引言

 

航空發(fā)動機作為制造業(yè)的明珠，被譽為“工業(yè)之花”，對技術(shù)、人才、資金和資質(zhì)要求極高。在“十四五”規(guī)劃和2035遠景目標(biāo)綱要中，提到了“推動重點領(lǐng)域、重點區(qū)域、新興領(lǐng)域協(xié)調(diào)發(fā)展，促進軍事建設(shè)布局與區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展布局有機結(jié)合，更好服務(wù)國家安全發(fā)展戰(zhàn)略需要”。這一指導(dǎo)思想強調(diào)了國家在未來發(fā)展中的重點方向和戰(zhàn)略目標(biāo)。在“十四五”期間，我國的國防政策、裝備列裝、裝備供給端和資本端都發(fā)生了變化，以適應(yīng)未來作戰(zhàn)需求。在“十四五”期間，我國的武器裝備采購的重點方向?qū)⒁?ldquo;消耗性裝備”為標(biāo)準(zhǔn)，這意味著對導(dǎo)彈、無人作戰(zhàn)裝備、軍機、航空發(fā)動機等領(lǐng)域的需求將會增加。各省市政府公布的2024年重點任務(wù)和部署安排中，多地將航空發(fā)動機產(chǎn)業(yè)發(fā)展列為重點發(fā)展方向，并制定了具體的舉措和目標(biāo)。這表明航空發(fā)動機產(chǎn)業(yè)在國家發(fā)展戰(zhàn)略中扮演著重要角色，被認為是未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵領(lǐng)域之一。中國航空發(fā)動機事業(yè)經(jīng)過幾代科研工作者的技術(shù)積累，我國的發(fā)動機事業(yè)蒸蒸日上，技術(shù)水平不斷提升。各類發(fā)動機系列產(chǎn)品不斷問世，老型號的不斷改進標(biāo)志著中國航空發(fā)動機的技術(shù)水品正在逐步邁向世界前列。綜上所述，航空發(fā)動機產(chǎn)業(yè)在我國的國防和經(jīng)濟發(fā)展中扮演著重要角色，其發(fā)展將對國家安全和經(jīng)濟建設(shè)產(chǎn)生深遠影響。未來，我國將繼續(xù)加大對航空發(fā)動機產(chǎn)業(yè)的支持和投入，推動其不斷創(chuàng)新發(fā)展，以滿足國家安全和經(jīng)濟發(fā)展的需求。

 

應(yīng)用范圍

 

產(chǎn)品的可靠性能力是指在規(guī)定的環(huán)境條件下，能夠在規(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)定功能。它不僅包括了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的安全性，還涵蓋了產(chǎn)品的耐久性和適用性。本文旨在針對發(fā)動機附近的環(huán)境因素展開深入分析，以確定適合產(chǎn)品實際情況的可靠性試驗譜。通過對環(huán)境因素的細致研究和分析，我們可以為相關(guān)產(chǎn)品制定合適的可靠性試驗方案提供指導(dǎo)和支持。在實際生產(chǎn)和使用過程中，產(chǎn)品所處的環(huán)境條件是多種多樣且復(fù)雜的，因此了解并考慮這些環(huán)境因素對產(chǎn)品可靠性的影響至關(guān)重要。通過本文的研究，我們希最能夠為產(chǎn)品的可靠性評估提供更加全面和準(zhǔn)確的方法，從而確保產(chǎn)品在各種環(huán)境條件下都能夠穩(wěn)定可靠地運行。發(fā)動機附件作為整個發(fā)動機系統(tǒng)中的重要組成部分，其可靠性直接關(guān)系到整個發(fā)動機系統(tǒng)的性能和安全性。因此，針對發(fā)動機附件周圍的環(huán)境因素進行分析和研究，對于確保發(fā)動機系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性具有重要意義。本文將通過對發(fā)動機附件周圍環(huán)境因素的分析，為制定符合產(chǎn)品實際情況的可靠性試驗譜提供理論依據(jù)和方法指導(dǎo)。通過科學(xué)合理地建立可靠性試驗譜，我們可以更好地評估產(chǎn)品的可靠性水平，為產(chǎn)品設(shè)計和制造提供可靠的依據(jù)和支持。綜上所述，本文旨在通過對環(huán)境因素的分析，為發(fā)動機附件的可靠性試驗提供科學(xué)、有效的方法，以確保產(chǎn)品在實際使用中能夠穩(wěn)定可靠地運行，從而提升產(chǎn)品質(zhì)量和用戶滿意度。

