基于視情維修的渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)維修保障輔助決策體系研究

李俊杰，王 堯，張 強(qiáng)，胡民民，閆旭東

(1.北京航天測(cè)控技術(shù)有限公司，北京 100041；2.北京強(qiáng)度環(huán)境研究所，北京 100076；3.天津航天瑞萊科技有限公司，天津 300462)

0 引言

渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)由于其體積小、高功重比、重量輕等特點(diǎn)，在高功率、高可靠性裝備中得到了廣泛應(yīng)用。

裝備渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的現(xiàn)代直升機(jī)裝備具備極佳的飛行機(jī)動(dòng)性，這對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)的性能提出了極高的要求。此外，渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)還需滿足復(fù)雜運(yùn)用環(huán)境的苛刻要求。渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)在我國(guó)正式開(kāi)展研制僅有30年的時(shí)間，基礎(chǔ)理論、應(yīng)用研究均不充分，整體性能與國(guó)外相比有較大差距，這些差距也體現(xiàn)在了渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)用和維修工作之上。

伴隨著技術(shù)的發(fā)展與研究的進(jìn)步，工業(yè)領(lǐng)域的巨大變革也帶來(lái)了維修思想的變化，同時(shí)也促進(jìn)了維修策略的發(fā)展。

復(fù)雜裝備科學(xué)的維修保障策略可以有效地降低保障成本和故障風(fēng)險(xiǎn)，關(guān)系裝備任務(wù)效能的有效發(fā)揮。維修思想經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段：故障后維修、以預(yù)防為主的維修，和以可靠性為中心的維修。目前應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的一般性維修理論(如圖1所示)是先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)維修保障決策的基礎(chǔ)。航空發(fā)動(dòng)機(jī)最常使用的三種維修策略分別是定時(shí)維修、事后維修以及視情維修[1-4]。

圖1 復(fù)雜裝備一般維修策略

現(xiàn)階段已有不少學(xué)者從定期計(jì)劃維修[5]、隱故障維修[6]、成批更換策略[7]等維修策略以及訂貨次數(shù)[8]、連續(xù)檢查型[9]、定期檢查型[10]等備件存儲(chǔ)策略的角度開(kāi)展了研究。近年來(lái)，隨著復(fù)雜機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)的迅速發(fā)展，視情維修[11]已成為一類廣泛研究和應(yīng)用的先進(jìn)維修方式，有關(guān)視情維修與備件庫(kù)存聯(lián)合研究問(wèn)題正成為新的研究熱點(diǎn)[12-13]。

從簡(jiǎn)單的單一部件分析到較為復(fù)雜的多部件系統(tǒng)，大量學(xué)者基于各類統(tǒng)計(jì)學(xué)分布、可靠性模型、遺傳算法、蒙特卡洛法等理論方法，結(jié)合計(jì)算機(jī)模擬仿真、各類試驗(yàn)等研究手段，給出了各種基于視情維修的機(jī)械系統(tǒng)的維修保障建議與備件庫(kù)存策略[14-19]。綜合上述調(diào)研成果可以看出，前人針對(duì)視情維修的相關(guān)研究其對(duì)象多為單一設(shè)備或者部件較少的簡(jiǎn)單系統(tǒng)，針對(duì)多部件系統(tǒng)的庫(kù)存優(yōu)化模型也僅采用數(shù)值仿真的解法得到了最優(yōu)結(jié)果的近似值，并未給出故障聯(lián)合概率分布表達(dá)式，無(wú)法給出最優(yōu)值的精確結(jié)果?？傊?，基于視情維修的復(fù)雜裝備維修保障決策類研究還處于其發(fā)展的初期階段，還未形成較為成熟的技術(shù)、理論體系。

本文基于復(fù)雜裝備系統(tǒng)的視情維修策略，以渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)全壽命周期健康管理為出發(fā)點(diǎn)，結(jié)合基層保障單位周期性維修裝備檢測(cè)工作實(shí)際，基于構(gòu)建出的渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)及其關(guān)鍵部件壽命與健康管理綜合知識(shí)庫(kù)，提出了基于視情維修的渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的備發(fā)、備件的維修保障策略；同時(shí)，有效地整合上述研究成果進(jìn)而提出了基于開(kāi)放式、多接口的渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)通用維修保障輔助決策軟件平臺(tái)的整體架構(gòu)。

