基于威布尔分布的波音737NG飞机IDG竞争性故障模型研究

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摘要：利用737NG机队IDG近七年的非计划更换数据，对IDG的各部件失效机理进行探究，利用非线性秩和线性回归方法分别为IDG易损部件建立威布尔分布模型，得到其形状参数和尺度参数。进而在竞争性故障下，得到737NG机队IDG的失效函数和失效率函数，为维修计划的调整提供必要的理论依据。

关键词：可靠性分析；737NG IDG.威布尔分布；竞争性故障

1 IDG工作机理简述

IDG是一个由液压机械恒速传动装置（CSD）和一个滑油冷却的无刷交流发电机装置组成的组件。IDG还包括一个永磁发电机（PMG），用于控制并向主发电机提供激励电源。CSD和发电机部件的润滑和冷却是由同一滑油管路完成的。CSD以24000rmp的恒定转速转动发电机。发电机提供115V/200V交流、400Hz电源，额定功率90kVA。IDG存在低滑油压力或欠频时，驱动灯亮，需要人工断开。当IDG存在高滑油温度时自动热断开。

由图1可知，IDG由CSD转动PMG马达，当PMG马达转动时，在PMG定子的三相绕组中产生交流电，该交流电供给GCU。GCU内部的电压调节器将交流电变压并整流成直流电。直流电在发电机控制继电器GCR关闭时，进入励磁绕组，主发电机激励器（定子）绕组中的直流电产生静止的磁场，该磁场在激励器转子（电枢）的绕组中产生三相交流电。转子中的旋转整流器将交流电转成直流。直流电供给到主发电机励磁绕组，磁场绕组中的电流产生旋转磁场。旋转的磁场在主发电机定子中产生交流电。

IDG整体来看相当于一个小系统，由滑油、恒速、发电三套系统组成，三套系统并联，每套系统又是由多个部件串联而成。滑油、恒速、发电三套系统中任一易损部件失效就会导致IDG故障，故障产生机理类似木桶原理，系统可靠性由可靠性最低的部件决定。

2 lDG失效机理探究

根据近七年的送修报告，IDG故障的主要原因为泵和马达组件损坏、转子损坏、输入轴封严损坏、压力电门损坏，如图2所示。这四种失效原因占IDG总故障的89%，现对这四种失效模式分别按威布尔分布建模，得出每种失效模式的失效函数。

2.1 泵和马达组件损坏

泵和马达组件是IDG恒速传动装置的主要部件。泵和马达组件的结构形式为斜盘柱塞泵，主要作用是为差动游星齿轮提供速度补偿，以保持输出转速不变，主要失效形式为柱塞缸体磨损，柱塞、止动块等损坏超标。失效的主要原因是由于长时间作動，导致金属件磨损超标。

近七年的统计中，泵和马达组件失效39次，占故障总数的30%，图3所示为失效时间散点图。从图中可知，故障使用时间低于10000FH的只有两次，使用时间分别为3671.74FH和5211.21FH（图3中的×标记点），这两次都与第三方修理厂二次故障修理有关。OEM有一次泵和马达的二次修理，使用时间为11872.25FH，表明OEM的修理质量较好。

OEM颁布SB 90EGS021-24-20，要求将有铜质衬套的柱塞缸体更改为无铜质衬套的柱塞缸体并升级了柱塞。目前的柱塞缸体内壁上有一层铜质衬套，长时间作动后容易磨损，柱塞缸体磨损后产生的铜质碎屑与某些牌号滑油中的添加剂在一定温度下会发生化学反应产生化合物，加剧缸体的磨损，查询返修报告，近七年共发生9起因固定斜盘端柱塞缸体孔磨损导致的故障，缸体磨损失效的时限在11000～22000FH之间，主要集中在13000FH附近。波音737-SL-24-208要求将有铜质衬套的柱塞缸体更改为无铜质衬套的柱塞缸体，并升级了柱塞，这样可以提高部件的使用寿命，并防止产生化合物造成压差指示器（DPI）频繁弹出。波音737-SL-24-189允许DPI弹出三次而无需更换IDG，将DPI复位后，以100小时为间隔连续进行4次检查，如DPI未弹出，可恢复至正常的检查间隔。查询故障记录共发生20次IDG弹出故障，16次检查油滤无异物，有4次因发现金属屑而更换IDG。执行本改装，波音不提供索赔，改装成本为35434美元，成本较高[4]。

泵和马达组件累计失效率如图4所示。根据平均秩次和线性回归法确定两参数威布尔分布参数，得出泵和马达的可靠性函数为：

由上式可得β1=3.62>1，说明泵和马达的损伤失效为增函数，对应为损耗失效[1]。

2.2 转子损坏

转子损坏占全部数据的22%。这里的转子主要是指励磁转子、主转子、二极管转子组件（不包含永磁转子），失效的主要形式是绕组短路或开路、电阻过高或过低等电气线路故障。

如图5所示，转子使用时间4000FH以下损坏的有8次，其中6次为第三方修理厂二次修理导致（图5中×标记点），全部为15年（含）之前修理的，咨询航材，某公司在2015年对成都第三方修理厂进行IDG质量警告后，第三方修理厂调整了IDG内部核心部件（转子和定子）的翻修转包方向，现由原制造厂家爱尔兰香侬翻修，目前尚未出现15年返修后转子损坏情况。

