航空發動機可靠性定性評價分析及預測方法研究

徐小芳 高雅娟

摘要：針對航空發動機試飛可靠性定量評價與指標要求存在偏離的現狀，開展了可靠性定性評價分析及預測方法研究，提出多維度可靠性定性評價分析方法及可靠性分析預測方法，為全面系統掌握航空發動機的可靠性現狀和趨勢、摸清其可靠性底數范圍提供了有效的方法途徑，也可為后續航空發動機改進改型和研制時可靠性論證提供借鑒和參考，為推動我國航空發動機可靠性進一步提升提供技術支撐。

關鍵詞：航空發動機；可靠性；定性評價；分析預測

Keywords：aero-engine；reliability；quantitative evaluation；analysis prediction

0 引言

可靠性評價是對產品的可靠性所達到的水平進行分析和確認的過程，包括定性評價和定量評價兩個方面。其中，定量評價是利用收集的數據，采用預定的可靠性數學模型，計算出可靠性定量參數估值并與其指標要求對比后給出結論的過程；定性評價不采用數學的方法，而是根據對象的使用可靠性數據信息，通過觀察、分析、歸納與描述等方法途徑給出評價結論的過程。如果說定量評價關注“量”而走向抽象，那么，定性評價則關注“質”而走向具體，因此定性評價是更具有發展性評價的理念。本文針對航空發動機可靠性定量評價與指標要求有偏離的現狀，開展可靠性定性評價分析及預測方法研究，以探究定量評價不達標的原因，分析存在的問題和薄弱環節，為全方位多角度掌握航空發動機的可靠性水平提供方法途徑，為摸清可靠性底數提供技術支撐，以促進可靠性實現增長。

1 可靠性定性評價分析方法確定研究

關于可靠性定性評價分析的方法較多，如常用的歸類分析法、趨勢分析法、故障樹分析法等。本文在繼承現有成熟方法的基礎上，注重評價分析中試飛數據的價值挖掘和融合應用。可靠性定性評價分析方法的確定應遵循以下原則：

1）能夠從整體上把握存在的問題，提出實現可靠性增長的方向；

2）能夠抓住可靠性關鍵信息故障進行分析研究；

3）能夠開展個體的差異化研究，為整體方向落實提供具體化改進意見和建議；

4）能夠綜合考慮各方面相關因素，實現方法之間的互補，為找出可靠性薄弱環節并改進提供方法途徑，達到多維度開展可靠性定性評價分析的目的。

根據以上可靠性定性評價方法確定原則，考慮工程上的方便性和可操作性，提出可靠性定性評價分析方法，實現多維度可靠性定性評價分析，具體方法及應用說明如表1所示。

2 可靠性定性評價分析方法應用研究

2.1 目標評價分析法

目前，可靠性定量評價參數為平均故障間隔時間（MTBF），其單側置信下限MTBFL（單位h）評價模型如下：

其中，T是發動機累積工作時間，r是發動機累積責任故障數，α是選定的顯著性水平。

根據飛行試驗的特點，航空發動機試飛大綱預先規劃了試飛科目、飛行時間/架次，飛行試驗很大程度上可看作是定時截尾試驗。因此，模型（1）中的分子是一個相對固定的數據，而分母隨著責任故障數的增大而增大。可見，在試飛大綱設計完成后，減少責任故障數是實現可靠性增長的有效途徑。同時，在試飛實施結束后，按模型（1）可估算出如要達到目標航空發動機最多可允許發生的責任故障數，為發動機可靠性增長指明方向。但事實上，故障數的減少必須通過故障分析和設計更改才能實現，往往是一個艱難曲折的過程，需投入大量人力和財力開展專題攻關研究和試驗驗證。需要注意的是，當航空發動機累計工作時間小于指標要求時，即使不發生故障也難以達到指標要求，這表明充分的試驗也是保證可靠性評價的重要方面。

2.2 故障模式影響評價分析法

通過目標評價分析，認為減少責任故障是提高可靠性的有效方法途徑，必須下大力氣開展故障研究，以降低故障率，實現可靠性增長。要降低故障率，需研究試飛中出現了哪些故障，其影響包括哪些方面，這些故障能否通過設計改進減少或消除。故障模式影響分析法正是從故障入手分析其影響并提出減少故障發生的改進措施的一種方法。

故障模式是指故障的表現形式，如短路、開路、斷裂、過度耗損等，而故障影響則是故障模式對產品的使用、功能或狀態所導致的結果[1]。在工程實踐中，按照GJB/Z 1391[2]中給出的軟硬件故障模式（但不限于），對試飛中發生的每一故障進行標準化歸類，并對每一故障模式的影響從進度、安全和任務三方面分析，以從總體上掌握故障模式和影響情況，為找出故障發生的規律、發現薄弱環節并采取有效的改進措施和補償措施提供技術支持。

據統計，航空渦扇發動機的故障模式有20余種，發生頻次較高的有泄漏、超出允許值、報故和喘振等，占總故障的50%以上，其故障改進率較低，尚不到自身發生故障的15%。在發生的故障模式中，影響任務、進度和安全的故障約占70%，其中對進度影響尤為嚴重[3]。因此，需對發生頻次高及影響進度和安全的故障開展專題研究，以提高航空發動機的可靠性。