1 總體結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)路線

1.1 總體結(jié)構(gòu)

基于視情維修的渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)維修輔助決策體系研究的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 研究總體結(jié)構(gòu)

項(xiàng)目研究總體方案中涉及的主要研究?jī)?nèi)容包括渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)及其關(guān)鍵部件壽命與健康管理綜合知識(shí)庫(kù)構(gòu)建、渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)不同服役工況下的壽命損耗規(guī)律研究、通用化渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)備發(fā)量化分析方法、不同故障模式組合工況下渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)備件需求量化分析方法、具備通用型開(kāi)放接口的渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)備發(fā)、備件維修輔助保障決策平臺(tái)的開(kāi)發(fā)。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)路線

基于視情維修的渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)維修輔助決策體系研究的關(guān)鍵技術(shù)路線如圖3所示。

項(xiàng)目研究總體方案中涉及的主要研究?jī)?nèi)容包括渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)及其關(guān)鍵部件壽命與健康管理綜合知識(shí)庫(kù)構(gòu)建、渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)不同服役工況下的壽命損耗規(guī)律研究、通用化渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)備發(fā)量化分析方法、不同故障模式組合工況下渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)備件需求量化分析方法、具備通用型開(kāi)放接口的渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)備發(fā)、備件維修輔助保障決策平臺(tái)的開(kāi)發(fā)。

2 渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)及其關(guān)鍵部件壽命與健康管理綜合知識(shí)庫(kù)

渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)是非常典型且復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)，工作在高旋轉(zhuǎn)速度、高溫度和負(fù)荷比較大的環(huán)境下，這些因素都能導(dǎo)致它在工作的過(guò)程中頻繁的出現(xiàn)故障進(jìn)而影響其壽命。為渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)建一套完備、科學(xué)的壽命評(píng)估與健康管理綜合知識(shí)庫(kù)是針對(duì)多種條件、不同工況開(kāi)展渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)備發(fā)、備件相關(guān)研究的先決條件與關(guān)鍵步驟。

渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)及其關(guān)鍵部件壽命評(píng)估與健康管理綜合知識(shí)庫(kù)的構(gòu)建可以分為三部分(如圖4所示)：知識(shí)收集與獲取、知識(shí)分類與搭建以及知識(shí)庫(kù)管理與擴(kuò)充。首先，獲取渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)用與維修相關(guān)數(shù)據(jù)，包括發(fā)動(dòng)機(jī)裝載平臺(tái)服役記錄、發(fā)動(dòng)機(jī)裝載平臺(tái)工作環(huán)境與工況、維修保障記錄以及故障記錄等。其次，以故障記錄為主體，利用故障樹(shù)結(jié)構(gòu)將上述信息組織起來(lái)，根據(jù)相關(guān)知識(shí)在故障樹(shù)中的表現(xiàn)形式對(duì)知識(shí)進(jìn)行分類，其后依據(jù)影響故障的參數(shù)將發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的參數(shù)與故障的區(qū)間值分成不同的等級(jí)，依據(jù)不同等級(jí)參數(shù)對(duì)故障的影響程度，實(shí)現(xiàn)整個(gè)知識(shí)體系的構(gòu)建。最后，依據(jù)知識(shí)庫(kù)知識(shí)冗余循環(huán)檢測(cè)算法，開(kāi)發(fā)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)知識(shí)庫(kù)的管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)知識(shí)庫(kù)的更新與日常管理。

圖4 渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)及其關(guān)鍵部件壽命評(píng)估與健康管理綜合知識(shí)庫(kù)結(jié)構(gòu)圖

3 渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)備發(fā)量化策略

3.1 渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的循環(huán)壽命統(tǒng)計(jì)法

基于循環(huán)壽命統(tǒng)計(jì)法的航空發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命控制是保證其運(yùn)用安全的有效手段之一，相關(guān)統(tǒng)計(jì)法中占主導(dǎo)的是美制渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)壽命統(tǒng)計(jì)法及法制渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)壽命統(tǒng)計(jì)法。

