張生 王藝

摘要：結(jié)合航空發(fā)動(dòng)機(jī)成附件壽命試驗(yàn)現(xiàn)狀和需求，研究確定了受感部延壽流程，并重點(diǎn)研究了載荷剖面確定方法，首次在成品壽命試驗(yàn)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(chǎn)品的壽命試驗(yàn)時(shí)間確定方法，可以合理安排試驗(yàn)樣本數(shù)和試驗(yàn)時(shí)數(shù)，保證壽命試驗(yàn)結(jié)果可信。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動(dòng)機(jī)；成品；延壽試驗(yàn)j威布爾分布

O引言

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)成熟度的不斷提高，長(zhǎng)壽命、高可靠性已經(jīng)成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研制目標(biāo)。航空發(fā)動(dòng)機(jī)配套的成附件產(chǎn)品的壽命指標(biāo)已高達(dá)幾萬(wàn)小時(shí)。某型發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)試車沿用在役發(fā)動(dòng)機(jī)的受感部，其壽命指標(biāo)遠(yuǎn)低于整機(jī)壽命指標(biāo)要求和試車資源需求，在整機(jī)試車中頻繁更換，一方面影響研制進(jìn)度，另一方面產(chǎn)品價(jià)格昂貴，裝機(jī)數(shù)量多，造成資源浪費(fèi)?？茖W(xué)地開(kāi)展成品延壽工作成為急需解決的問(wèn)題。

首先開(kāi)展機(jī)理分析，確定延壽試驗(yàn)的載荷類型，通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)確定常規(guī)載荷剖面和加速載荷剖面。鑒于在役在研成品壽命試驗(yàn)多以考核為主而未考慮產(chǎn)品的分散性，使得考核結(jié)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(chǎn)品的壽命試驗(yàn)時(shí)間，可以合理安排試驗(yàn)樣本數(shù)和試驗(yàn)時(shí)數(shù)，保證延壽結(jié)果可信，并給出試驗(yàn)檢查間隔和故障判據(jù)，試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)完整。

1 試驗(yàn)條件的確定

1.1 載荷確定流程

根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)信息和使用信息開(kāi)展FMECA，確定故障機(jī)理，進(jìn)而確定敏感載荷，最后確定延壽試驗(yàn)載荷剖面，流程如圖1所示。

經(jīng)過(guò)分析確定，受感部敏感載荷主要包括溫度、振動(dòng)載荷。為盡可能真實(shí)地模擬產(chǎn)品的實(shí)際使用環(huán)境，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)開(kāi)展載荷測(cè)量。

1.2 載荷譜制定

考慮載荷分散性，依據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)制定可靠性試驗(yàn)載荷剖面[1]，并依據(jù)實(shí)測(cè)溫度對(duì)載荷進(jìn)行修正。確定隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)載荷譜如圖2所示，振動(dòng)總量為11.25g。

2試驗(yàn)時(shí)間確定

2.1威布爾分布

威布爾分布因形狀參數(shù)的存在而具有較大的靈活性。當(dāng)威布爾分布中的參數(shù)不同時(shí)，可以轉(zhuǎn)化為指數(shù)分布、正態(tài)分布等[2]。威布爾分布可以看作隨機(jī)變量較普遍的分布形式[3]，已被證明能比正態(tài)分布和對(duì)數(shù)正態(tài)分布更好地描述疲勞壽命[4]，凡因?yàn)槟骋痪植渴Щ蚬收纤鸬娜謾C(jī)能停止運(yùn)行的原件、器件、設(shè)備、系統(tǒng)等產(chǎn)品壽命均服從威布爾分布。因此，本壽命試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)主要基于威布爾分布。產(chǎn)品壽命服從威布爾分布時(shí)，其累積失效分布函數(shù)為：

β為形狀參數(shù)，η為尺度參數(shù)。形狀參數(shù)反映數(shù)據(jù)分散性，形狀參數(shù)越大，分散性越小。建議國(guó)內(nèi)件取形狀參數(shù)為2。有相似產(chǎn)品的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)也可以通過(guò)分布擬合及參數(shù)評(píng)估確定形狀參數(shù)[5-6]。

