基于试飞数据的航空发动机维修性分析优化技术研究

徐小芳 高雅娟 武红姣/中国飞行试验研究院

0 引言

维修性是产品在规定的条件下和规定的时间内、按规定的程序和方法进行维修时保持或恢复到规定状态的能力[1]，是体现产品维修简捷、方便、技术要求和维修成本低的一种通用质量特性。试飞阶段航空发动机维修工作主要依据其使用维护说明书、维修规程等实施，而这些文件又是依据预防性维修大纲编制的。预防性维修大纲是预防性维修方案的汇总文件，制定时因缺乏必要的数据，往往较为保守，需要在收集和分析实际使用维修数据的基础上，对预防性维修工作类型、维修间隔期等进行调整，逐步使其更加实用和合理[2]，达到优化维修方案的目的。要实现维修方案的优化，促使维修工作更加科学合理，需借助于先进的维修理念和方法，这种理念和方法即是以可靠性为中心的维修（RCM）。

RCM 是目前国际上通用的用以确定产品预防性维修需求、优化维修制度的一种系统工程方法[3]。本文引入RCM理论和方法，开展基于试飞数据的航空发动机维修性分析优化研究，以期剖析试飞阶段航空发动机维修性与指标要求偏离的原因，为提升我国航空发动机的维修性提供有效方法和途径，为新发动机研制论证提供借鉴和参考，实现试飞为装备发展服务的目标。

1 航空发动机试飞维修性现状

目前，按要求对航空发动机的试飞维修性开展定性和定量评价。其中，定量评价的主要参数是每飞行小时平均维修工时；定性评价主要从可达性、标准化与互换性、防差错措施与识别标记、检测的方便性与快捷性、维修安全性、人素工程六个方面进行，以发现其存在的设计、制造、工艺、使用和维修等问题和缺陷，为设计更改提供参考。

据不完全统计，国产航空发动机试飞期间，其维修性定量评价结果往往与指标要求存在不同程度的偏离，严重的仅能达到指标要求的30%左右，达标率较低。在维修性定性评价中发现的问题，通过问题反馈—设计分析—设计答复流程后，能在试飞期间落实更改的很有限，往往承诺在后续产品中更改。可见，目前试飞阶段的维修性评价主要关注点在“机”本身，对“人、机、料、法、环”中除“机”以外的因素重视不够。本文在“机”基础上，增加对“人”和“法”的关注。“人”是指参与维修工作的机务维修人员，“法”是开展维修工作的依据，以拓展维修性分析的范围，为实现维修性增长和数字化研制论证提供有效的方法途径。

2 基于RCM 的维修性分析优化技术研究

2.1 RCM 内涵及应用适应性研究

RCM 内涵是以产品的可靠性发展规律为基础，应用逻辑决断法确定预防性维修要求，实现以最少的资源消耗保持产品的可靠性和安全性。RCM 维修主要包括视情维修和状态监控，其中视情维修是当产品有功能故障征兆时进行的维修方式；状态监控是指利用仪表和人的感官，在操作期间对关键部件进行观察，及时发现故障征兆，在故障发生前采取有效的预防措施，以防止故障发生。但RCM 的应用需要“机”具备诸如机内自检测（ВIT）和先进的测试仪器仪表系统等状态监控设计，在此基础上指导维修工作的维修大纲等“法”才有进一步优化和改进的可能和空间。

随着科学技术的发展，在航空发动机研制中，配置了综合电子调节器/数字电子控制器等重要附件，与发动机传感器、机械液压调节装置等航空发动机控制系统和状态监控系统一起，自动调节发动机相关参数，保证发动机工作稳定可靠。同时，通过飞参数据、座舱内自检测等方式，能够检测、监控发动机的状态。因此，RCM 适用于在航空发动机维修中应用，为维修模式转变和维修优化奠定了基础。

2.2 维修性分析优化方法研究

维修性分析从维修性定量评价不达标入手，剖析背后的原因，探索提升的方法途径，为制定优化方案提供支持。根据GJВ2072[4]，每飞行小时平均维修工时计算模型如下：

其中，LMMH为每飞行小时平均维修工时，单位为工时/飞行小时；MMH为发动机总维修工时，单位为工时；T为发动机总飞行小时，单位为小时。

根据飞行试验的特点，其试验过程可看作定时截尾试验，因此，式（1）中的分母是相对固定的值。若想获取较小的每飞行小时平均维修工时，需减少航空发动机的总维修工时。维修工时减少方法流程见图1。

维修工时是完成规定维修工作的参与人数与持续时间乘积之和。通过减少维修参与人数、缩短维修时间、减少维修工作项目，均可减少维修工时，从而提高航空发动机的维修性。参加维修工作的人数及其维修时间在进行数据收集时已按实际进行了处理，统计的是实际工作人数和有效工作时间，在提高维修性方面已无上升和改进空间。下面从维修工作项目优化方面，分析提高维修性的方法和途径。

维修工作项目是根据发动机使用维护说明书或维修大纲等技术资料制定的，这些技术资料是开展维修工作的依据，即“法”。但这些技术文件在制定时还缺乏必要的数据支撑，还需要通过工程实践对维修工作项目（含维修间隔）进行优化，以形成更加科学合理的维修方案，为航空发动机使用维护说明书或维修大纲完善提供支持。维修工作项目优化方法流程见图2。

