CN112052577B - 一种航空发动机可靠性指标规定值评价时机的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于航空发动机领域。一种航空发动机可靠性指标规定值评价时机的确定方法。在型号立项论证以及研制总要求中对可靠性指标规定值的评价时机进行明确，确保可靠性指标规定值的有效性。确定评价可靠性指标规定值所需的最长发动机累积工作时数；评估航空发动机列装后可靠性增长能力及增长时数；确定评价样本量；确定航空发动机列装后预期的部署数量；确定可靠性指标规定值评价时机。明确了航空发动机可靠性指标规定值评价时机确定方法，依据本方法在型号立项论证以及研制总要求中对可靠性指标规定值的评价时机进行明确，确保可靠性指标规定值的有效性，促使发动机研制单位在型号列装后主动实施可靠性增长，确保发动机可靠性在预定期限内达标。

Description

一种航空发动机可靠性指标规定值评价时机的确定方法

技术领域

本发明属于航空发动机领域，航空发动机通用质量特性评价方法，涉及提出航空发动机可靠性指标规定值评价时机的确定方法，适用于不同型号的航空发动机可靠性指标规定值评价时机的确定。具体为一种航空发动机可靠性指标规定值评价时机的确定方法。

背景技术

航空发动机是飞机的心脏，其可靠性直接影响飞机的任务成功性和作战效能。由于航空发动机可靠性需要通过试验及使用过程，持续暴露故障，不断采取改进措施实施可靠性增长的特点，一般会分阶段确定在状态鉴定阶段达到的可靠性最低可接受值，以及在在役使用阶段达到的可靠性规定值。

长期以来，由于缺乏可靠性规定值评价时机的确定方法，用户单位没有明确规定可靠性规定值的评价时机，导致可靠性指标规定值虚置。这导致型号立项时，可靠性最低可接受值与规定值的差距较大，发动机定型后在长时间内可靠性难以满足指标要求，迫使国家不得不在型号定型后持续投入大量经费实施可靠性增长，严重影响了部队的作战能力的形成，因此确定可靠性规定值评价时机很有必要。

发明内容

提出一种航空发动机可靠性指标规定值评价时机的确定方法，在型号立项论证以及研制总要求中对可靠性指标规定值的评价时机进行明确，以确保可靠性指标规定值的有效性。

评价时机的确定思路如下:

1.确定评价可靠性指标规定值所需的最长发动机累积工作时数；

2.评估航空发动机列装后可靠性增长能力及增长时数；

3.确定评价样本量；

4.确定航空发动机列装后预期的部署数量；

5.确定可靠性指标规定值评价时机。

技术方案

一种航空发动机可靠性指标规定值评价时机的确定方法，

步骤1.确定评价可靠性指标规定值所需的发动机累积工作时数：

制定适用于评价航空发动机可靠性指标所用的截尾试验统计方案，并在此基础上计算需要的发动机累积工作时数T_P，方法如下：

a)与用户商定使用方风险β、生产方风险α和鉴别比d。

b)采用解析法，按照式(1)计算故障数r₀：

式中：

—表示自由度为2r的χ²分布的β上侧分位数；

—表示自由度为2r的χ²分布的(1-α)上侧分位数。

通过计算χ²分布的上侧分位数，直至满足式(1)的要求，确定故障数r₀。

c)按照式(2)计算所需的发动机累积工作时数T_P：

式中：

θ_L—表示可靠性指标规定值。

步骤2.确定航空发动机投入使用后可靠性增长需要的累积工作时数：

a)根据研制单位相似型号发动机研制期间的整机持久试验或专门的可靠性增长试验数据，按照可靠性增长模型评估发动机可靠性增长能力；

b)根据可靠性增长模型确定发动机增长至规定值所需要的累积工作时数T_Z。

c)根据研制期间规划的整机试验时数T_Y，计算发动机投入使用后可靠性增长需要的累积工作时数T_SZ。

T_SZ＝T_Z-T_Y…………………………………(3)

步骤3.确定评价样本量：

由于贯彻了纠正措施后的发动机才具备进行可靠性指标评价的条件。在使用阶段，发动机故障故障暴露后，研制单位完成故障分析、纠正措施制定和验证工作后，纠正措施不能和研制期间一样快速进行贯改。需要考虑已投入使用的发动机需要在基地级或外场级贯改纠正措施所需要的周期。发动机的可靠性增长过程的累积工作时数统计不能简单的累加所有发动机的工作时数。

