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综述在航空发动机中运用可靠性工程的重要性及对策

2020-03-02 416 上传者：管理员

摘要：航空发动机作为为飞行器提供飞行动力的一种高度精密且结构复杂的机械设备，其可靠性水平直接影响着飞行器的安全性以及综合性能，因此为了提高飞机整体性能并促进国内航空工业发展，提高航空发动机的可靠性显得尤为重要。基于此，文章对可靠性工程中的可靠性试验及故障树分析方法进行了分析和研究，随后重点介绍了可靠性试验以及故障模式和影响分析在发动机中的应用，以供参考。

关键词：
可靠性工程
可靠性试验
故障模式影响分析
航空发动机
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1、引言

发动机是飞机的“心脏”，长时间工作在高温、高压、高强度的环境中，一旦航空发动机出现故障，将会严重影响飞机的飞行安全性，因此有必要提高航空发动机的可靠性水平以减少发动机发生故障的概率。影响航空发动机可靠性水平的因素有很多，需要运用系统可靠性工程来提高航空发动机的可靠性。我国航空发动机工业与国外发达国家相比起步较晚，发动机的寿命等可靠性技术指标相对落后，虽然近些年我国在材料以及航空发动机的制造工艺上水平正不断提高，但与美国、英国等国家相比，仍然有一定差距。提高航空发动机的可靠性水平对于提高我国航空工业的整体水平，缩小与国外发达国家之间的差距至关重要。本文主要综述了可靠性工程的一些基本概念，并重点介绍了可靠性工程在航空发动机中的应用。

2、可靠性工程基本理论

2.1 可靠性试验

可靠性试验是通过各种试验来了解产品在特定条件下的工作状态及工作持续时间，并通过已经获得的信息来对产品进行结构优化来提高产品可靠性的试验方法^[1]。可靠性试验适用范围广泛，常被应用于机械、电子等各种行业中，它可以提前发现产品由于设计缺陷、材料质量低下等问题，并加以改进、优化从而提高产品可靠性水平。可靠性试验种类繁多，主要包括可靠性强化试验、环境应力筛选以及加速寿命试验。

可靠性强化试验起源于20世纪90年代初，美国波音公司为了减少费用并在早期得到可靠性高的产品而提出了可靠性强化试验^[2]。可靠性强化试验是通过对产品施加超过真实工作环境的工作应力，从而暴露出产品的潜在缺陷或薄弱环节，然后针对所暴露出的问题对产品进行改良，从而提高产品可靠性的试验手段。可靠性强化试验能够大幅减少开发成本，检查和排除产品在设计中的缺陷，但它也不能发现产品存在的全部缺陷，而且部分行业缺乏较为统一的施加环境应力的标准等问题。

环境应力筛选是通过施加高环境应力来发现有故障、缺陷的产品并将有缺陷的产品排除掉的试验方法。环境应力筛选与其他可靠性试验不同的地方，就是在筛选后，不合格的产品将被淘汰掉，而非进行修改，环境应力筛选的筛选对象是每个产品个体，通过删减不合格产品以提高产品整体的可靠性。因此，环境应力筛选实质上并不能直接提高产品可靠性，但它在间接上，通过减少故障产品来提高产品可靠性。加速寿命试验是在保持产品失效机理不变的条件下，通过施加高应力来缩短试验周期的一种寿命试验方法^[3]。加速寿命试验可以快速地使产品达到使用寿命极限，加速后的寿命通过一定的转换关系得到产品在正常工作应力下的寿命。转化关系的合理性将直接影响估算的产品寿命准确性，因此优化改进转化关系是加速寿命试验中需要研究的重要课题。

2.2 故障树分析

故障树分析法最初由贝尔电话试验室的H.A.Watson提出^[4]，它在产品的设计阶段，分析可能导致产品出现故障的原因，并以树状框图的形式表现出来，并通过数学方法计算故障事件发生的概率。通过故障树，可以清晰地了解产品故障的各种原因及其内在联系，便于对产品进行结构改进优化，以达到提高可靠性的目的。在故障树建树时，一般要先了解掌握系统，然后选择顶事件，即可能会出现的故障，再逐层分析导致顶事件发生的底事件。具体原则为先分析直接导致顶事件发生的原因，再分析导致上一层顶事件发生的底事件，直至不可再分出底事件为止。在进行故障树分析时，对于体系较小的故障树，操作简便易行，但大多数情况，故障原因多样，导致故障树结构复杂，计算任务大，以人工操作难以保证计算数据的精确性，因此，一般故障树分析过程常在电脑上完成。目前国内的故障树分析法仍处于一个待发展完善的阶段，主要问题表现在国内发动机相关数据不够充分，可借鉴资料不足，导致部分故障原理分析不够透彻，给改进工作带来一定阻力。

3、可靠性工程在航空发动机中的应用

3.1 可靠性试验在航空发动机中的应用

航空发动机的工作环境具有高温、高压等特点，这对航空发动机的可靠性水平提出了很高的要求。据统计，国内航空发动机因成品问题导致的故障占整个飞机故障的70%~80%以上^[5]。所以在航空发动机的设计以及研发阶段，对航空发动机进行可靠性试验以提高其可靠性是十分必要的。

