航空发动机可靠性-指标体系，通论

与一般机械产品不同，航空发动机作为一种由许多零部件和附件组成的长期在高温下工作的高速旋转机械系统，投入使用后会表现出易发生故障和不断出现新故障模式的特点。我国GJB 241A—2010《航空涡轮喷气和涡轮风扇发动机通用规范》对可靠性工作按“一般要求”“定性要求”“定量要求”分别予以规定，并要求在发动机不同研制阶段对可靠性予以评估和验证。

GJB 241A—2010 规定航空发动机可靠性工作主要包括以下四个层面：

1）制定发动机可靠性设计准则；

2）进行发动机故障模式、影响及危害度分析，并在此基础上确定可靠性关键件；

3）建立并有效运行故障报告、分析和纠正措施系统；

4）确定发动机的可靠性指标，并根据整机、附件试验结果，在不同研制阶段分别进行评定。

由于故障模式繁多，不同的故障模式通常又表现出不同的分布规律，因此通常用平均故障间隔时间或故障率（失效率）来反映发动机的可靠性水平。对于平均间隔时间较长的故障，为便于表述，通常用故障率（次/103发动机飞行小时）来表达。此外，还规定典型模式（或类别）的故障平均间隔时间（或故障率）。

8.2.2.1　平均故障间隔时间

考虑发动机所有故障的平均间隔时间，可以反映发动机的可靠性综合水平，也会直接影响发动机的经济性和使用维护成本。

平均故障间隔时间通常被定义为：在规定的条件下和规定的时间内，可修复产品的寿命单位总数与故障总次数之比。

平均故障间隔时间MTBF 的直接定义：对于可修复产品，其平均故障间隔时间为产品的总工作时间（故障或到寿）与总故障数之比。其基本表达式为

式中，N0——发动机故障的次数；

ti——第i 次故障的间隔时间。

对于装机飞行的发动机而言，有时还用飞行小时来反映MTBF，这时可用MTBF 的间接定义，即根据平均故障间隔飞行小时TMFHBF来计算的：

式中，K0——环境因子；

K2——K2=TOH/TFH为运行比，为产品工作时间（空＋地）/飞行时间。

TMFHBF的计算表达式为

8.2.2.2　按故障本身性质分类的指标

（1）空中停车率

空中停车是发动机的一种典型故障模式，会给飞行员造成一定的心理负担，影响飞行任务的遂行，甚至有时会影响飞行安全。

空中停车率定义为：发动机在每1 000 飞行小时中所发生的空中停车的总次数，单位为次/1 000 飞行小时，它是表征发动机可靠性的重要参数之一。引起发动机的故障导致停车主要有两方面原因，一是由于发动机本身产生故障所致，即基本空中停车率；另一是由于飞机系统故障所致。通常所讲的空中停车率都指的是基本空中停车率。

（2）危险性故障率

发动机的危险性故障直接危及飞行安全，危险性故障率应作为一个可靠性指标之一，这也是反映发动机安全性水平的重要指标之一。

危险性发动机故障率定义为：发动机在每1 000 飞行小时中所发生的危险性故障次数，单位为次/1 000 飞行小时。

欧洲航空安全局（EASA）的《发动机合格证规范》（CS－E）中明确以下情况属于危险性影响：

1）高能碎片不包容；

2）客舱用发动机引气中有毒物质浓度足以使机组人员或乘客失去能力；

3）与驾驶员想要的推力方向相反的相当大的推力；

4）失去控制的着火；

5）发动机安装系统失效，导致非故意的发动机脱开；

6）发动机引起的螺旋桨脱开；

7）不能使发动机完全停车。

8.2.2.3　按故障影响后果分类的指标

（1）由于发动机故障引起的飞机严重损失率

定义：在每1 000 飞行小时中由于发动机故障导致的飞机严重损失次数。

（2）影响任务的故障率

定义：发动机在每1 000 飞行小时中由于发动机故障而引起任务取消、中断或失败的故障次数。

（3）提前换发率

定义：发动机在每1 000 飞行小时中由于发动机故障提前更换发动机的次数（不是计划之内的换发次数），单位为次/1 000 飞行小时。提前换发率也称为非计划换发率，它是发动机可靠性的重要参数之一。引起飞机更换发动机的原因，有因发动机本身故障所致和因飞机系统故障所致，前者为基本换发率。通常所讲的提前换发率都指的是基本换发率。