 

可靠性剖面設(shè)計

 

1.發(fā)動機的任務(wù)剖面設(shè)計

 

根據(jù)該類型安裝平臺的各類飛行任務(wù)確定可靠性試驗剖面持續(xù)時間為8小時（冷天4小時+熱天4小時），根據(jù)發(fā)動機地面慢車、空中慢車、額定和起飛等不同工況設(shè)計該類型發(fā)動機的可靠性試驗典型任務(wù)剖面。

 

2.可靠性試驗剖面確定方法及流程

 

1.標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定

 

GJB 899A-2009標(biāo)準(zhǔn)中4.3.2試驗應(yīng)力的來源及確定準(zhǔn)則中規(guī)定了確定應(yīng)力的優(yōu)先次序如下：

 

a）實測應(yīng)力：根據(jù)裝備在實際環(huán)境使用中執(zhí)行任務(wù)剖面時，在被試產(chǎn)品裝機附近測得的數(shù)據(jù)，經(jīng)過分析后再進行處理確定試驗的應(yīng)力。

 

b）估計應(yīng)力：根據(jù)相似平臺，具有相似用途的產(chǎn)品在進行相似任務(wù)剖面時測得的數(shù)據(jù)，經(jīng)過分析評估后再進行相關(guān)數(shù)據(jù)處理后得到的應(yīng)力。在無法得到實測應(yīng)力的情況下推薦使用估計應(yīng)力。

 

c）參考應(yīng)力：根據(jù)GJB 899A-2009標(biāo)準(zhǔn)中給出的應(yīng)力或提供的數(shù)據(jù)、公式和方法導(dǎo)出的應(yīng)力。在無法得到實測或估計應(yīng)力的情況下才推薦可推薦使用參考應(yīng)力。

 

2.可靠性試驗剖面制定的基本原則

 

可靠性試驗剖面的設(shè)計應(yīng)遵循盡量真實、時序地模擬產(chǎn)品在實際使用中經(jīng)歷的最主要環(huán)境應(yīng)力基本原則。主要參考了GJB 899A-2009附錄B中綜合環(huán)境條件的要求進行制訂，制訂主要思路包括以下內(nèi)容：

 

a）主要依據(jù)被試品壽命期內(nèi)經(jīng)歷的各種事件和狀態(tài)（包括環(huán)境條件、工作方式），涉及到了非工作和運行使用的任務(wù)剖面；

 

b）優(yōu)先采用實測應(yīng)力來制定產(chǎn)品的可靠性試驗剖面；在無法獲得實測應(yīng)力數(shù)據(jù)的情況下，可靠性試驗剖面設(shè)計可以依據(jù)處于相同位置、相似用途的裝備在執(zhí)行類似任務(wù)剖面時測得的數(shù)據(jù)，經(jīng)分析處理后得到的估計應(yīng)力來確定；

 

c）無實測數(shù)據(jù)時，主要參考GJB 899A標(biāo)準(zhǔn)中附錄B B3.7.1渦輪螺旋槳飛機中設(shè)備的條件進行制訂；

 

d）試驗譜面的任務(wù)、時間等參考近期已性能鑒定的型號進行設(shè)計。

 

3.可靠性剖面的主要要素

 

可靠性試驗剖面在設(shè)計過程中應(yīng)主要考慮飛機飛行時冷熱天的不同效應(yīng)、不同飛行時態(tài)被試品所處周圍的溫度應(yīng)力以及由于飛機和發(fā)動機產(chǎn)生的各種振動應(yīng)力的影響，其主要要素為：

 

a）一個完整的可靠性試驗綜合應(yīng)力條件包含兩項任務(wù)，一項任務(wù)是從冷環(huán)境開始并持續(xù)到熱環(huán)境；另一項任務(wù)是從熱環(huán)境開始直至返回冷環(huán)境；