零部件是构成发动机的基础，有必要先对零部件进行可靠性试验。在对零部件进行可靠性试验前，需要了解各零件在工作时的工作环境特点，并确定需要进行的可靠性试验。胡军等^[6]提出要针对不同零部件进行相应的可靠性试验，才能准确有效地提高发动机的可靠性。航空发动机大体上可分为进气道、压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管五个部分，进气道和压气机处的零件将接触外界低温空气，需对其进行低温步进试验；涡轮和尾喷管则是处于高温燃气的环境中，需要对其进行高温试验；而燃烧室的工作环境更为复杂，处于冷热交替的环境中，最容易出现故障，因此需要对其进行冷热冲击试验，这只是根据温度进行的分类。

根据压强、磨损、机械振动等不同原因，还需进行相应的可靠性试验才能全面的保证零件的可靠性。然后是对零部件进行可靠性试验，如在设计、试生产后，对于进气道及压气机处零部件，自常温开始每次迅速降低固定数值的温度并检测其性能是否正常，若存在性能衰退现象则改进其材料及结构以符合未来工作需要，若性能良好则继续降温直至达到或超过预期工作环境温度，即得到更高可靠性的零部件。

而燃烧室处零件则需进行相关的冷热冲击试验，以检验其在不断变化的大温差下对环境的适应能力。对于涡轮与尾喷管处的零部件的试验方法类似于低温步进试验。经过可靠性强化试验后，还需进行环境应力筛选，因为即使零部件的工作适应性已经得到改善，但在实际生产中，由于生产技术原因，不可避免地会出现残次零部件，为了保障航空发动机的正常运转，每一个零部件都不容许出现差错，通过环境应力筛选试验就可以筛去不合格零部件，使发动机可以稳定、持续地运转。

进行完零部件可靠性试验后，还要对发动机整机进行可靠性试验。发动机整机的主要问题为结构配置的不合理从而导致的机械功能下降进而引起的可靠性水平的下降，因而需要对发动机整体进行整机可靠性试验以优化结构配置来提高发动机的可靠性。可以通过可靠性强化试验来暴露潜在的问题，这需要大量、充足的试验数据，而目前国内相关试验数据比较缺乏，一定程度上影响了强化实验的全面性。随着研发资金的投入以及强化试验的进行，试验数据将会更加丰富，发动机的可靠性将会持续上升。

另外，仅仅是可靠性强化试验是不够的，还需要了解发动机的工作寿命才能较为全面的掌握发动机的整体性能。在这里可以采用前面提及的加速寿命试验来快速了解发动机的寿命。王桂华等^[7]提出要参考系统不平衡量、温度、使用规范及进气畸变产生的影响这四方面来进行耐久性考核。但是目前对于航空发动机的可靠性试验，还缺乏一个比较完善、系统的试验规范，因此在未来有必要对于航空发动机建立一套完备的可靠性试验流程，来更有效地提高航空发动机的可靠性。

3.2 失效模式和影响分析

失效模式和影响分析是在进行产品设计时，从产品角度出发，对可能存在的故障进行预测，并找出解决失败原因的方法^[8]。失效模式和影响分析作为产品生产前的分析过程，可以有规划地对故障原因进行排查以及预先修正工作。在对产品进行失效模式与影响分析时，由于能够导致产品失效的因素很多，以普通的分析方法很容易遗漏部分故障模式影响因素，经常使用故障树分析法来分析其失效模式以减少遗漏内容。

比如：选取顶事件为航空发动机启动无应答，对应的底事件可以有气缸压力不足、进气系统堵塞、油箱油量不足等原因。对于气缸压力不足可能是因为气缸零部件的尺寸不符合标准导致间隙过大以及长期工作导致零部件间过度磨损导致间隙过大；进气系统堵塞可能因为长期灰尘附着、堆积导致进气道停止运转或是因为零部件老化导致进气系统停止运转；油箱油量不足可能是因为初始油量填充不足或是油箱发生泄漏导致油量不足^[9]。

这些只是对发动机故障原因进行的部分分析，实际故障原因将更加多样，建树过程将更加复杂。钱鑫等^[10]对某型军用发动机进行了故障模式影响及致命性分析(FMECA)，通过收集外场使用维护数据再结合FMECA找出关键部件，可以改进外场维护并为该型发动机的设计改进提供一些借鉴。目前故障模式的影响分析还存在一些问题，比如分析与设计的工作不协调以及未引起设计人员的重视等，这些因素制约着我国航空发动机可靠性的进一步提高，相关技术还需要进一步完善。

4、结语

航空发动机的可靠性对于飞机的安全运行至关重要，目前我国航空发动机的可靠性水平与国外还有很大差距，这也制约了我国航空工业的发展。本文主要介绍了如何将可靠性工程应用于航空发动机中以提高发动机的可靠性，为我国提高航空发动机的可靠性提供一些思路和方向。

参考文献：

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