航空发动机可靠性工程

我国航空发动机可靠性应采取的对策
– – – – 转变观念，牢固树立现代质量观； 积极进行在役发动机可靠性增长； 在研和改型发动机研制过程中全面开展可靠性工程； 重视可靠性研究，突破发动机可靠性关键技术。
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二、转变观念，牢固树立现代质量观
质量包含了系统的性能特性、专门特性、经济性、时间性、适应 性等方面，它是产品满足使用要求的特性总和。 产品的性能特性：用性能指标来描述 产品的专门特性：描述了产品保持规定性能指标的能力，具有统 计特性
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自我介绍
白广忱教授、博士生导师 主要研究方向：航空航天 可靠性工程，重点是发动 机可靠性研究 主持863、973、预研、基 金等可靠性方面的课题十 余项 发表可靠性方面的论文50 余篇
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内容提要
一、我国航空发动机可靠性面临的挑战 二、转变观念，牢固树立现代质量观 三、全面开展航空发动机可靠性工程 四、重视可靠性研究，突破发动机可靠性关键技
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可靠性定量要求的特性
• 目标值、门限值；规定值、最低可接受值
– F-111A和F15A 战斗机、 F-16A和F/A-18A战斗机都是不同时 代可靠性工程应用的典范。
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北京航空航天大学的可靠性研究
研究队伍
– 高镇同院士、钟群鹏院士、长江学者付惠民、蔡开元等 – 国防科工委和总装可靠性中心、航空发动机可靠性研究中心等
我国可靠性工程的奠基人—杨为民教授
表 1-1 美国军用飞机单架成本增长（万美元）
年代 型号 单架成本 1945 P-47 10 1950 F-86 40 1960 F105 300 1970 F-4E 360 1972--1975 F-15 1300 1975--1982 F-18A 3270 1983—2003 F-22 7200
1960 1965
1970
1975 1980
1985
1990 1995
2000 年代
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现代系统设计思想的转变
现代系统设计思想的转变主要体现在三个概念的延伸： 性能向效能的延伸，体现了从性能特性向系统全面特 性（性能特性+专门特性）的延伸
– 系统的专门特性：描述了系统保持规定性能指标的能力，它 包括系统的可靠性、维修性、保障性、安全性、测试性等
适应性
Fra Baidu bibliotek
可 靠 性
安 全 性
维 修 性
保 障 性
测 试 性
寿 费命 用周 期
效能 权衡 图1-1 性能特性、专门特性及其权衡
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系统专门特性的重要性
工程系统庞大和复杂，导致可靠性和安全性问题突出
– 投资增大，研发周期加长，风险增加
工程系统的应用环境更加复杂和恶劣
– 从陆地、海洋到天空、太空，严酷的环境对系统高可靠性、 高安全性等综合特性的实现提出了挑战。
采购费用向寿命周期费用的延伸，体现了对系统经济 性的考虑更加全面完善
– 寿命周期费用：指在系统的整个寿命期内，为获取并维持系 统的运营所花费的总费用
权衡对象的延伸，从“花最少的钱实现性能最好的系 统”延伸到“以最小的寿命周期费用实现效能最好的 系统”
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现代设计思想与传统设计思想的对比
可靠性定量要求的分类
– 基本可靠性要求：基本可靠性反映了产品对维修人力费用和后勤保 障资源的需求。确定基本可靠性指标时应统计产品的所有寿命单位 和所有的故障。 – 任务可靠性要求：任务可靠性是产品在规定的任务剖面中完成规定 功能的能力。确定任务可靠性指标时仅考虑在任务期间那些影响任 务完成的故障(即致命性故障)。
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定性设计要求主要项目
序号 1 2 3
要求项目名称 制定和贯彻可靠性设计准则 简化设计 余度设计
序号 6 7 8
要求项目名称 确定关键件和重要件 环境防护设计 热设计
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降额设计
制定与实施元器件大纲
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软件可靠性设计