 

b）可靠性試驗綜合應(yīng)力條件中的溫度應(yīng)力應(yīng)該基本包括冷浸和熱浸時態(tài)溫度、冷天正常工作時溫度、熱天正常工作時溫度、熱天極限溫度等條件;

 

c）可靠性試驗綜合應(yīng)力條件中的振動應(yīng)力條件主要依據(jù)任務(wù)剖面中各功率狀態(tài)（起飛、爬升、穩(wěn)態(tài)、最大功率、降落等）進行選擇，對振動量值相近的進行了擬，一般最多取5個量值。

 

3.可靠性試驗溫度、濕度、振動及電應(yīng)力條件確定

 

1.電應(yīng)力條件設(shè)計

考慮產(chǎn)品的設(shè)計標(biāo)稱使用電壓為28V直流電源，參考GJB 181-1986《飛機供電特性及對用電設(shè)備的要求》，標(biāo)稱為28V的直接供電特性穩(wěn)態(tài)電壓應(yīng)能夠在[22V，30V]的電壓范圍內(nèi)正常工作。在進行電應(yīng)力試驗譜設(shè)計時為了能夠更真實的模擬產(chǎn)品所受到的實際電應(yīng)力環(huán)境，電應(yīng)力條件設(shè)計主要按照最低工作電壓→穩(wěn)態(tài)電壓→最高工作電壓的幅度循環(huán)變化，即第一試驗循環(huán)的輸入電壓為最低工作電壓；第二試驗循環(huán)的輸入電壓為穩(wěn)態(tài)電壓；第三試驗循環(huán)的輸入電壓為最高工作電壓。三個試驗循環(huán)中輸入電壓變化構(gòu)成一個完整的電應(yīng)力循環(huán)，也可對此順序做適當(dāng)調(diào)整，當(dāng)試驗循環(huán)時長偏低時亦可連續(xù)施加兩個或多個相同電壓后再進行切換，相同整個試驗期間，重復(fù)這一電應(yīng)力循環(huán)。當(dāng)認為設(shè)備故障與某一輸入電壓有關(guān)時，應(yīng)中斷電應(yīng)力循環(huán)，重復(fù)此輸入電壓。

 

考慮飛機在實際飛行時會出現(xiàn)某些應(yīng)急環(huán)境，此時的電壓會被低于常規(guī)要求的22V,稱之為應(yīng)急電壓，常規(guī)應(yīng)急電壓為18V，在可靠性試驗譜設(shè)計時，考慮到突發(fā)環(huán)境電應(yīng)力的充分考核，在試驗譜中應(yīng)增加三次應(yīng)急電應(yīng)力下限拉偏考核。可在試驗的第1、中間循環(huán)、最后1個循環(huán)，分別進行一次應(yīng)急電應(yīng)力下限拉偏。

 

2.溫度應(yīng)力條件設(shè)計

由于目前該飛機缺少發(fā)動機附近的實測環(huán)境溫度數(shù)據(jù)，因此，只能依據(jù)截止目前的典型地域的冷/熱天載機地面和高空臺試飛數(shù)據(jù)獲得的該產(chǎn)品殼體溫度實測值進行統(tǒng)計分析，大致規(guī)律為：

 

a）地面靜態(tài)通電狀態(tài)時，該產(chǎn)品殼體溫度逐漸上升，溫升速率約+0.1℃/min；

 

b）地面試車時，該產(chǎn)品殼體溫度溫升速率約+1℃/min；

 

c）8km高空飛行時，該產(chǎn)品殼體溫度與大氣靜溫溫差大致為75℃；

 

d）一般在地面推起飛滑行時該產(chǎn)品殼體溫度最高（夏天時基本在70℃附近），隨高度逐漸上升，該產(chǎn)品殼體溫度逐漸下降，溫度下降速率約+1℃/min；

 

e）隨高度逐漸下降，該產(chǎn)品殼體溫度逐漸上升，溫升速率約+1℃/min；

 

f）降落地面并停車后，該產(chǎn)品殼體溫度逐漸上升。

 