根据步骤2确定的可靠性增长时数T_Z及发动机纠正措施贯改周期T_G确定所需样本量q。

步骤4.确定航空发动机列装后预期数量：

由用户单位按照发动机装机的数量，预估发动机首批次投入使用数量Q。

步骤5.确定可靠性指标规定值评价时机：

根据发动机列装规模计算评价规定值的发动机累积总工作时间T。

当列装部署数量小于等于评价所需样本量，即Q≤q时，根据可靠性增长时数T_Z和评价可靠性指标规定值所需的最小发动机工作时数T_P确定评价规定值所需的发动机累积总工作时间T：

T＝T_Z+T_P……………………………………(5)

当列装部署数量大于评价所需样本量，即Q＞q时，根据可靠性增长时数T_Z、样本倍数、评价可靠性指标规定值所需的最小发动机工作时数T_P确定评价规定值所需的发动机累积总工作时间T：

所述截尾试验统计方案是在指数分布假设的条件下，可用于评价航空发动机可靠性指标的统计方案。

所述使用方风险β、生产方风险α统计方案的基本参数。用户要求的使用方风险β越低，则评价的结果的置信度就越高，评价所需要的发动机累积工作时数也越长。

所述鉴别比d是统计方案的基本参数。鉴别比越大，做出评价所需要的发动机累积工作时数就越少，但可靠性指标上限值就越高，可能导致设计无法实现。

所述可靠性增长模型具体为Duane模型、AMSAA-BISE模型。

所述发动机纠正措施贯改周期需根据暴露故障的对象及其措施贯改方式确定。

所述评价样本指为确保发动机增长至规定值。

所述的可靠性规定值评价时机的确定方法具体为具备首翻期寿命要求及可靠性定量指标要求的航空产品。

所述的可靠性规定值评价时机的确定方法可用于平均故障间隔时间、平均严重故障间隔时间在内的可靠性指标规定值评价时机的确定。

技术效果

本发明明确了航空发动机可靠性指标规定值评价时机确定方法，可以依据本方法在型号立项论证以及研制总要求中对可靠性指标规定值的评价时机进行明确，确保可靠性指标规定值的有效性，促使发动机研制单位在型号列装后主动实施可靠性增长，确保发动机可靠性在预定期限内达标。

具体实施方式

一种航空发动机可靠性指标规定值评价时机的确定方法，

步骤1.确定评价可靠性指标规定值所需的发动机累积工作时数：

制定适用于评价航空发动机可靠性指标所用的截尾试验统计方案，并在此基础上计算需要的发动机累积工作时数T_P，方法如下：

a)与用户商定使用方风险β、生产方风险α和鉴别比d。

b)采用解析法，按照式(1)计算故障数r₀：

式中：

—表示自由度为2r的χ²分布的β上侧分位数；

—表示自由度为2r的χ²分布的(1-α)上侧分位数。

通过计算χ²分布的上侧分位数，直至满足式(1)的要求，确定故障数r₀。

c)按照式(2)计算所需的发动机累积工作时数T_P：

式中：

θ_L—表示可靠性指标规定值。

步骤2.确定航空发动机投入使用后可靠性增长需要的累积工作时数：

a)根据研制单位相似型号发动机研制期间的整机持久试验或专门的可靠性增长试验数据，按照可靠性增长模型评估发动机可靠性增长能力；

b)根据可靠性增长模型确定发动机增长至规定值所需要的累积工作时数T_Z。

c)根据研制期间规划的整机试验时数T_Y，计算发动机投入使用后可靠性增长需要的累积工作时数T_SZ。

T_SZ＝T_Z-T_Y…………………………………(3)

步骤3.确定评价样本量：

由于贯彻了纠正措施后的发动机才具备进行可靠性指标评价的条件。在使用阶段，发动机故障故障暴露后，研制单位完成故障分析、纠正措施制定和验证工作后，纠正措施不能和研制期间一样快速进行贯改。需要考虑已投入使用的发动机需要在基地级或外场级贯改纠正措施所需要的周期。发动机的可靠性增长过程的累积工作时数统计不能简单的累加所有发动机的工作时数。