（4）总的发动机更换率

定义：发动机在每1 000 飞行小时中由于发动机故障造成的更换发动机的次数与计划内的换发次数之和，单位为次/1 000 飞行小时。

（5）外场可更换件更换率

定义：发动机在每1 000 飞行小时中由于发动机故障造成的外场被更换件的数目，单位为件/1 000 飞行小时。(www.xing528.com)

（6）固有的平均维修间隔时间

定义：在规定的条件下和规定的时间内，产品寿命单位总数与该产品计划维修总数之比。

（7）计划外平均维修间隔时间

定义：在规定的条件下和规定的时间内，产品寿命单位总数与该产品非计划维修事件总数之比。

（8）发动机平均维修间隔时间

定义：在规定的条件下和规定的时间内，航空发动机寿命单位总数与该产品计划维修和非计划维修事件总数之比。平均维修间隔时间MTBM 和MTBF 存在着一定的量化关系，二者具有相关性，选择参数时只能选一个，美空军习惯用MTBM，美海军习惯用MTBF。MTBM 是以MTBF 为基础，并考虑到环境和复杂程度的影响所确定的一个耐久性指标，两者关系由美国空军和波音公司基于大量的统计而获得的，为

式中，k——环境参数；

α——复杂参数。

在只考虑发动机故障时，一般选 k=2.39，α=0.66。

（9）提前返修率

定义：在每1 000 飞行小时中由于发动机故障而造成提前返厂修理的次数（不是计划之内的修理次数），单位为次/1 000 飞行小时。

8.2.2.4　军用航空发动机可靠性指标确定原则

航空发动机可靠性指标的选择要遵循一定的原则，不同的系统不一定必须选用所有参数，而是在对具体的系统进行详细的分析后，在满足所需求的情况下，选用最少的可靠性参数。其可靠性指标体系应以效能—费用为目的，综合分析，体现出参数体系和指标的先进性、科学性、阶段性及可操作性、可鉴定性等。

确立发动机可靠性指标体系时要考虑以下因素：

（1）提出固有可靠性指标

产品的可靠性是设计、制造出来的，并在使用中得以体现。一般来说，合同中的可靠性指标都采用固有可靠性而不用使用可靠性。所谓固有可靠性即指产品从设计到制造的整个过程中所确定的内在可靠性，它只与产品设计质量的好坏及制造过程中的质量控制有关，是研制方在设计与制造过程中能够控制的。而使用可靠性考虑了使用、维护对产品可靠性的影响，包括使用维护方法和程序、操作人员的技术熟练程度等不可控因素，这些都会对产品寿命和功能的发挥产生重大影响。合同作为使用方向研制方提出要求的一种协议，其中的可靠性指标应是由研制方完全可控制的，故一般用固有可靠性作为合同指标。若由于某种原因需要将使用可靠性指标纳入合同，则应同时在合同或其附件中明确使用维护条件等影响产品固有可靠性的因素。

（2）要明确任务剖面、寿命剖面

通常，可靠性指标在发动机型号立项（招标书）文件中，应提出目标值和门限值，在制定合同和研制任务书时应提出规定值和最低可接受值，也可以只提出门限值或最低可接受值，同时还应明确寿命剖面和任务剖面。寿命剖面是描述产品从制造完成到报废这段时间内所经历的时间和环境。

（3）应给出一定置信度下的可靠性要求

产品的性能参数会随着制造误差、环境条件等随机因素的变化而产生偏差，为了保证其使用要求，必须对性能参数的偏差加以限制。因此，对一项定量指标S 的要求应有标准值 S0、偏离 S0的正负偏差范围＋ΔS1和－ΔS2，以及真值落在（S0－ΔS2，S0＋ΔS1）范围内的置信概率 PS（又称置信度），记为。当然对于那些单侧型的指标，表达式应为。

在验证产品指标时，大多数性能参数可以用仪表直接测量，其误差是否满足要求一目了然。因此，可以认为这些指标的置信度为100%。有一些性能参数用仪表测量时虽不消耗产品，但测量工作耗时费钱，所以验证产品的性能参数时常常也要抽样检验。这就提出了置信度问题，即由子样试验获取的数据在多大程度上能表征本批次产品的质量。人们习惯于用性能可靠度来代替性能指标的置信度要求。性能可靠度是指产品在规定工作条件下和规定工作时间内，其性能参数S 满足规定的要求的概率。