包装、装卸、运输、储存等设 计
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可靠性定性分析要求
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我国可靠性工程的奠基人
杨为民教授
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我国可靠性工程的奠基人
杨为民教授
如今，杨为民的骨灰遵其遗嘱被 撒在了长城内外。长城——中华民族 的象征，在这里撒下的是中华儿女对 祖国至诚的热爱与眷念。杨为民就在 这里化作了春泥，延续着自己一生的 长城情怀。 捧着一颗心来，不带半根草去， 这就是杨为民。“为民精神永存” 北航师生无数次地提到这句话。杨为 民给我们留下的不仅是他所开创的可 靠性事业，更有一份宝贵的精神财富 。
现代产品设计思想
产品定位 系统综合 方式 工作量投 入 更改次数 设计目标 及评价标 准 工作姿态 经济社会 效益 传统设计思想 工程师及领导者的意见 重视性能，忽视系统综合 研制初期投入较少，研制后期投入较多，所 需总投入较多 研制初期更改较少，研制后期更改较多，会 出现局部甚至全局重新设计， 更改代价较大 满足验收标准，质量波动性大
表 1-2 美国空军装备使用费用的增长
年代 使用费用/采购费用 1962 4/6 1968 5/5 1977 6/4
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美空军费用比率
百分比 60
购置(AF)
美国空军费用比
研制(AF)
40
使用保障 (AF)
20
使用维修 占使用保 障比例 (AF)
0 1940
1945 1950
1955
– – – – – 可靠性 维修性 保障性 安全性 测试性
经济性：产品的寿命周期费用，指在产品的整个寿命期内，为获 取并维持系统的运营所花费的总费用 时间性：产品的按期交付； 适应性：产品满足用户需求、符合市场需要的能力。
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现代质量特性
质量特性
性能特性
专门特性
经济性
时间性
系统专门特性与性能特性关系
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系统效能
可用性（A）
– 表示战备完好，即系统在任一随机时刻需要开始执行任务时 ，处于工作或可使用状态的程度，亦即系统“开则能动”的 能力。它是系统可靠性、维修性（含测试性等）和保障性的 函数。
可信性（D）
– 表示任务成功，是指系统在任务开始时可用性给定的情况下 ，在规定的任务剖面中的任一随机时刻，能够使用且能完成 规定功能的能力，即系统动则“成功”的能力。它是系统可 靠性和维修性（含保障性、测试性等）的函数。
航空发动机可靠性工程
白广忱
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航空领域的可靠性工程
航空领域是可靠性工程的摇篮
– 第二次世界大战期间，美国机载电子设备超过50% 在储存期 间就失效了，严重影响了美军的作战能力。1943 年成立了电 子管研究委员会，专门研究电子管的可靠性问题，这是历史 上第一个可靠性组织。
航空领域是可靠性工程发展的典范
系统要求的持续无故障任务时间加长
– 如太空探测器的长时间无故障飞行要求、通信网络的关键任 务不停机要求等
系统的专门特性与使用者的生命安全直接相关
– 如核能系统、载人航空航天器、高速列车等的可靠与安全是 生命安全的基本保证
市场竞争的要求
– “性能优良、功能齐全”不是用户考虑的唯一因素，产品是 否可靠、是否好修、使用维护保养费用多少、寿命多长
可靠性要求是产品使用方向承制方(或生产方)从可靠性 角度提出的研制目标，是进行可靠性设计、分析、制 造、试验和验收的依据。 研制人员只有在透彻地了解这些要求后，才能将可靠 性正确地设计、生产到产品中去，方能按要求有计划 地实施有关的组织、监督、控制及验证工作。 分类：定性要求、定量要求 定性要求：定性设计要求、定性分析要求
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三、全面开展航空发动机可靠性工程
航空发动机可靠性工程
– 为了达到发动机的可靠性要求而进行的有关设计、试验和生 产等一系列工作，称为航空发动机可靠性工程； – 航空发动机可靠性工程是一门横断交叉的工程技术学科。
怎样实现产品的可靠性
– 可靠性是设计出来的； – 可靠性是制造出来的； – 可靠性是管理出来的，
– – – – – 硬件 软件的研制费 生产费 后勤保障费用 研制、采办、使用、技术保障和处置过程中各种人员费用