根据步骤2确定的可靠性增长时数T_Z及发动机纠正措施贯改周期T_G确定所需样本量q。

步骤4.确定航空发动机列装后预期数量：

由用户单位按照发动机装机的数量，预估发动机首批次投入使用数量Q。

步骤5.确定可靠性指标规定值评价时机：

根据发动机列装规模计算评价规定值的发动机累积总工作时间T。

当列装部署数量小于等于评价所需样本量，即Q≤q时，根据可靠性增长时数T_Z和评价可靠性指标规定值所需的最小发动机工作时数T_P确定评价规定值所需的发动机累积总工作时间T：

T＝T_Z+T_P……………………………………(5)

当列装部署数量大于评价所需样本量，即Q＞q时，根据可靠性增长时数T_Z、样本倍数、评价可靠性指标规定值所需的最小发动机工作时数T_P确定评价规定值所需的发动机累积总工作时间T：

所述截尾试验统计方案是在指数分布假设的条件下，可用于评价航空发动机可靠性指标的统计方案。考虑发动机或其单元体一般在规定的寿命期内进行使用，在寿命期期内采用定期或视情方式进行维修保障的特点，通过实际使用验证，航空发动机故障前工作时间符合指数分布的假设。考虑到使用阶段发动机或单元体通常按照工作时数管理的实际需求，采用截尾试验统计方案。

所述使用方风险β、生产方风险α统计方案的基本参数。用户要求的使用方风险β越低，则评价的结果的置信度就越高，评价所需要的发动机累积工作时数也越长。考虑使用风险及达标风险，一般希望采用正常的使用方风险β和生产方风险α的取值范围为10％至20％。

所述鉴别比d是统计方案的基本参数。鉴别比越大，做出评价所需要的发动机累积工作时数就越少，但可靠性指标上限值就越高，可能导致设计无法实现。鉴别比越小，做出评价所需要的发动机累积工作时数就越长。通过对国内外航空发动机使用期间可靠性指标的统计，发动机满足MTBF规定值要求后，随着使用时间基数的累积，MTBF仍会有一定程度的增长，最终增长水平一般为规定值的1.3～1.7倍，即鉴别比d推荐在1.3～1.7中选取。

所述可靠性增长模型具体为Duane模型、AMSAA-BISE模型等。航空发动机属于可维修的产品。在使用过程中暴露的故障问题，在设计纠正后，会通过返厂维修或者LRU、SRU替换的方式进行集中的可靠性增长。根据航空发动机产品的使用特点及可靠性增长特点，推荐使用Duane模型作为评估航空发动机可靠性增长能力的模型。根据Duane模型，发动机可靠性增长至规定值所需要的累积工作时数T_Z可按简易公式(6)计算。

M_I—表示起始点MTBF。起始点MTBF应优先按照验证机可靠性摸底试验或性能试验评估确定。在缺少试验数据的情况下，当发动机为新研发动机时，初始可靠性一般较低，起始点MTBF可按照规定值的10％确定起始点；当发动机为改进型发动机，且环境条件与工作载荷与原型机基本相当时，起始点MTBF可按照规定值的20％确定。

t_I—表示起始点工作时间。起始点MTBF按照验证机可靠性摸底试验或性能试验评估确定时，相应的累积试验时数应大于100h起始点工作时间的需求。在缺少试验数据的情况下，当可靠性规定值高于200h时，可按照规定值的50％确定起始点工作时间；当可靠性规定值低于200h时，应按照100h确定起始点工作时间。

所述发动机纠正措施贯改周期需根据暴露故障的对象及其措施贯改方式确定：

a)当暴露故障的对象为外场可更换单元(LRU)或者车间可更换单元(SRU)时，可通过已贯改纠正措施的LRU或SRU的替换原有LRU或SRU实现，贯改周期仅需要考虑设计制造单位在内厂进行故障分析、纠正措施制定和验证的周期。

b)当暴露故障的对象为发动机结构单元体时，需要根据发动机寿命管理方式确定贯改周期：

1)当发动机按照翻修期寿命管理时，纠正措施需要发动机提前返厂维修或到寿返厂维修时贯改。贯改周期应考虑设计制造单位在内厂进行故障分析、措施制定、及纠正措施验证的周期和发动机翻修期。由于故障分析及纠正措施验证的周期一般小于发动机翻修寿命期，所以纠正措施贯改周期可近似为发动机翻修寿命。