結(jié)合以上規(guī)律，溫度應(yīng)力按如下思路設(shè)計：

 

a）該產(chǎn)品從通電到起飛總時間約為23min，時間較短，溫升可忽略，冷天地面溫度按產(chǎn)品設(shè)計要求的最低工作環(huán)境溫度（-55℃）來控制；冷天巡航階段高空大氣靜溫取包線內(nèi)高空最低溫度-70℃，按上述c）條，冷天巡航階段該產(chǎn)品溫度按5℃控制；巡航階段后的下降階段持續(xù)20min，按上述e）條，該產(chǎn)品溫度按25℃控制；

 

b）熱天需要對產(chǎn)品設(shè)計要求的最高工作環(huán)境溫度（長期為90℃、短時5分鐘100℃）進行考核，結(jié)合以上d）條，熱天通電后該產(chǎn)品溫度設(shè)計為先上升到90℃并在推起飛前2min上升到100℃后持續(xù)5min；熱天巡航階段高空大氣靜溫取當(dāng)前夏季載機試飛8km實測得到的30℃；考慮到設(shè)備能力和下一階段開始為冷浸溫度（-55℃），從巡航階段后的下降階段開始升溫至90℃，并保溫30min后快速下降至冷浸溫度；

 

c）實際的溫度變化速率較慢，為兼顧飛行任務(wù)譜的發(fā)動機狀態(tài)變化和持續(xù)時間，溫度速率適當(dāng)加快。

 

綜合以上要素權(quán)衡后，該產(chǎn)品的溫度應(yīng)力譜設(shè)計如下圖1所示：

 

圖1 溫度應(yīng)力設(shè)計譜

 

3.濕度應(yīng)力條件設(shè)計

根據(jù)GJB 899A-2009中關(guān)于“渦輪螺旋槳飛機”設(shè)備濕度的相關(guān)要求，飛機產(chǎn)品進行可靠性試驗時，僅在每個試驗循環(huán)中的冷天過渡到熱天、在熱浸階段會受濕氣的影響。故在試驗實施過程中將濕氣注入試驗箱，濕度的定量值會隨著不同熱浸溫度的變化而變化。在熱天浸泡階段保持這一濕度為31℃或31℃以上。其他階段均不再控制濕度，也不改變試驗中的溫度值要求而達到改變濕度的目的。

 

4.振動應(yīng)力條件設(shè)計

 

4.1試驗標(biāo)準(zhǔn)對振動應(yīng)力的說明

 

GJB150.16A附錄A中A.2.3.12第22類—發(fā)動機—渦輪發(fā)動機中說明了“安裝在渦輪發(fā)動機上的裝備的振動應(yīng)力由寬帶背景和窄帶尖峰組成，寬帶背景是隨機流場湍流和各種機械部件振動產(chǎn)生的低量級準(zhǔn)正弦峰的和，窄帶尖峰是由主發(fā)動機槳葉旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的，其頻率由槳葉通過頻率及其諧波頻率確定。”因此該產(chǎn)品振動應(yīng)力需對臺架發(fā)動機的振動進行實測后擬合得出可靠性試驗中振動應(yīng)力。

 

4.2臺架實測數(shù)據(jù)情況

 

對該平臺使用的發(fā)動機臺架進行長試，在該產(chǎn)品的安裝架四個角上及中央布置5個傳感器測量四個角上3個軸向振動及中央位置振動量級，共13個測試點實測振動，測得發(fā)動機各運轉(zhuǎn)狀態(tài)下的試驗數(shù)據(jù)，其中1號傳感器安裝于面向該產(chǎn)品的右下方，其振動量值與工作狀態(tài)有比較明顯的變化，并且在各狀態(tài)中振動量基本處于最大狀態(tài)。

 

4.3分析臺架測試結(jié)果

 

通過對實測數(shù)據(jù)與GJB150.16A標(biāo)準(zhǔn)中曲線（如圖2）進行對比分析有以下特點：

 

a）實測譜中低頻振動量值相對較低，高頻振動量值占整個譜的比重高；

 

b）實測振動譜中的共振頻率點與發(fā)動機的轉(zhuǎn)速強相關(guān)聯(lián)，其各轉(zhuǎn)速下基頻、2倍頻、4倍頻、7倍頻的共振量值相對較大；

 

振動量值與發(fā)動機的工作狀況有關(guān)聯(lián)性，工作狀態(tài)高時振動量值大。

 

