制造工藝會存在較大差異，以至于對風扇葉片的損傷容限也有很大不同。因此，統(tǒng)計分析發(fā)動機類型與損傷處理方式之間的關(guān)系，能夠?qū)Πl(fā)動機預防性維修工作提供有效的技術(shù)參考。

3.2.1 相關(guān)程度評估分析

將355例樣本量按照發(fā)動機類型與損傷處理方式統(tǒng)計，數(shù)據(jù)分布見表4。

表4 發(fā)動機類型與損傷處理方式統(tǒng)計

采用連續(xù)性校正的卡方檢驗計算相關(guān)程度，卡方值 字2=34.556， 顯 著 性p<0.001，達到顯著，說明發(fā)動機類型與損傷處理方式之間存在相關(guān)性。關(guān)聯(lián)度系數(shù)Cramer'sV=0.231，為中等程度關(guān)聯(lián)。

圖3 發(fā)動機類型中損傷處理方式百分比分布

每個發(fā)動機類型中損傷處理方式所占百分比分布如圖3所示。

3.2.2 差異化程度評估分析

發(fā)動機類型與損傷處理方式的差異化程度評估分析選擇統(tǒng)計樣本量最多的CFM56-7系列發(fā)動機且采用打磨修理損傷處理方式的樣本作為對照組的基準樣本量。

首先進行估計參數(shù)的判斷，結(jié)果見表5。

表5 總模型的似然比檢驗結(jié)果

從表中可見，最終模型與只含有常數(shù)項的無效模型相比，變異從77.719下降到43.163，似然比卡方檢驗顯著性p<0.001，說明至少有1個自變量系數(shù)不為0，模型是有意義的。

發(fā)動機類型與損傷處理方式差異分析參數(shù)估計結(jié)果見表6。

表6 發(fā)動機類型與損傷處理方式差異分析結(jié)果

從表中可見，CF34、CFM56-3、V2500 系列發(fā)動機比CFM56-7系列發(fā)動機更傾向于采用更換葉片的方式，之間存在某種差異，回歸系數(shù)B=1.358，B=1.540，B=2.051），表示 CF34、CFM56-3、V2500 系列發(fā)動機采用更換葉片處理方式的概率分別是CFM56-7系列發(fā)動機的1.358、1.540和2.051倍。

如果從制造工藝方面分析，CFM56-7發(fā)動機采用寬弦風扇葉片，相比于CFM56-3發(fā)動機的窄弦風扇葉片，風扇葉片的損傷容限得到明顯改善。另外，與V2500發(fā)動機相比，由于不同的風扇葉片設計與制造技術(shù)，CFM56-7發(fā)動機風扇葉片具有更好的維修性與適應性。

3.2.3 缺口損傷中發(fā)動機類型與損傷處理方式相關(guān)程度評估分析

針對樣本量最大的缺口損傷類型，分析該損傷類型下發(fā)動機類型與損傷處理方式之間的相關(guān)性，如果二者存在相關(guān)性，可以推斷如果一旦發(fā)生缺口損傷，某類型發(fā)動機有著更大的可能性需要采用對應的損傷處理方式，有利于發(fā)動機預防性維修工作的開展。

在缺口損傷類型中，不同類型發(fā)動機的損傷處理方式數(shù)據(jù)統(tǒng)計分布見表7。

表7 缺口損傷中發(fā)動機類型與損傷處理方式統(tǒng)計

采用連續(xù)性校正的卡方檢驗計算相關(guān)程度，卡方值字2=29.482，顯著性p=0.001，達到顯著，說明缺口損傷類型下，發(fā)動機類型與損傷處理方式之間存在相關(guān)性。關(guān)聯(lián)度系數(shù)Cramer'sV=0.289，為中等程度關(guān)聯(lián)。

在缺口損傷類型中不同類型發(fā)動機的損傷處理方式所占百分比的分布如圖4所示。

通過上述相關(guān)程度評估分析，得到以下結(jié)論：

圖4 缺口損傷中發(fā)動機類型損傷處理方式百分比分布

（1）缺口的損傷處理方式呈現(xiàn)多樣化分布，從發(fā)動機風扇葉片相關(guān)的維修手冊中能夠得以體現(xiàn)，對于不同尺寸的缺口，手冊中會提供不同的處理方式。

（2）CFM系列發(fā)動機出現(xiàn)硬物沖擊損傷之后，采用打磨修理的概率要大于更換葉片的，而V2500系列發(fā)動機的打磨修理與更換葉片概率較為接近，說明了CFM系列發(fā)動機在維修性和適用性方面有一定優(yōu)勢。而在航空公司實際調(diào)研過程中，機務人員普遍反映V2500發(fā)動機損傷容限較小，相比CFM系列發(fā)動機，其維修性與適應性偏差，因此，分析結(jié)果與實際調(diào)研結(jié)果吻合較好。

4 結(jié)論

本文采用因素分析法建立了民用航空發(fā)動機持續(xù)適航維修特性的評估方法，利用發(fā)動機風扇葉片硬物沖擊損傷持續(xù)適航維修數(shù)據(jù)對方法進行了驗證，得到以下結(jié)論：

（1）通過對風扇葉片硬物沖擊損傷類型與損傷處理方式相關(guān)程度與差異程度分析，表明不同損傷類型表現(xiàn)出較為明顯的確定的損傷處理方式，其中撕裂損傷幾乎全部采用更換葉片的處理方式，這與該損傷的表現(xiàn)形式以及其對風扇葉片的力學性能危害存在密切聯(lián)系。

（2）通過對發(fā)動機類型與損傷處理方式之間的相關(guān)程度與差異程度分析，表明不同類型發(fā)動機風扇葉片對相同損傷存在不同的損傷容限。由于發(fā)動機風扇葉片不同的設計與制造技術(shù)，不同發(fā)動機廠家的風扇葉片對相同損傷有著不同的損傷處理方式需求。此外，同樣的發(fā)動機廠商在風扇葉片制造技術(shù)提高之后，也相應地提高了風扇葉片的損傷容限。