2)当发动机按维修单元体寿命管理时，纠正措施需要发动机维修单元体提前返厂维修或到寿返厂维修时贯改。贯改周期应计算设计制造单位在内厂进行故障分析、措施制定、及纠正措施验证的周期和维修单元体的平均翻修寿命期。由于故障分析及纠正措施验证的周期一般小于维修单元体的平均翻修寿命期，所以纠正措施贯改周期可近似为维修单元体的平均翻修寿命期。

所述评价样本指为确保发动机增长至规定值，需要累积的发动机翻修期或者维修单元体的平均翻修寿命期的数量，该数量可由多台首次到达翻修期寿命的发动机或维修单元体进行累积，也可由多次到达翻修期寿的发动机或维修单元体进行累积。

所述的可靠性规定值评价时机的确定方法可用涡轮发动机、涡扇发动机、涡轴发动机、涡桨发动机、直升机传动装置等具备首翻期寿命要求及可靠性定量指标要求的航空产品。

所述的可靠性规定值评价时机的确定方法可用于平均故障间隔时间、平均严重故障间隔时间在内的可靠性指标规定值评价时机的确定。

应用例：

确定某型航空发动机可靠性指标规定值评价时机的方法步骤如下：

1.确定评价可靠性指标规定值所需的最长发动机累积工作时数：

与发动机用户单位协商确定使用方风险β为10％，生产方风险α为10％，鉴别比d为1.5。

发动机的可靠性指标规定值θ_L为180h。

按照式(1)，查询χ²分布的上侧分位并带入式(1)，直至式(1)成立。

当自由度为82时，截尾点出现：

即2r₀＝82，r₀＝41。

按照式(2)计算所需的发动机累积工作时数T_P：

采用本方法可以使用计算器很容易计算出截尾试验统计所需的最长发动机累积工作时数，并可以同时确定发动机可靠性是否满足指标要求的故障数。

2.评估航空发动机投入使用后可靠性增长能力及可靠性增长时数：

某型发动机的可靠性指标规定值为180h，研制期间共计规划的整机试验时数T_Y为4400h。通过验证机可靠性摸底试验评估的发动机初始点MTBF为27h，初始点工作时间100h。

采用Duane模型对某型发动机研制单位以往研制型号的可靠性增长率进行评估，确定可靠性增长率为0.3。可靠性增长率可以在很大程度上反映出发动机研制单位的故障分析、纠正能力，这一能力也决定了发动机投入使用后的可靠性增长能力。

按照式(6)计算发动机增长至规定值所需要的发动机累积工作时数为T_Z：

计算T_Z＝16982h。

按照式(3)计算发动机投入使用后需要的发动机累积工作时数T_SZ为：

T_SZ＝16983-4400＝12583h

3.确定评价样本量：

某型发动机采用翻修寿命设计，翻修期为500h。

按照式(4)确定所需样本量q。

4.确定航空发动机投入使用后的预期数量：

由用户单位按照发动机投入市场的使用数量，预估发动机首批次投入使用数量200台。

5.确定可靠性指标规定值评价时机：

由条件Q＞q判断，按照式(6)计算评价规定值所需的发动机总工作时间T。

即评价规定值所需的发动机总工作时间应至少为118504h。

上述方法可用涡轮发动机、涡扇发动机、涡轴发动机、涡桨发动机、传动装置等具备首翻期寿命要求及可靠性定量指标要求的航空装备的平均故障间隔时间、平均严重故障间隔时间在内的可靠性指标规定值评价时机的确定。上述方法确定的评价步骤，以及与确定评价可靠性指标规定值所需的最小发动机工作时数、评估航空发动机列装后可靠性增长能力及增长时数、确定评价样本量相关的数学表达式。

Claims (9)

1.一种航空发动机可靠性指标规定值评价时机的确定方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1.确定评价可靠性指标规定值所需的发动机累积工作时数：