美制渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)壽命統(tǒng)計(jì)算法源自于我國(guó)針對(duì)20世紀(jì)80年代引進(jìn)的美國(guó)黑鷹直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)歷史記錄儀的反推研究。其具體換算公司可表示為：

(1)

式中，TAC為循環(huán)壽命；LCF為完整循環(huán)，即起動(dòng)—中間—停車；FTC為部分循環(huán)(全節(jié)流循環(huán))，即慢車—起飛—慢車；PTC為部分循環(huán)(部分節(jié)流循環(huán))，即低功率—最大功率—低功率。

上式中，完整循環(huán)中“中間”環(huán)節(jié)表示發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)速達(dá)到95%以上；全節(jié)流循環(huán)中“慢車—起飛—慢車”表示發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)速低于75%的次數(shù)；部分節(jié)流循環(huán)中“低功率—最大功率—低功率”表示發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)速進(jìn)入75%～86%范圍內(nèi)的次數(shù)。

法制渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)壽命統(tǒng)計(jì)算法基于透博梅卡公司的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，其表達(dá)式為：

N=K1+nK2

(2)

式中，N為循環(huán)壽命；n為各類部分循環(huán)次數(shù)出現(xiàn)的次數(shù)；K1為與最大轉(zhuǎn)速有關(guān)的完整循環(huán)次數(shù)計(jì)算系數(shù)，完整循環(huán)最大轉(zhuǎn)速確定為發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率100%時(shí)的轉(zhuǎn)速；K2為與最小轉(zhuǎn)速有關(guān)的部分循環(huán)次數(shù)計(jì)算系數(shù)，部分循環(huán)為發(fā)動(dòng)機(jī)減速至85%而不停車在加速的工作過(guò)程；K1和K2取值見(jiàn)表1和表2。

表1 法制渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)壽命統(tǒng)計(jì)法-完整循環(huán)系K1

表2 法制渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)壽命統(tǒng)計(jì)法-部分循環(huán)系K2

上述兩種算法都可以根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的完整循環(huán)壽命和部分循環(huán)壽命統(tǒng)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)的循環(huán)壽命，且它們對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)壽命監(jiān)控的分析機(jī)理相同。但特別值得注意的是，美制算法和法制算法對(duì)于完整循環(huán)和部分循環(huán)門限數(shù)量、大小的定義存在著較大的區(qū)別。

本文研究體系選取法制渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)壽命計(jì)算方法進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)壽命層面的解算，以期更加細(xì)致地考慮低循環(huán)應(yīng)力對(duì)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)壽命的影響，進(jìn)而結(jié)合渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)及其關(guān)鍵部件運(yùn)用與故障綜合知識(shí)庫(kù)中的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)數(shù)據(jù)，得到更加準(zhǔn)確的發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)壽命統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

3.2 渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)用條件特征分析

裝備渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的直升機(jī)運(yùn)用過(guò)程極為復(fù)雜，整體設(shè)計(jì)需滿足測(cè)試、訓(xùn)練以及運(yùn)用過(guò)程中的各類情況，因此成熟的基于視情維修的渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)維修保證智能輔助管理決策系統(tǒng)應(yīng)全面細(xì)致地考慮對(duì)象運(yùn)用過(guò)程中的各類條件。

整個(gè)運(yùn)用條件特征分析的技術(shù)路徑如圖5所示。運(yùn)用條件特征分析基于裝載平臺(tái)——直升機(jī)的運(yùn)用工況，具體體現(xiàn)為直升機(jī)運(yùn)用過(guò)程中涉及的各類常規(guī)動(dòng)作和特殊動(dòng)作。首先，依據(jù)直升機(jī)飛行動(dòng)作難度等級(jí)表所列內(nèi)容，選擇最常出現(xiàn)的一、二、三級(jí)動(dòng)作作為備選工況庫(kù)；其次，結(jié)合渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)及其核心備件壽命與健康管理知識(shí)庫(kù)中收錄的直升機(jī)運(yùn)用過(guò)程多源信號(hào)數(shù)據(jù)集，進(jìn)行工況的選取與匹配，考慮到工況識(shí)別的精度與可操作性，從中篩選出具備較強(qiáng)可識(shí)別行的若干工況；最后，基于知識(shí)庫(kù)中關(guān)于所選取的運(yùn)用環(huán)境和服役條件，引入影響渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)服役循環(huán)壽命的環(huán)境影響因子，最終共同構(gòu)建出具備明確特征的基于多源數(shù)據(jù)的渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)典型工況數(shù)據(jù)庫(kù)，相關(guān)內(nèi)容可并入渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)及其關(guān)鍵部件運(yùn)用與故障綜合知識(shí)庫(kù)。