2.3 對比評價分析法

通過目標評價分析和故障模式影響分析，能整體上掌握航空發動機的可靠性水平，了解其發生的故障模式和影響。航空發動機個體可靠性如何？為此，開展航空發動機個體可靠性對比評價分析研究。

對比評價分析以不同參試航空發動機個體為研究對象，分別對其可靠性進行定量評價，分析個體差異及原因，并對標可靠性高的航空發動機，通過補短板，實現整體可靠性逐步提升。

基于試飛數據，統計分析了某型航空發動機的可靠性，發現其個體差異較大，最高和最低的可靠性相差數倍。建議借鑒美國提升渦扇發動機F100的經驗和做法[3]，開展可靠性提升研究，促進我國航空發動機整體可靠性實現增長。

2.4 綜合評價分析法

在研究航空發動機試飛特點的基礎上，綜合2種及以上適用的可靠性定性評價分析方法，得出航空發動機可靠性定性評價結論，包括：

1）可靠性整體水平定性描述；

2）故障模式及其影響分析歸納；

3）航空發動機可靠性個體差異及原因分析。

3 可靠性分析預測方法研究

隨著新試驗鑒定體系的推行，性能底數試驗已成為狀態鑒定的重要內容之一。可靠性作為裝備性能不可或缺的組成部分，摸清其底數也是新形勢下的鑒定需求。本文設想以試飛數據為基礎，分析預測可靠性的底數范圍，為航空發動機改進改型及其研制可靠性論證提供技術支持，為可靠性底數試驗驗證提供方法途徑。

可靠性分析預測的思路是以故障為切入點，按照GJB/Z 77[4]中的故障分類方法，將試飛期間發生的故障分為A類和B類故障，其中A類故障因不能經濟地降低其故障率而不進行改進，B類故障經技術、經濟和進度等方面權衡可進行改進。B類故障有多種，每種故障改進措施的有效程度用改進有效性系數表征，具體取值可通過專家打分法確定。但專家打分法存在主觀性，且組織實施有一定的難度。這里考慮到可操作性，利用工程實踐經驗估計整個B類故障的改進有效性系數d。依據國軍標和相關文獻[4，5]，d的范圍一般為0.55～0.85，為了摸清可靠性底數，可在制定改進優化方案時，取改進有效性系數極限值為1。

假設試飛期間B類故障數為K，取最小改進有效性系數d1為0.55，其對應的改進故障數為0.55K，取整后表示為K1=[0.55K]，其他改進有效性系數及其改進有效的故障數由下式確定：

其中，j=2，3，…，直到改進有效性系數大于0.85且小于1為止。

至此，可以設計制定可靠性可能的改進優化方案，具體如表2所示。

根據以上改進優化方案，在以下假設下進行預測：按照“試驗—暴露—改進—提升試驗”模式，在改進后按原試飛大綱進行提升試驗。期間A類故障的故障率不變，B類故障數按改進有效性系數相應減少，預測不同改進優化方案的可靠性結果，從而獲取航空發動機可靠性的底數范圍，為后續開展基于試飛數據的航空發動機可靠性論證提供技術支持。

以某型航空發動機狀態鑒定某段試飛為例，期間發動機累計工作時間1432h50min，發生責任故障32起，階段可靠性定量評價結果為38h。經分析確認，B類故障8起。可靠性改進優化方案及預測結果見表3。

由表3可以看出，B類故障以不同的方案改進后，預測的可靠性底數范圍為[42.9，49.3]，提高率在10%與30%之間，表明該型航空發動機可靠性水平偏低，改進措施對可靠性提高貢獻有限，也從一個側面說明需加大可靠性提升研究和試驗的人力、物力和財力投入，切實推動航空發動機可靠性增長。

4 結束語

航空發動機是裝備系統的“心臟”，可靠性對其性能的發揮具有舉足輕重的作用。本文開展了可靠性評價分析及預測方法探索性研究，期望在航空發動機改進改型等研制中，注重歷史數據價值挖掘和融合應用，實現試飛為裝備發展服務的目標，促進我國航空發動機可靠性得到令人滿意的提升，為裝備系統戰斗力的形成貢獻力量。

參考文獻

[1] GJB451A可靠性維修性保障性術語 [S].中國人民解放軍總裝備部，2005.

[2] GJB/Z 1391故障模式、影響及危害性分析指南 [S].中國人民解放軍總裝備部，2006.

[3] 徐小芳，王守敏.某型航空發動機試飛可靠性分析與評估 [J].航空維修與工程，2018（4）：41-43.

[4] GJB/Z 77 可靠性增長管理手冊 [S].國防科學技術工業委員會，1996.

[5] A W Benton，L H Crow，Integrated reliability growth testing [C]//1989 Proceedings Annual R & M Symposium.1989：160-166.

作者簡介

徐小芳，研究員，主要研究方向為飛機“六性”評估技術。