馬 超，王玉娜，張雄飛，姜春生

（中國(guó)民航大學(xué)航空工程學(xué)院1，飛行技術(shù)學(xué)院2：天津300300）

0 引言

民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)在全壽命周期內(nèi)，必須滿足適航要求。適航分為初始適航和持續(xù)適航[1]。在國(guó)際民航組織《適航手冊(cè)》（Airworthiness Manual DOC9760）中給出了持續(xù)適航的詳細(xì)解釋：持續(xù)適航涵蓋了為保證航空器在全壽命期間的任何時(shí)候遵守現(xiàn)行有效的適航要求、并處于安全運(yùn)行狀態(tài)的所有工作過(guò)程。其中，維護(hù)和維修是保證持續(xù)適航的重要手段之一[2]。

美國(guó)和歐洲具備成熟的民用航空器制造能力，基于積累的大量數(shù)據(jù)，建立了較為完備的持續(xù)適航體系，相關(guān)學(xué)者圍繞適航體系的符合性驗(yàn)證和適航條例的執(zhí)行細(xì)節(jié)開(kāi)展了一些工作[3-5]。中國(guó)適航體系研究集中在初始適航理論構(gòu)建與適航符合性驗(yàn)證等，在民機(jī)材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)載設(shè)備、使用環(huán)境等的符合性驗(yàn)證方面得到了一些研究成果[6-8]。但是，中國(guó)持續(xù)適航領(lǐng)域研究進(jìn)展緩慢，主要集中在持續(xù)適航文件制定[9]、條款驗(yàn)證[10]等方面，以及基于數(shù)據(jù)的持續(xù)適航性能研究[11]。

民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)維修是為保證發(fā)動(dòng)機(jī)及部件在設(shè)計(jì)可靠性和安全水平上持續(xù)執(zhí)行預(yù)定功能而進(jìn)行的工作[12]。維修特性指用于描述維修工作的核心內(nèi)容與關(guān)鍵指標(biāo)，可以根據(jù)適航階段分為初始適航與持續(xù)適航。維修特性包括但不限于維修可靠性數(shù)據(jù)、維修間隔、維修方式、故障類型、排故措施等。中國(guó)民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的維護(hù)維修嚴(yán)格執(zhí)行OEM提出的要求，在持續(xù)適航維修工程領(lǐng)域尚未形成技術(shù)體系。持續(xù)適航維護(hù)維修關(guān)鍵技術(shù)依賴于發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中形成的大量數(shù)據(jù)，航空公司雖然擁有大量數(shù)據(jù)，但很少對(duì)其挖掘分析，另外，單一航空公司難以形成具有研究?jī)r(jià)值的樣本量規(guī)模，而不同航空公司之間數(shù)據(jù)共享受到各種限制。因此，收集中國(guó)民航發(fā)動(dòng)機(jī)維護(hù)維修數(shù)據(jù)，開(kāi)展對(duì)持續(xù)適航維修特性評(píng)估方法研究，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

本文應(yīng)用因素分析法，基于卡方檢驗(yàn)和廣義Logistic模型等，構(gòu)建了1種持續(xù)適航維修特性的評(píng)估方法，并對(duì)國(guó)內(nèi)民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片維修記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選和分析評(píng)估。

1 持續(xù)適航維修特性評(píng)估方法

民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)持續(xù)適航維修過(guò)程貫徹以可靠性為中心（Reliability Centered Maintenance，RCM）的維修理論[12]，即RCM原理。RCM原理強(qiáng)調(diào)預(yù)防性維修的理念，希望能夠從大量維護(hù)維修數(shù)據(jù)中找到維修特性的某種規(guī)律，進(jìn)而指導(dǎo)持續(xù)適航過(guò)程中的預(yù)防性維修工作。

持續(xù)適航維修特性影響因素大致分為2類：設(shè)計(jì)階段決定的設(shè)計(jì)因素和使用過(guò)程外界環(huán)境造成的使用因素。本文中維修特性的評(píng)估也將圍繞上述2類影響因素展開(kāi)，具體包括3個(gè)步驟：