圖5 渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)用條件特征分析技術(shù)路徑

3.3 渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)各類使用條件下的壽命損耗研究與備發(fā)量化策略

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命控制是保證其運(yùn)用安全的有效手段之一。進(jìn)行渦軸發(fā)動(dòng)不同使用條件下的壽命損耗研究就是其中重要的一環(huán)。綜合前述內(nèi)容包括渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)及其關(guān)鍵部件壽命評(píng)估與健康管理綜合知識(shí)庫(kù)、渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)壽命統(tǒng)計(jì)法及發(fā)動(dòng)機(jī)典型運(yùn)用條件特征分析，便可進(jìn)行渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)各種使用條件下的壽命損耗規(guī)律研究方法構(gòu)建；更進(jìn)一步地，結(jié)合裝機(jī)備件和地面?zhèn)浼壤?機(jī)地比)等運(yùn)用單位實(shí)際備發(fā)需求，構(gòu)建渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)備發(fā)量化策略。

具體實(shí)施過(guò)程依照?qǐng)D6所示的技術(shù)路徑展開(kāi)：首先依據(jù)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)及其關(guān)鍵部件壽命與健康管理知識(shí)庫(kù)建立基于渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)用典型工況的參考數(shù)據(jù)集，具體的手段為利用完備數(shù)據(jù)集內(nèi)容通過(guò)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理及維度約減扥手段，基于聚類算法得到渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)服役典型工況的聚類中心及其聚類半徑；其后，基于待測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)測(cè)過(guò)程收集的多維數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)分類提取、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理及維度約減等數(shù)據(jù)處理手段，得到待確定工況與參考數(shù)據(jù)集典型工況的聚類半徑距離，針對(duì)每組數(shù)據(jù)以最小半徑取值為導(dǎo)向確定待定工況；之后，結(jié)合基于相似性匹配法來(lái)分析待測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)與參考數(shù)據(jù)集的性能退化曲線，進(jìn)而得到二者服役壽命(剩余)的相似性距離，最終基于相似性距離分析的相關(guān)結(jié)果得到各數(shù)據(jù)信息間的加權(quán)權(quán)重，同時(shí)考慮渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)服役過(guò)程中的機(jī)地比等運(yùn)用需求，得到渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)通用化備發(fā)策略。

圖6 渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)各類使用條件下的壽命損耗研究技術(shù)路徑

K均值聚類算法的基本原理如下[15]：設(shè)X={X1,X2,X3,…,Xn}是個(gè)對(duì)象并且每個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象都是N維的，即Xi= {Xi 1,Xi 2,Xi 3,…,Xi n} 。K均值聚類算法就是要找到含有K個(gè)聚類中心的集合(接下式)：

C={C1,C2,C3,…,CK}={(C11,C12,C13,…,C1N),

(C21,C22,C23,…,C2N),…,(CK1,CK2,CK3,…,CKN)}

使得目標(biāo)函數(shù)：

(3)

其中：ni被歸類為類Ci的數(shù)據(jù)對(duì)象點(diǎn)數(shù)，d(Ci+Xj)表示聚類中心與數(shù)據(jù)對(duì)象的歐里幾德距離，其定義如下：

d(Ci+Xj)=

(4)

K均值聚類算法的核心就是把數(shù)據(jù)集劃分成使目標(biāo)函數(shù)達(dá)到其最小值得K個(gè)類別。整個(gè)算法的操作步驟如圖7所示。

圖7 K均值聚類算法步驟流程圖

綜上所述，利用基于K均值聚類算法的工況識(shí)別以及相似性匹配等手段，可以較好地解決復(fù)合工況下發(fā)動(dòng)機(jī)剩余壽命的預(yù)測(cè)問(wèn)題。其后，考慮機(jī)地比等備發(fā)需求(參考值為1∶0.5，1∶0.33,1∶0.25)，利用廣義更新過(guò)程(GRP)修正的改進(jìn)型比例危險(xiǎn)模型建立反映壽命、性能參數(shù)、環(huán)境的視情維修渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)備發(fā)量化模型，具體施行過(guò)程如圖8所示。

