航空发动机受感部延寿试验方案研究

张生 王艺

摘要：结合航空发动机成附件寿命试验现状和需求，研究确定了受感部延寿流程，并重点研究了载荷剖面确定方法，首次在成品寿命试验中引入置信度和可靠度概念，研究确定了基于威布尔分布的成附件产品的寿命试验时间确定方法，可以合理安排试验样本数和试验时数，保证寿命试验结果可信。

关键词：航空发动机；成品；延寿试验j威布尔分布

O引言

随着航空发动机技术成熟度的不断提高，长寿命、高可靠性已经成为航空发动机的研制目标。航空发动机配套的成附件产品的寿命指标已高达几万小时。某型发动机整机试车沿用在役发动机的受感部，其寿命指标远低于整机寿命指标要求和试车资源需求，在整机试车中频繁更换，一方面影响研制进度，另一方面产品价格昂贵，装机数量多，造成资源浪费。科学地开展成品延寿工作成为急需解决的问题。

首先开展机理分析，确定延寿试验的载荷类型，通过实测数据确定常规载荷剖面和加速载荷剖面。鉴于在役在研成品寿命试验多以考核为主而未考虑产品的分散性，使得考核结果置信度不足。本文研究确定了基于威布尔分布的成附件产品的寿命试验时间，可以合理安排试验样本数和试验时数，保证延寿结果可信，并给出试验检查间隔和故障判据，试验方案设计完整。

1 试验条件的确定

1.1 载荷确定流程

根据产品设计信息和使用信息开展FMECA，确定故障机理，进而确定敏感载荷，最后确定延寿试验载荷剖面，流程如图1所示。

经过分析确定，受感部敏感载荷主要包括温度、振动载荷。为尽可能真实地模拟产品的实际使用环境，对发动机整机开展载荷测量。

1.2 载荷谱制定

考虑载荷分散性，依据实测数据制定可靠性试验载荷剖面[1]，并依据实测温度对载荷进行修正。确定随机振动试验载荷谱如图2所示，振动总量为11.25g。

2试验时间确定

2.1威布尔分布

威布尔分布因形状参数的存在而具有较大的灵活性。当威布尔分布中的参数不同时，可以转化为指数分布、正态分布等[2]。威布尔分布可以看作随机变量较普遍的分布形式[3]，已被证明能比正态分布和对数正态分布更好地描述疲劳寿命[4]，凡因为某一局部失效或故障所引起的全局机能停止运行的原件、器件、设备、系统等产品寿命均服从威布尔分布。因此，本寿命试验方案设计主要基于威布尔分布。产品寿命服从威布尔分布时，其累积失效分布函数为：

β为形状参数，η为尺度参数。形状参数反映数据分散性，形状参数越大，分散性越小。建议国内件取形状参数为2。有相似产品的经验数据也可以通过分布拟合及参数评估确定形状参数[5-6]。

2.2寿命试验时间的确定

假设（t1，t2，…，t_n）为随机试验件的失效时间样本，将其按照从小到大的顺序排列，其最小次序统计量t（1）的分布函数可表示为

式中，F_t（1）为最小次序统计量t（1）的分布函数；n为试验样本数量。

将式（1）代人式（2）可得

令t_y为威布尔分布的最小次序统计量累积分布函数的下侧置信限，y为相应的置信度，则最小次序统计量大于置信下限的风险可用式（4）表示。

P{t（1）>t_y}=1-γ

（4）

由式（3）和式（4）有

从而，在已知形状参数β、置信度y、样本数n和尺度参数η条件下，可得出单个试验件试验时间：

R（t）为不发生失效的概率，根据式（1），

则可靠寿命tR为：

tR：[-In R（t）]1/β·η

（8）

延寿目标在可靠寿命已知时，

将式（9）代入式（6），形状参数一定时，根据试验样本量、置信度、可靠度要求，确定试验时数与目标可靠寿命之间存在如下关系：

由此在已知产品寿命分布的条件下，根据产品数据和可靠度要求，即可合理确定寿命试验时间。

此次受感部寿命初次延寿至500小时，即目标寿命500，样本数6，β=2，根据式（10）确定不同置信度和可靠度下每个试验件所需试验时间，如表1所示。

取置信度和可靠度数值一致，从表1可以看出，0.75～0.8时试验时数变化最平缓，时数在现有条件下可达，置信度和可靠度满足安全性要求，因此初步确定当6个试验件分别试验至548小时无故障时，方能以80%的置信度和可靠度接受目标寿命为500小时。

3 安装方式

试验需要在室温的条件下进行，试验产品的安装方式要尽量模拟发动机实际装机方式，采用6个旧件同时试验。

4 故障判据

在試验过程中，出现下列任何一种状态时，应判定受试产品出现故障。

1）受试产品不能工作或部分功能丧失。

2）受试产品参数检测结果超出规范允许范围。

3）产品的机械、结构部件或元器件发生松动、破裂、断裂或损坏。

5 试验检查间隔

由于产品故障在试验中并不能完全发现，必须定期停止试验。要求每隔10小时进行目视检查；150小时以下每50小时进行荧光检查，超过150小时每25小时进行荧光检查；视情进行X光检查。

6 结论

研究确定的航空发动机受感部延寿试验方法成功用于航空发动机受感部PT25延寿。初次延寿，通过248小时的内场试验，以80%的置信度和可靠度接受PT25受感部从300小时延寿至500小时，试车结果表明，此次延寿可行。

首次将置信度和可靠度概念引入航空发动机成品寿命试验，可以指导航空发动机成品研制中首飞、鉴定等统计类寿命考核试验，具有较好的理论意义和工程应用价值。

参考文献

[1]王桂华，刘海年，张大义，洪杰.航空发动机成附件振动环境试验剖面确定方法研究[J].推进技术，2013，34（8）：1101～1107.

[2]张枫念.关于威布尔分布在可靠性分析应用中的几个问题[J].轻型汽车技术，2016（1/2），10～18.

[3]胡建军，许洪斌，高孝旺.威布尔分布随机载荷下齿轮弯曲疲劳试验分析[J].重庆大学学报，2012，35（11），34—39

[4]罗哉，王艳，王岚晶等，基于三参数威布尔分布的自动调整臂服役可靠性研究[J].计算机测量与控制.2017，25（3）：234～236

[5]郝晓乐，类晓波，雷蒂远等.三参数威布尔分布参数估算方法对比研究.[J].机械研究与应用，2017，30（2），1～4.

[6]成军祥，张丽.截尾数据下Weibull模型的参数估计[J].焦作工学院学报（自然科学版）2002，21（4）：318～320