图1 航空发动机减少维修工时的方法流程

图2 维修工作项目优化方法流程

由图2 可以看出，优化过程最重要的是基于试飞数据，运用RCM 逻辑决断法判定维修工作项目和维修间隔的合理性和有效性，为维修工作项目和维修间隔保留/调整/合并/取消等维修决策提供支撑。一般来说，航空发动机的预防性维修工作包括飞行前、再次出动、飞行后和定检工作。这些维修工作项目是否必要和有效，以其能否以最少的资源消耗保证可靠性和安全性为判定原则，因此需要统计分析故障发生发现的时机。某型航空发动机故障发生发现时机包括：地面试验、地面试车/开车、地面滑行、空中飞行、排故、飞行前、飞行后、再次出动、定检及其他。其中，飞行前、飞行后、再次出动、定检等发生发现的故障和维修工作项目优化有关。预防性维修发现的故障分布图见 图3。

图3 预防性维修发现的故障分布图

表1 航空发动机预防性维修工作项目优化方案

由图3 及试飞采集的信息数据可知：飞行前发现1 起外部泄漏故障；再次出动的2 起故障通过通电和目视检查可发现；定检的4 起故障均不是25h 定检发现的；飞行后发现9 起故障，占预防性维修发现故障的56.3%。因此，按照RCM 逻辑决断优化方法流程，建议：适当减少飞行前检查频次；缩减再次出动工作内容，减少参试人员数量；保留飞行后或取消单飞行日的飞行后工作；取消25h 定检，保留其他定检工作。

根据以上维修工作优化建议，考虑优化的合理性、显著性和综合性，提出预防性维修工作优化方案，见表1。

修复性维修优化从故障入手，按照GJВ/Z77-95[5]，借鉴故障报告、分析和纠正措施系统（FRACAS），对故障进行分类。考虑技术、进度和费用等条件限制，仅对В 类故障进行改进。同时，该标准给出的В 类故障改进有效性系数取值范围一般为0.55 ～0.85，从中估算出改进消除的故障数及其减少的维修工时，考虑优化的合理性、显著性和科学性，形成修复性维修优化方案，并与预防性维修方案综合，形成维修性综合优化方案。修复性维修方案制定时，为方便起见，以В 类 故 障 数10 以 内 为例，提出优化方案，其他可对方案进行扩充。同时，按所有В 类改进有效，对维修性能达到的水平进行摸底。具体方案如下。

1）从维修工时最小的故障开始，工时自小到大，至优化个数对应的故障改进有效，其和为减小的工时数；

2）从维修工时第二小故障开始，工时自小到大，至优化个数对应的故障改进有效，其和为减小的工时数；

3）从维修工时第三小故障开始，工时自小到大，至优化个数对应的故障改进有效，其和为减小的工时数；

4）从维修工时第四小故障开始，工时自小到大，至优化个数对应的故障改进有效，其和为减小的工时数；

5）从维修工时第三大故障开始，工时自大到小，至优化个数对应的故障改进有效，其和为减小的工时数

6）从维修工时第二大故障开始，工时自大到小，至优化个数对应的故障改进有效，其和为减小的工时数；

7）从维修工时最大故障开始，工时自大到小，至优化个数对应的故障改进有效，其和为减小的工时数；

8）所有В 类故障改进有效，减少的修复性维修工时达到最大值。

3 应用实例

为了应用以上维修优化方法，需进行试飞的飞行日及架次、预防性维修次数、飞行日类型及В 类故障维修工时等数据统计。以某型航空发动机设计定型试飞期间一段数据为例，期间共进行飞行前检查近300 次，再次出动检查260 余次。10 余台参试发动机共进行25h 定检23 次，其中首次25h 定检12 次。经过分析确认的В 类故障9起，用F1-F9 编号，其修复性维修工时见表2（其中工时如3：20 表示3 小时20 分钟），不同飞行日次数统计分布见图4。按照“试验—暴露—改进—再试验”模式，利用统计的发动机飞行时间和单次飞行前、再次出动、飞行后和定检时间等数据，得出某型航空发动机优化方案实施后维修工时变化及每飞行小时平均维修工时预测结果，见 表3。

表2 B类故障修复性维修工时统计

图4 不同飞行日次数统计分布图

表3 优化方案实施后维修工时变化及LMMH预测结果

从表3 可以看出，某型航空发动机的每飞行小时平均维修工时优化后最优能达到1.26 人时/飞行小时，保守预计能达到1.80 人时/飞行小时，与目前的指标要求尚有一定的差距，表明发动机目前的维修性指标存在虚高现象。建议从以下方面加强航空发动机维修性工作。

1）树立航空发动机通用特性标杆，开展全寿命周期对标研究，找出使用中不达标者与标杆的具体差距，进行分析评价和预测，以提升航空发动机维修性整体水平。

2）提倡以可靠性为中心的维修，摒弃定时维修的观念[6]。开展数据挖掘分析，在维修性大纲制定中贯彻以可靠性为中心的理念，发挥数据的价值和作用，而不是简单粗暴地通过缩短定检周期、增加定检频次来预防故障和提高飞行安全，否则不但难以达到预期效果，反而导致“过度维修”。

3） 在 航 空发动机维修性研制论证中，应注重试飞和试验数据的融合应用，考虑我国当前的技术水平，应运用数据来指导论证，用论证推动研制，提出符合我国国情的航空发动机维修性指标 要求。

4 结束语

航空发动机是飞机的“心脏”，其对飞行安全和飞机利用率的影响不容忽视。本文对试飞数据价值挖掘做了有益尝试，引入RCM 理论，提出维修工作项目优化方法流程，形成了航空发动机维修性综合优化方案，并通过某型航空发动机试飞数据进行了方案实施后的维修性预测，预测结果表明仍与指标要求有一定差距。一方面说明我国航空发动机维修性仍有很大的提升空间，另一方面说明提出的维修性指标偏高[7]。期望在航空发动机全寿命周期维修性工作中，打破参试单位界限，实现数据深度共享，并借助数据挖掘、信息化和仿真试验验证等先进技术手段，全面提升航空发动机包括维修性在内的通用特性水平，为我国后续装备提供强有力的“中国心”。