圖8 考慮機(jī)地比的渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)備發(fā)量化分析流程

4 渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部件備件量化策略

4.1 渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部件典型故障模式梳理與成因分析

渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)作為多部件組成的復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)(其結(jié)構(gòu)如圖9所示)，每個(gè)部件的工況都與整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況密切相關(guān)，因此從關(guān)鍵部件角度入手，判定相關(guān)工作件運(yùn)行狀況的優(yōu)劣對(duì)于評(píng)價(jià)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的健康狀況至關(guān)重要。渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)故障知識(shí)可以分為三種類型：性能型故障、結(jié)構(gòu)型故障以及附件系統(tǒng)故障。

圖9 渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)性能故障的知識(shí)體系如圖10所示。性能型故障在渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)故障體系中出現(xiàn)的比例不高，大約占各類發(fā)動(dòng)機(jī)故障的10%～20%。發(fā)動(dòng)機(jī)不能在規(guī)定時(shí)間內(nèi)起動(dòng)以及給定飛行條件和控制電壓下推力不穩(wěn)定是航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能故障中最常見(jiàn)的兩類。

圖10 渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)性能型故障模式知識(shí)體系

渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)是多個(gè)部件組成的復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)，因此出現(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)類故障的概率極高。多方面、多類型、后果嚴(yán)重是渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)型故障的3個(gè)重要特征。與前述渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)功能型故障相比，結(jié)構(gòu)型故障的發(fā)生率要高出6～10倍，其最常出現(xiàn)在諸如軸承、渦輪葉片、壓氣機(jī)等部位。渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)型故障的知識(shí)體系如圖11所示。

圖11 渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)型故障模式知識(shí)體系

渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)除實(shí)現(xiàn)動(dòng)力轉(zhuǎn)化、輸出功能的本體機(jī)械結(jié)構(gòu)外，還有為保證其正常工作必不可少的附加系統(tǒng)。起動(dòng)系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、供電系統(tǒng)以及燃油系統(tǒng)共同組成了渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的附加系統(tǒng)。渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)附加系統(tǒng)故障知識(shí)體系如圖12所示。

圖12 渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)附加系統(tǒng)故障模式知識(shí)體系

4.2 考慮故障概率的發(fā)動(dòng)機(jī)核心備件的量化分析

為實(shí)現(xiàn)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)備件的最優(yōu)維保策略與整機(jī)健康管理，需對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部件進(jìn)行單一故障概故障下的壽命評(píng)估。本節(jié)研究結(jié)合主機(jī)廠現(xiàn)有型號(hào)飛機(jī)的典型故障進(jìn)行信息的分類與選取，對(duì)所選取的部件參照故障模式、影響及危害度分析(FMECA)的關(guān)鍵步驟對(duì)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部件的典型故障進(jìn)行故障率曲線的詳細(xì)歸納；基于渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)關(guān)鍵壽命控制件的疲勞壽命分布函數(shù)，推導(dǎo)發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)核心備件的備件需求量公式，最終實(shí)現(xiàn)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部件備件量化分析方法的構(gòu)建。本節(jié)研究遵循圖13所示的流程進(jìn)行展開(kāi)。

圖13 渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)核心備件量化分析流程

整體施行可以分為以下三步：基于現(xiàn)有型號(hào)直升機(jī)相關(guān)故障數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)典型故障模式下的故障概率；依據(jù)前述故障概率統(tǒng)計(jì)分析，繪制核心備件的故障率曲線同時(shí)將其與典型故障的數(shù)據(jù)特點(diǎn)分析相結(jié)合，將相關(guān)核心備件分為三種類型：分別是服從指數(shù)壽命分布型備件、服從威布爾壽命分布型備件以及服從正態(tài)壽命分布型備件；依據(jù)不同壽命分布性備件得到其壽命分布函數(shù)，進(jìn)而推導(dǎo)出對(duì)應(yīng)的備件需求量表達(dá)式，從而實(shí)現(xiàn)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)核心備件的量化分析。以上述三步為進(jìn)行展開(kāi)，可以得到：