2.2壽命試驗(yàn)時(shí)間的確定

假設(shè)（t1，t2，…，t_n）為隨機(jī)試驗(yàn)件的失效時(shí)間樣本，將其按照從小到大的順序排列，其最小次序統(tǒng)計(jì)量t（1）的分布函數(shù)可表示為

式中，F(xiàn)_t（1）為最小次序統(tǒng)計(jì)量t（1）的分布函數(shù)；n為試驗(yàn)樣本數(shù)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(tǒng)計(jì)量累積分布函數(shù)的下側(cè)置信限，y為相應(yīng)的置信度，則最小次序統(tǒng)計(jì)量大于置信下限的風(fēng)險(xiǎn)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(shù)β、置信度y、樣本數(shù)n和尺度參數(shù)η條件下，可得出單個(gè)試驗(yàn)件試驗(yàn)時(shí)間：

R（t）為不發(fā)生失效的概率，根據(jù)式（1），

則可靠壽命tR為：

tR：[-In R（t）]1/β·η

（8）

延壽目標(biāo)在可靠壽命已知時(shí)，

將式（9）代入式（6），形狀參數(shù)一定時(shí)，根據(jù)試驗(yàn)樣本量、置信度、可靠度要求，確定試驗(yàn)時(shí)數(shù)與目標(biāo)可靠壽命之間存在如下關(guān)系：

由此在已知產(chǎn)品壽命分布的條件下，根據(jù)產(chǎn)品數(shù)據(jù)和可靠度要求，即可合理確定壽命試驗(yàn)時(shí)間。

此次受感部壽命初次延壽至500小時(shí)，即目標(biāo)壽命500，樣本數(shù)6，β=2，根據(jù)式（10）確定不同置信度和可靠度下每個(gè)試驗(yàn)件所需試驗(yàn)時(shí)間，如表1所示。

取置信度和可靠度數(shù)值一致，從表1可以看出，0.75～0.8時(shí)試驗(yàn)時(shí)數(shù)變化最平緩，時(shí)數(shù)在現(xiàn)有條件下可達(dá)，置信度和可靠度滿足安全性要求，因此初步確定當(dāng)6個(gè)試驗(yàn)件分別試驗(yàn)至548小時(shí)無(wú)故障時(shí)，方能以80%的置信度和可靠度接受目標(biāo)壽命為500小時(shí)。

3 安裝方式

試驗(yàn)需要在室溫的條件下進(jìn)行，試驗(yàn)產(chǎn)品的安裝方式要盡量模擬發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際裝機(jī)方式，采用6個(gè)舊件同時(shí)試驗(yàn)。

4 故障判據(jù)

在試驗(yàn)過(guò)程中，出現(xiàn)下列任何一種狀態(tài)時(shí)，應(yīng)判定受試產(chǎn)品出現(xiàn)故障。

1）受試產(chǎn)品不能工作或部分功能喪失。

2）受試產(chǎn)品參數(shù)檢測(cè)結(jié)果超出規(guī)范允許范圍。

3）產(chǎn)品的機(jī)械、結(jié)構(gòu)部件或元器件發(fā)生松動(dòng)、破裂、斷裂或損壞。

5 試驗(yàn)檢查間隔

由于產(chǎn)品故障在試驗(yàn)中并不能完全發(fā)現(xiàn)，必須定期停止試驗(yàn)。要求每隔10小時(shí)進(jìn)行目視檢查；150小時(shí)以下每50小時(shí)進(jìn)行熒光檢查，超過(guò)150小時(shí)每25小時(shí)進(jìn)行熒光檢查；視情進(jìn)行X光檢查。

6 結(jié)論

研究確定的航空發(fā)動(dòng)機(jī)受感部延壽試驗(yàn)方法成功用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)受感部PT25延壽。初次延壽，通過(guò)248小時(shí)的內(nèi)場(chǎng)試驗(yàn)，以80%的置信度和可靠度接受PT25受感部從300小時(shí)延壽至500小時(shí)，試車結(jié)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(fā)動(dòng)機(jī)成品壽命試驗(yàn)，可以指導(dǎo)航空發(fā)動(dòng)機(jī)成品研制中首飛、鑒定等統(tǒng)計(jì)類壽命考核試驗(yàn)，具有較好的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

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