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系统寿命周期费用
典型系统寿命周期费用构成
– 使用保障费占寿命周期费用50%~70%
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系统寿命周期费用
在寿命周期费用中，使用费用（使用维修与保障费用） 所占的比例越来越大：
固有能力（C）
– 就是系统在给定的内在条件下，满足给定的定量特性要求的 自身能力。如飞行速度、航程、杀伤力等。
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系统效能
E
A
D
C
R
M
R
M
R
M
C
图2 效能与可靠性维修性的关系
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系统的寿命周期费用——LCC
是指在系统的整个寿命周期内，为获取并维持系统的 运营（包括处置）所花费的总费用。它包括：
– 杨为民，1935年1月15日生于天津，幼年时在革命圣地延安度过。 1953—1956年，在哈尔滨军事工程学院学习，1956年在北京航空学 院火箭系学习，1958年毕业后留在北航工作。70年代初，杨为民担 任了高空无人驾驶侦察机的总设计师，为该机的研制、定型和装备 部队作出重大贡献，填补了国内空白。80年代中期，他转入可靠性 工程研究，是我国可靠性工程专业的奠基人和开拓者。他担任了北 航工程系统工程系的主任、北航可靠性工程研究所的所长，同时还 有总装备部、国防科工委、中国航空学会、中国质量管理学会等十 多个组长、主任的兼职。 他是国家有突出贡献的科技专家、航空工业总公司航空金质奖 章的得主、全国五一劳动奖章获得者、全国先进工作者、全国优秀 科技工作者、北京市优秀共产党员十杰之一、北京市劳动模范、中 共十四大、十五大代表，曾两次荣立全军一等功。
术
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一、我国航空发动机可靠性面临的挑战
我国航空发动机可靠性面临严峻的挑战
– 国外航空发动机可靠性指标MTBF达到150小时以上。 – 国内在役发动机MTBF仅为几十小时，相差3倍左右；由发 动机导致的二等以上事故时有发生，严重影响部队使用。 – 在研发动机故障频繁，影响定型，研制周期不能按计划实 现，可靠性目标能否达到值得怀疑。
系统的，自上而下的演绎分析法
按照装备的区域进行的分析、检查法
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可靠性定量要求
可靠性定量要求的内容
– 确定产品的可靠性参数、指标； – 可靠性验证时机和验证方法。
定量要求反映的目标
– 战备完好性：军事单位接到命令时，实施其作战计划的能力。 – 任务成功性：系统在规定的任务剖面内任意时刻能够工作和完成规 定功能的能力。 – 维修人力：系统需要维修人力的频度与多寡。 – 保障资源：系统对备件、维修工具、维修设备等的要求。
对于研发者，希望投资小、周期短、一次成功
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系统效能
系统效能
– 系统在规定的条件下满足给定定量特征和服务要求的能力。 它是系统可用性、可信性及固有能力的综合反映，一般可以 用下式表示：
E=A· C D·
式中 E——系统效能（Effectiveness）； A——可用性（Availability）； D——可信性（Dependability）； C——固有能力（Capability）。
市场牵引，用户需求 一开始就进行产品性能特性与专门 特性的综合 研制初期投入较多，研制后期投入 较少，所需总投入较少 研制初期更改较多，研制后期更改 较少，更改代价较小 满足用户需求，质量稳定性好
主动寻找故障、预防故障发生 低成本、高质量、适销对路
被动等待、解决故障问题 很难全部满足用户需求， 可能会产生合格的 “废品”
定性分析要求是在产品研制过程中要求采取的可靠性分析工作，以 保证与提高产品可靠性。
序号 1 2 分析方法名称 功能危险分析(FHA ) 故障模式和影响分析(FMEA) 故障树或事件树分析(FTA， ETA) 区域安全性分析(ZSA) 特点 综合的、系统的演绎方法 系统的，自下而上的归纳分析法
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可靠性经验
（1）成熟技术 （2）简化设计 （3）模块化设计 （4）故障监测和诊断 （5）降额设计（裕度设计） （6）余度设计（冗余设计） （7）互换性设计 （8）失效安全设计 （9）安全寿命设计 （10）防错设计 （11）容错设计 （12）可靠性试验
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可靠性要求制定