（1）對(duì)某關(guān)鍵指標(biāo)的持續(xù)適航維護(hù)維修記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，包括：對(duì)數(shù)據(jù)缺失值進(jìn)行篩選，將數(shù)據(jù)種類標(biāo)準(zhǔn)化，確定指標(biāo)特征，對(duì)大量數(shù)據(jù)中值得關(guān)注的數(shù)據(jù)采用聚類方法進(jìn)行處理等。在對(duì)數(shù)據(jù)預(yù)處理之后，采用因素分析法建立對(duì)影響持續(xù)適航維修特性各因素的評(píng)估方法。

聚類方法考慮持續(xù)適航維修數(shù)據(jù)中具有較為明顯量化特征的數(shù)據(jù)，采用k均值原型聚類的算法，假設(shè)聚類結(jié)構(gòu)能通過(guò)1組原型刻畫(huà)，利用目標(biāo)使平方誤差最小化，即有[13]

（2）構(gòu)建持續(xù)適航維修中不同影響因素之間的相關(guān)程度分析模型。主要通過(guò)實(shí)際調(diào)研和分析，確定相關(guān)因素的類型，從收集的維修記錄中篩選此類因素，建立相關(guān)程度分析的數(shù)學(xué)模型，得到不同參數(shù)的相關(guān)程度系數(shù)，進(jìn)而判斷不同因素之間的關(guān)系。

在數(shù)學(xué)模型的選擇方面，根據(jù)具體數(shù)據(jù)在數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析特性中的樣本容量與理論頻數(shù)，分別采用皮爾遜卡方檢驗(yàn)、連續(xù)性校正的卡方檢驗(yàn)和FISHER確切概率法。具體如下：當(dāng)樣本容量n>40，且理論頻數(shù)T>5時(shí)，用皮爾遜卡方檢驗(yàn)；當(dāng)n>40，但1

（3）構(gòu)建持續(xù)適航維修中不同因素之間的差異化程度分析模型。在已經(jīng)確定的影響持續(xù)適航維修不同因素的基礎(chǔ)上，基于廣義Logistic模型，假設(shè)某類樣本量最大的數(shù)據(jù)具有更為可信的分布規(guī)律，將其它類型的影響因素與其進(jìn)行廣義Logistic模型的預(yù)測(cè)分析，研究不同影響因素的差異化程度，挖掘影響因素之間的深層數(shù)據(jù)關(guān)系。

廣義Logistic模型可用于2總體的判別分析，對(duì)總體分布的條件限制較弱，適用于多類型的數(shù)據(jù)。其標(biāo)準(zhǔn)分布的概率密度函數(shù)[14]如下

式中：自變量 -∞0，為增長(zhǎng)速度因子；姿 為形狀因子。

2 民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片硬物沖擊損傷

民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片在使用過(guò)程中存在外來(lái)物的沖擊損傷現(xiàn)象（Foreign Object Damage，F(xiàn)OD），外來(lái)物沖擊損傷根據(jù)損傷源可分為軟體沖擊損傷和硬物沖擊損傷。其中，硬物沖擊損傷表現(xiàn)為常見(jiàn)的缺口、凹坑、刻痕等局部的機(jī)械損傷。

統(tǒng)計(jì)整理了近20年來(lái)航線和大修廠工作過(guò)程中保留的共計(jì)1765例FOD數(shù)據(jù)，涵蓋的發(fā)動(dòng)機(jī)類型有CF34、CFM56-3、CFM56-5、CFM56-7、TRENT700 和V2500等16類發(fā)動(dòng)機(jī)。有效數(shù)據(jù)應(yīng)包含較為完整的能夠描述維修特性的可量化的信息，并能夠形成一定的樣本量規(guī)模。

從中選取樣本量最大的6類發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)據(jù)，包括的 發(fā) 動(dòng) 機(jī) 類 型 有 CF34、CFM56-3、CFM56-5、CFM56-7、TRENT700和V2500，最終樣本量確定為355例[15]。

風(fēng)扇葉片硬物沖擊損傷根據(jù)損傷后的表現(xiàn)形式，參考發(fā)動(dòng)機(jī)維修手冊(cè)的定義，可分為凹坑（dent）、撕裂（tear）、缺口（notch）、刻痕（nick）、彎曲變形（bent）5種類型。另外，在航空公司維修數(shù)據(jù)中，有些數(shù)據(jù)未能明確說(shuō)明損傷類型，此類數(shù)據(jù)定義為“不能確定（unknow）”，最終，風(fēng)扇葉片損傷類型分為6種[16]。