1)服從指數(shù)壽命分布型備件。壽命服從指數(shù)分布的核心備件，其壽命分布密度可以表示為：

f(t)=λe-λt

(5)

式(5)中，λ為失效率，其為平均故障間隔時(shí)間的倒數(shù)?；谏鲜鲫P(guān)系經(jīng)推導(dǎo)可得備件保障概率的表達(dá)式，如式(6)所示：

(6)

式(6)中，S為裝備中備件的需求量，t為累計(jì)工作時(shí)間。當(dāng)Nλt>5時(shí)，備件需求量可用正態(tài)分布近似估計(jì)計(jì)算：

(7)

式(7)中，up為正態(tài)分布分位數(shù)(詳細(xì)數(shù)值詳見(jiàn)GB/T 4086.1)。

2)服從正態(tài)壽命分布型備件。壽命服從正態(tài)分布的核心備件，其壽命分布密度可以表示為：

(8)

進(jìn)而可得服從正態(tài)分布的核心備件的需求量基本表達(dá)式：

(9)

式中，E為對(duì)象壽命均值，σ為壽命統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)差，t為核心備件更換周期。

3)服從威布爾壽命分布型備件。壽命服從威布爾分布的核心備件，其壽命分布密度可以表示為：

(10)

式中，t為隨機(jī)變量，β為形狀參數(shù)，η為尺度參數(shù)，r為位置參數(shù)。這里假設(shè)，則可以得到平均壽命表達(dá)式：

(11)

進(jìn)而得到備件需求量表達(dá)式：

(12)

式(12)中，K為變異系數(shù)，可以由下式確定：

(13)

式(13)中各個(gè)變量的詳細(xì)信息可查閱國(guó)際電工委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)IEC 61649。

4.3 多接口通用型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)備發(fā)、備件維修保障輔助決策平臺(tái)架構(gòu)

基于視情維修的渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)維修保障輔助決策軟件平臺(tái)的整體構(gòu)架如圖14所示。整套軟件采用開(kāi)放式、多模塊的框架結(jié)構(gòu)，基于計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備與裝載平臺(tái)操作系統(tǒng)條件進(jìn)行維修輔助決策平臺(tái)樣機(jī)的開(kāi)發(fā)，將前端開(kāi)發(fā)、核心算法、數(shù)據(jù)庫(kù)及參數(shù)結(jié)構(gòu)等元素有效地整合至平臺(tái)樣機(jī)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)備發(fā)、備件核心算法的工程化實(shí)踐。更進(jìn)一步地，開(kāi)放式、多模塊平臺(tái)架構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)基于特定對(duì)象參數(shù)體系的多型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)踐與應(yīng)用。

圖14 維修保障輔助決策平臺(tái)架構(gòu)圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以實(shí)現(xiàn)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的視情維修為研究目標(biāo)，系統(tǒng)性地闡述了其維修保障輔助決策技術(shù)體系：首先以構(gòu)建渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)及其關(guān)鍵部件壽命與健康管理綜合知識(shí)庫(kù)為目標(biāo)，闡述了如何有效整合諸如運(yùn)用知識(shí)、故障知識(shí)等信息的方法與策略；其次以渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)壽命統(tǒng)計(jì)法、渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)用條件特征分析及基于K均值聚類算法的不同工況備發(fā)量化方法為依托，闡明了渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)各類使用條件下的整機(jī)備發(fā)量化策略；更進(jìn)一步地，基于渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部件典型故障模式梳理與成因分析及基于故障統(tǒng)計(jì)的渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性數(shù)據(jù)，構(gòu)建出渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部件備件量化法分析策略；最后，結(jié)合上述基于視情維修的渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)維修保障知識(shí)庫(kù)與備發(fā)、備件策略，提出基于工程化實(shí)踐的渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)維修保障輔助決策軟件平臺(tái)的架構(gòu)體系。本文提出的相關(guān)維修保障輔助決策體系能夠用于渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的復(fù)雜裝備系統(tǒng)綜合性維修、保障技術(shù)的工程實(shí)踐。