注：F1=102.125 Hz～112.875 Hz，F(xiàn)2=194.75 Hz～225.75 Hz，F(xiàn)3=306.375 Hz～338.625 Hz，F(xiàn)4=408.5 Hz～451.5 Hz。

 

圖2 安裝在發(fā)動機上附件的振動功率譜密度曲線

 

4.4綜合分析振動條件應(yīng)力

 

通過對實測振動數(shù)據(jù)的PSD譜分析，各種狀態(tài)的下的隨機功率譜密度，做合理包線，本次數(shù)據(jù)處理采用正態(tài)單邊容差上限法，該方法是目前國際上最通用的作法。通過對實測的值進行分析處理后振動試驗曲線詳見圖3，發(fā)動機各工作狀態(tài)下的振動量值隨發(fā)動機工作狀態(tài)的變化而變動。

 

圖3 振動試驗曲線

 

4.可靠性綜合試驗譜

 

在對該平臺發(fā)動機進行可靠性試驗過程中，需要綜合考慮振動應(yīng)力、溫度應(yīng)力、濕應(yīng)力和電應(yīng)力等多種影響因素。下面對這些影響因素進行詳細介紹：

 

a）振動應(yīng)力：振動應(yīng)力是指由于機械振動引起的應(yīng)力，可能會導(dǎo)致零部件疲勞破壞。在試驗過程中，需要模擬發(fā)動機在運行時的振動情況，包括不同頻率和振幅的振動，以評估零部件的耐久性。

 

b）溫度應(yīng)力：溫度應(yīng)力是由于溫度變化引起的應(yīng)力，會影響材料的力學(xué)性能和尺寸穩(wěn)定性。在試驗過程中，需要模擬發(fā)動機在不同工況下的溫度變化，并觀察零部件在熱應(yīng)力下的表現(xiàn)。

 

c）濕應(yīng)力：濕應(yīng)力是由于濕度變化引起的應(yīng)力，會對材料的耐久性和化學(xué)穩(wěn)定性造成影響。在試驗過程中，需要考慮發(fā)動機在潮濕環(huán)境下的工作條件，以評估材料的抗腐蝕性能。

 

d）電應(yīng)力：電應(yīng)力是由于電場引起的應(yīng)力，可能會影響電子元件的性能和壽命。在試驗過程中，需要考慮發(fā)動機電子系統(tǒng)的工作狀態(tài)，包括電壓變化、電磁干擾等因素，以評估電子元件的可靠性。

 

在試驗過程中，需要監(jiān)測零部件的性能參數(shù)、疲勞壽命等指標(biāo)，以全面評估產(chǎn)品的可靠性和耐久性。

 

結(jié)束語

 

本研究旨在探討建立發(fā)動機附件可靠性試驗剖面的方法條件。在缺乏必要試驗條件的情況下，其他同類型附件亦可采用本方法進行測試，以更精確地評估產(chǎn)品的可靠性。通過準(zhǔn)確驗證產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)，提高產(chǎn)品質(zhì)量，進而保障我國軍工產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展。本研究的結(jié)果表明，確立適當(dāng)?shù)脑囼炂拭娣椒l件對于評估發(fā)動機附件可靠性至關(guān)重要。在實際應(yīng)用中，采用本研究提出的方法，能夠有效提升產(chǎn)品的可靠性水平，為產(chǎn)品設(shè)計和制造提供更可靠的指導(dǎo)和支持。此外，通過本研究的方法，可以更加全面地考慮發(fā)動機附件在復(fù)雜工作環(huán)境下的實際使用情況，從而更好地滿足用戶需求，提高產(chǎn)品的市場競爭力。綜上所述，本研究為發(fā)動機附件可靠性試驗提供了一種有效、可行的方法，對于提升產(chǎn)品質(zhì)量、確保產(chǎn)品可靠性具有積極的意義和價值。在未來的研究中，可以進一步探討不同試驗條件下的可靠性評估方法，以更全面地完善發(fā)動機附件的可靠性試驗體系，為軍工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展貢獻更多有益的研究成果。

 

引用本文：

 

嚴彭,許悅,季定勝.發(fā)動機附件可靠性試驗譜設(shè)計方法研究[J].環(huán)境技術(shù),2024,42(11):44-48+54.