不同損傷類型采用的損傷處理方式也不同，針對(duì)硬物沖擊損傷，航空公司持續(xù)適航維護(hù)維修過(guò)程中常見(jiàn)的處理方式包括未超標(biāo)放行、打磨維修、更換葉片3類。3類損傷處理方式如下：

（1）未超標(biāo)放行：損傷類型與損傷尺寸在發(fā)動(dòng)機(jī)維修手冊(cè)的允許范圍內(nèi)，一般采用直接放行，保留一定的飛行循環(huán)觀察。如果遇到材料缺失會(huì)登記材料缺失清單，作為定檢或返廠修理時(shí)的參考依據(jù)。

（2）打磨維修：超過(guò)放行標(biāo)準(zhǔn)，但又在手冊(cè)維修范圍標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)的損傷，一般采用打磨的維修方式，打磨后的損傷尺寸滿足修理手冊(cè)標(biāo)準(zhǔn)要求即可放行。

（3）更換葉片：對(duì)于超出手冊(cè)規(guī)定的損傷類型，或超出維修范圍標(biāo)準(zhǔn)的損傷，采取直接更換葉片的維修方法。更換葉片要考慮配平要求，一般采用成對(duì)更換、順序調(diào)整或裝配配重螺釘?shù)确椒ā?/p>

將確定的355例樣本量數(shù)據(jù)按照發(fā)動(dòng)機(jī)類型、損傷類型、損傷處理方式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，統(tǒng)計(jì)分布結(jié)果如圖1所示。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)類型、損傷類型、損傷處理方式統(tǒng)計(jì)分布

3 持續(xù)適航維修特性評(píng)估

風(fēng)扇葉片硬物沖擊損傷持續(xù)適航維修特性評(píng)估主要考慮的設(shè)計(jì)因素和使用因素有發(fā)動(dòng)機(jī)類型、損傷類型和損傷處理方式。

3.1 損傷類型與損傷處理方式

3.1.1 相關(guān)程度評(píng)估分析

355例樣本量按照損傷類型與損傷處理方式統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)損傷類型與損傷處理方式統(tǒng)計(jì)

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)損傷類型中損傷處理方式百分比分布

采用連續(xù)性校正的卡方檢驗(yàn)計(jì)算相關(guān)程度，卡方值字2=81.95，顯著性p<0.001，達(dá)到顯著，說(shuō)明發(fā)動(dòng)機(jī)損傷類型與損傷處理方式之間存在相關(guān)性，關(guān)聯(lián)度系數(shù)Cramer'sV=0.387，為中等程度關(guān)聯(lián)。

每類發(fā)動(dòng)機(jī)損傷類型中損傷處理方式百分比分布如圖2所示。

從圖中可見(jiàn)，不同損傷類型的損傷處理方式出現(xiàn)了明顯的區(qū)分度：

（1）缺口損傷的維修方式更傾向于打磨維修，而未超標(biāo)放行與更換葉片2種維修方式的百分比大致相當(dāng)。相比缺口損傷，凹坑與刻痕2種損傷類型采用未超標(biāo)放行的情況更多。說(shuō)明在3種損傷中，缺口損傷容易使風(fēng)扇葉片超出維修標(biāo)準(zhǔn)，在實(shí)際維護(hù)維修中更值得注意。

（2）撕裂損傷的表現(xiàn)形式?jīng)Q定了其無(wú)法采用打磨維修的維修方式，而只能直接更換葉片。

（3）彎曲變形相對(duì)于其它損傷類型而言未超標(biāo)放行的比例最高，這是由于硬物沖擊損傷造成的風(fēng)扇葉片彎曲變形量往往較小，一般符合未超標(biāo)放行的要求。3.1.2 差異化程度評(píng)估分析

對(duì)損傷類型與損傷處理方式的差異分析采用廣義Logistic模型的回歸分析方法，將樣本量最大的缺口損傷且采用打磨修理?yè)p傷處理方式的樣本量作為對(duì)照組的基準(zhǔn)樣本量。通過(guò)將其它損傷類型和損傷處理方式與其對(duì)比分析，找出之間的差異性。