制定适用于评价航空发动机可靠性指标所用的截尾试验统计方案，并在此基础上计算需要的发动机累积工作时数T_P，方法如下：

a)与用户商定使用方风险β、生产方风险α和鉴别比d；

b)采用解析法，按照式(1)计算故障数r₀：

式中：

—表示自由度为2r的χ²分布的β上侧分位数；

—表示自由度为2r的χ²分布的(1-α)上侧分位数；

通过计算χ²分布的上侧分位数，直至满足式(1)的要求，确定故障数r₀；

c)按照式(2)计算所需的发动机累积工作时数T_P：

式中：

θ_L—表示可靠性指标规定值；

步骤2.确定航空发动机投入使用后可靠性增长需要的累积工作时数：

a)根据研制单位相似型号发动机研制期间的整机持久试验或专门的可靠性增长试验数据，按照可靠性增长模型评估发动机可靠性增长能力；

b)根据可靠性增长模型确定发动机增长至规定值所需要的累积工作时数T_Z；

c)根据研制期间规划的整机试验时数T_Y，计算发动机投入使用后可靠性增长需要的累积工作时数T_SZ；

T_SZ＝T_Z-T_Y…………………………………(3)

步骤3.确定评价样本量：

由于贯彻了纠正措施后的发动机才具备进行可靠性指标评价的条件；在使用阶段，发动机故障暴露后，研制单位完成故障分析、纠正措施制定和验证工作后，纠正措施不能和研制期间一样快速进行贯改；需要考虑已投入使用的发动机需要在基地级或外场级贯改纠正措施所需要的周期；发动机的可靠性增长过程的累积工作时数统计不能简单的累加所有发动机的工作时数；

根据步骤2确定的可靠性增长时数T_Z及发动机纠正措施贯改周期T_G确定所需样本量q；

步骤4.确定航空发动机列装后预期数量：

由用户单位按照发动机装机的数量，预估发动机首批次投入使用数量Q；

步骤5.确定可靠性指标规定值评价时机：

根据发动机列装规模计算评价规定值的发动机累积总工作时间T；

当列装部署数量小于等于评价所需样本量，即Q≤q时，根据可靠性增长时数T_Z和评价可靠性指标规定值所需的最小发动机工作时数T_P确定评价规定值所需的发动机累积总工作时间T：

T＝T_Z+T_P……………………………………(5)

当列装部署数量大于评价所需样本量，即Q＞q时，根据可靠性增长时数T_Z、样本倍数、评价可靠性指标规定值所需的最小发动机工作时数T_P确定评价规定值所需的发动机累积总工作时间T：

2.根据权利要求1所述的一种航空发动机可靠性指标规定值评价时机的确定方法，其特征在于，所述截尾试验统计方案是在指数分布假设的条件下，用于评价航空发动机可靠性指标的统计方案。

3.根据权利要求1所述的一种航空发动机可靠性指标规定值评价时机的确定方法，其特征在于，所述使用方风险β、生产方风险α统计方案的基本参数；用户要求的使用方风险β越低，则评价的结果的置信度就越高，评价所需要的发动机累积工作时数也越长。

4.根据权利要求1所述的一种航空发动机可靠性指标规定值评价时机的确定方法，其特征在于，所述鉴别比d是统计方案的基本参数；鉴别比越大，做出评价所需要的发动机累积工作时数就越少，但可靠性指标上限值就越高，导致设计无法实现。

5.根据权利要求1所述的一种航空发动机可靠性指标规定值评价时机的确定方法，其特征在于，所述可靠性增长模型具体为Duane模型、AMSAA-BISE模型。

6.根据权利要求1所述的一种航空发动机可靠性指标规定值评价时机的确定方法，其特征在于，所述发动机纠正措施贯改周期需根据暴露故障的对象及其措施贯改方式确定。

7.根据权利要求1所述的一种航空发动机可靠性指标规定值评价时机的确定方法，其特征在于，所述评价样本指为确保发动机增长至规定值。

8.根据权利要求1所述的一种航空发动机可靠性指标规定值评价时机的确定方法，其特征在于，所述的可靠性规定值评价时机的确定方法具体为具备首翻期寿命要求及可靠性定量指标要求的航空产品。

9.根据权利要求1所述的一种航空发动机可靠性指标规定值评价时机的确定方法，其特征在于，所述的可靠性规定值评价时机的确定方法可用于平均故障间隔时间、平均严重故障间隔时间在内的可靠性指标规定值评价时机的确定。