产品的可靠性表征了其性能的稳定性，这种稳定性使产品在其寿命期内具有在规定的条件下和规定的时间内完成规定任务的能力。产品的可靠性要通过收集试验和使用数据，运用一定的概率统计方法获取。在定义可靠性指标上下限的同时，还需给出产品可靠性真值落在规定范围内的置信度PS，如等。

（4）可靠性指标应具有完备性

产品自出厂交付后，一般要经过包装、运输、储存、使用、维修等过程事件，直至报废，应在分析产品寿命剖面的基础上提出不同的指标要求。合同中的可靠性指标应覆盖产品的全寿命期，而不仅仅要求任务可靠性，这就是指标的完备性。当然对同一产品也不宜规定过多的可靠性指标，否则容易导致不协调且验证困难。

（5）可靠性指标应具有协调性

所谓协调性是指同一产品的可靠性指标间应相互协调，比如不能将某一指标提得很高，却放松对另一指标的要求，否则不但会给产品实现带来一定的困难，且不利于保证使用完好性和降低寿命周期费用。

（6）可靠性指标应具有阶段性

与性能指标不同的是，产品的固有可靠性在其整个寿命期内会不断增长。通过分析研制阶段各种试验中暴露出来的故障和产品使用中出现的问题，改进产品设计或工艺上存在的缺陷，产品的固有可靠性会不断提高。针对这一特点，在合同中应分阶段提出产品的可靠性指标值，以充分利用有限的资金并在规定的时间内达到最终的可靠性指标——成熟期目标值。如美国空军的某型装备将成功率指标分成以下不同阶段提出：

1）形成初步使用能力时的门限值P1=0.60；

2）形成初步使用能力一年后的门限值P2=0.75；

3）形成初步使用能力4年后的门限值P3=0.86；

4）产品成熟期的目标值 P4=0.90。

阶段划分的目标越多，越便于控制，但阶段值过多时需投入相当多的物力、财力和时间进行可靠性监控。

根据我国武器装备的研发体制，一般对装备的每项可靠性指标只提两个值：设计定型时的最低可接受值和成熟期目标值。最低可接受值是装备必须达到的合同指标，该指标保证了装备具有初步使用能力；成熟期目标值是装备预期达到的可靠性指标，该指标既能满足使用要求，又可达到装备全寿命期内的最佳效费比。一般规定，定型若干年后产品可靠性要达到成熟期目标值。通常把成熟期目标值作为产品设计的依据，而把最低可接受值作为产品定型阶段必须达到的要考核验证的指标，这是产品能否进行定型的重要依据之一。

（7）可靠性指标应具有可验证性

合同指标既是研制方开展产品设计的依据，也是使用方验证产品是否满足要求的依据。因此合同中的可靠性指标应具有可验证性，即能通过可实现的方法检验产品的可靠性是否达到指标要求，必要时，可在合同或其附件上明确可靠性的验证方法。当然验证手段可有多种，如在研制方或其他单位进行的内场试验验证、利用外场使用信息进行可靠性评估、综合低层次产品可靠性试验数据的评估验证、可靠性预计分析等。

（8）合理分配提出分系统和附件的指标要求

航空发动机是复杂机电产品，本身是由诸多零部件和分系统组成的。根据外场使用经验，分系统故障占了故障总数的1/3 左右，对发动机工作具有重要影响。主机（发动机总体）单位需要对单独研制的重要的分系统和附件提出可靠性指标要求，二类以上的写入研制总要求，三类以下的列入技术协议，如控制系统、健康管理系统、控制器、油泵、传感器等。提出指标的依据是根据主机的可靠性分配以及当前技术水平综合分析确定。

8.2.2.5　国外航空发动机可靠性指标选择实例

国外典型的发动机可靠性指标见表8－2。

表8-2　发动机的可靠性指标

续表

由以上数据可以得出：不同时期、不同国家、不同公司或不同机型所选择的可靠性参数和指标是不同的，而在同一时期、同一国家中，所选择的参数则大体相同。