廣義Logistic模型回歸分析方法首先進(jìn)行估計(jì)參數(shù)的判斷，若只有常數(shù)項(xiàng)的無(wú)效模型與最終模型的擬合標(biāo)準(zhǔn)值存在顯著變異，且顯著性明顯，則模型具有擬合意義。模型的似然比檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 總模型的似然比檢驗(yàn)結(jié)果

從表中可見(jiàn)，最終模型與只含有常數(shù)項(xiàng)的無(wú)效模型相比，變異由118.226下降到38.2，似然比卡方檢驗(yàn)顯著性p<0.001，說(shuō)明至少有1個(gè)自變量的系數(shù)不為0，模型有意義。

損傷類型與損傷處理方式差異分析參數(shù)估計(jì)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 發(fā)動(dòng)機(jī)損傷類型與損傷處理方式差異分析結(jié)果

從表中可見(jiàn)，彎曲變形損傷比缺口損傷更高概率采用未超標(biāo)放行的處理方式，存在差異量（B=2.278，字2=4.798，p<0.05），其中回歸系數(shù)B=2.278表示彎曲變形損傷采用未超標(biāo)放行處理方式的概率是缺口損傷類型的2.278倍。

另外，撕裂損傷相比缺口損傷更傾向于采用更換葉片的處理方式，撕裂損傷采用更換葉片處理方式的概率是缺口損傷類型的5.579倍。

3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)類型與損傷處理方式

風(fēng)扇葉片的設(shè)計(jì)與制造工藝會(huì)存在較大差異，以至于對(duì)風(fēng)扇葉片的損傷容限也有很大不同。因此，統(tǒng)計(jì)分析發(fā)動(dòng)機(jī)類型與損傷處理方式之間的關(guān)系，能夠?qū)Πl(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)防性維修工作提供有效的技術(shù)參考。

3.2.1 相關(guān)程度評(píng)估分析

將355例樣本量按照發(fā)動(dòng)機(jī)類型與損傷處理方式統(tǒng)計(jì)，數(shù)據(jù)分布見(jiàn)表4。

表4 發(fā)動(dòng)機(jī)類型與損傷處理方式統(tǒng)計(jì)

采用連續(xù)性校正的卡方檢驗(yàn)計(jì)算相關(guān)程度，卡方值 字2=34.556， 顯 著 性p<0.001，達(dá)到顯著，說(shuō)明發(fā)動(dòng)機(jī)類型與損傷處理方式之間存在相關(guān)性。關(guān)聯(lián)度系數(shù)Cramer'sV=0.231，為中等程度關(guān)聯(lián)。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)類型中損傷處理方式百分比分布

每個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)類型中損傷處理方式所占百分比分布如圖3所示。

3.2.2 差異化程度評(píng)估分析

發(fā)動(dòng)機(jī)類型與損傷處理方式的差異化程度評(píng)估分析選擇統(tǒng)計(jì)樣本量最多的CFM56-7系列發(fā)動(dòng)機(jī)且采用打磨修理?yè)p傷處理方式的樣本作為對(duì)照組的基準(zhǔn)樣本量。

首先進(jìn)行估計(jì)參數(shù)的判斷，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 總模型的似然比檢驗(yàn)結(jié)果

從表中可見(jiàn)，最終模型與只含有常數(shù)項(xiàng)的無(wú)效模型相比，變異從77.719下降到43.163，似然比卡方檢驗(yàn)顯著性p<0.001，說(shuō)明至少有1個(gè)自變量系數(shù)不為0，模型是有意義的。

發(fā)動(dòng)機(jī)類型與損傷處理方式差異分析參數(shù)估計(jì)結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 發(fā)動(dòng)機(jī)類型與損傷處理方式差異分析結(jié)果

從表中可見(jiàn)，CF34、CFM56-3、V2500 系列發(fā)動(dòng)機(jī)比CFM56-7系列發(fā)動(dòng)機(jī)更傾向于采用更換葉片的方式，之間存在某種差異，回歸系數(shù)B=1.358，B=1.540，B=2.051），表示 CF34、CFM56-3、V2500 系列發(fā)動(dòng)機(jī)采用更換葉片處理方式的概率分別是CFM56-7系列發(fā)動(dòng)機(jī)的1.358、1.540和2.051倍。

如果從制造工藝方面分析，CFM56-7發(fā)動(dòng)機(jī)采用寬弦風(fēng)扇葉片，相比于CFM56-3發(fā)動(dòng)機(jī)的窄弦風(fēng)扇葉片，風(fēng)扇葉片的損傷容限得到明顯改善。另外，與V2500發(fā)動(dòng)機(jī)相比，由于不同的風(fēng)扇葉片設(shè)計(jì)與制造技術(shù)，CFM56-7發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片具有更好的維修性與適應(yīng)性。

3.2.3 缺口損傷中發(fā)動(dòng)機(jī)類型與損傷處理方式相關(guān)程度評(píng)估分析

針對(duì)樣本量最大的缺口損傷類型，分析該損傷類型下發(fā)動(dòng)機(jī)類型與損傷處理方式之間的相關(guān)性，如果二者存在相關(guān)性，可以推斷如果一旦發(fā)生缺口損傷，某類型發(fā)動(dòng)機(jī)有著更大的可能性需要采用對(duì)應(yīng)的損傷處理方式，有利于發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)防性維修工作的開(kāi)展。

在缺口損傷類型中，不同類型發(fā)動(dòng)機(jī)的損傷處理方式數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分布見(jiàn)表7。

表7 缺口損傷中發(fā)動(dòng)機(jī)類型與損傷處理方式統(tǒng)計(jì)

采用連續(xù)性校正的卡方檢驗(yàn)計(jì)算相關(guān)程度，卡方值字2=29.482，顯著性p=0.001，達(dá)到顯著，說(shuō)明缺口損傷類型下，發(fā)動(dòng)機(jī)類型與損傷處理方式之間存在相關(guān)性。關(guān)聯(lián)度系數(shù)Cramer'sV=0.289，為中等程度關(guān)聯(lián)。

在缺口損傷類型中不同類型發(fā)動(dòng)機(jī)的損傷處理方式所占百分比的分布如圖4所示。

通過(guò)上述相關(guān)程度評(píng)估分析，得到以下結(jié)論：

圖4 缺口損傷中發(fā)動(dòng)機(jī)類型損傷處理方式百分比分布

（1）缺口的損傷處理方式呈現(xiàn)多樣化分布，從發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片相關(guān)的維修手冊(cè)中能夠得以體現(xiàn)，對(duì)于不同尺寸的缺口，手冊(cè)中會(huì)提供不同的處理方式。

（2）CFM系列發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)硬物沖擊損傷之后，采用打磨修理的概率要大于更換葉片的，而V2500系列發(fā)動(dòng)機(jī)的打磨修理與更換葉片概率較為接近，說(shuō)明了CFM系列發(fā)動(dòng)機(jī)在維修性和適用性方面有一定優(yōu)勢(shì)。而在航空公司實(shí)際調(diào)研過(guò)程中，機(jī)務(wù)人員普遍反映V2500發(fā)動(dòng)機(jī)損傷容限較小，相比CFM系列發(fā)動(dòng)機(jī)，其維修性與適應(yīng)性偏差，因此，分析結(jié)果與實(shí)際調(diào)研結(jié)果吻合較好。

4 結(jié)論

本文采用因素分析法建立了民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)持續(xù)適航維修特性的評(píng)估方法，利用發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片硬物沖擊損傷持續(xù)適航維修數(shù)據(jù)對(duì)方法進(jìn)行了驗(yàn)證，得到以下結(jié)論：

（1）通過(guò)對(duì)風(fēng)扇葉片硬物沖擊損傷類型與損傷處理方式相關(guān)程度與差異程度分析，表明不同損傷類型表現(xiàn)出較為明顯的確定的損傷處理方式，其中撕裂損傷幾乎全部采用更換葉片的處理方式，這與該損傷的表現(xiàn)形式以及其對(duì)風(fēng)扇葉片的力學(xué)性能危害存在密切聯(lián)系。

（2）通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)類型與損傷處理方式之間的相關(guān)程度與差異程度分析，表明不同類型發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片對(duì)相同損傷存在不同的損傷容限。由于發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片不同的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)，不同發(fā)動(dòng)機(jī)廠家的風(fēng)扇葉片對(duì)相同損傷有著不同的損傷處理方式需求。此外，同樣的發(fā)動(dòng)機(jī)廠商在風(fēng)扇葉片制造技術(shù)提高之后，也相應(yīng)地提高了風(fēng)扇葉片的損傷容限。