除了修理厂返修质量导致的原因外，转子损坏累积失效概率分布如图6所示。

根据平均秩次和线性回归法确定两参数威布尔分布参数，得出转子的可靠性函数为：

由上式可得β2=1.3 872>1，说明转子的损伤失效为增函数，对应为损耗失效[1]。

2.3 输入轴封严失效

输入轴封严失效占IDG失效的21%，主要失效形式是密封面损坏或封严密封面产生浮泡，碳封严失效时间主要集中在两个区域，5000FH以内和11000FH之后。

5000FH以内失效形式主要为封严的密封面损坏。据修理厂家反映安装碳封严时，要和输入轴配合安装，工艺要求较高。如果装配不好，容易造成碳封严损坏，IDG再次渗漏。针对碳封严的早期失效，一方面将近几年因装配原因导致的失效数据反馈给修理厂家，要求厂家提高碳封严的装配工艺，另一方面在IDG安装工卡中要求维修人员安装时注意保护好输入轴，防止输入轴受到过大的侧向力而损坏碳封严，降低IDG的使用时间。

碳封严11000FH之后的失效形式主要为封严密封面产生浮泡。碳封严目前有两种构型，一种普通的构型，一种Hydropadseal构型。UTAS为了解决普通构型的碳封严处容易漏油的问题，在2002年5月推出了新构型Hydropad seal的碳封严。序列号在2648之后的IDG都安装了这种新构型的碳封严。新构型的碳封严容易出现起泡问题，导致输入轴漏油。针对封严密封面浮泡问题，将继续跟踪UTAS的改进计划[4]。

由图7可以看出，输入轴封严的失效率接近常数，导致累积失效率增量变化小。

根据平均秩次和线性回归法确定两参数威布尔分布参数，得出碳封严的可靠性函数为：

由上式可得β3=1.056≈1，因为碳封严存在早期失效和损耗失效，所以整体上看碳封严失效率趋近与常数，失效类型为随机失效[1]。

2.4 压力电门

压力电门P/N： 713442用来探测IDG中的低压。当IDG中压力正常，电路处于开路状态；当IDG中压力低于预设压力，活塞在弹簧力的作用下运动，闭合电路，并给GCU送去一个信号。

压力电门失效一般为电门触点接触不良。目前的压力电门是非密封式的结构，容易受油液污染后导致接触不良。

压力电门失效时间在10000FH小时以下的仅有两次，均为修理厂二次修理导致。如图8所示，×为第三方修理厂修理，使用时间1802.62FH；△为OEM原厂修理，使用时间9087.34FH。

参考737NG-FTD-24-10002，非密封结构的压力电门浸泡在滑油中，如果液压油有污染物，会导致电门触点接触不良。波音和UTAS重新设计了密封结构的压力电门P/N1709335，后升级为P/N 5915373-1，但该电门存在压力开关粘连和引接线断裂等问题。目前最新型的压力电门P/N 5915373-2升级了活塞和外壳材质，更新了阳极化处理工艺，并调整了内部的微动电门，于2016年2月装在747/767 IDG上，截至2017年7月底未发现因新电门导致的IDG故障。后续将咨询波音和厂家是否将新电门引入737机队[4]。

目前CMM24-16-06 check3中包含了压力电门的测试步骤，每次送修IDG时都会检查此电门。

压力电门累计失效率如图9所示。根据平均秩次和线性回归法确定两参数威布尔分布参数，得出压力电门的可靠性函数为：

由上式可得β4=3.63545>1，壓力电门为损耗失效[1]。

2.5 基于威布尔分布的IDG竞争性故障模型

1） IDG失效函数

根据IDG失效分析，IDG主要有四种故障模式，每种故障模式的失效机理都独立地作用于系统，且每种故障类型都对应一定的失效时间，其中任何一种失效都会引起系统失效，所有的失效中，最早产生的那种失效出现时将导致系统失效[2"3]，即

T= min{T1，T2，…，T_K}

F_i（t）是T_i的累计失效分布函数，所以IDG的累积失效分布函数为

根据IDG的失效函数，绘出累积失效分布函数图，如图10所示。可以看出IDG的失效函数成S型，前期使用函数曲线较平滑，随后斜率变大，表明IDG开始进入失效高峰期，失效数达到峰值后随着样本数量的减少，函数曲线又趋于平滑。

IDG失效密度f（t）一F（t）’如图11所示。失效密度f（t）图形近似为正态分布，随着IDG使用时间的增加，单位时间内失效的个数不断增加，在21000FH达到峰值，所以应在此时间之前找到合适的修理点。

对失效密度函数f（t）继续求导，得到失效密度的变化趋势，如图12所示。计算得到13600FH为f（t）导数函数的第一个拐点，表明13 600FH附近失效密度函数变化最大，所以可以考虑对使用时间到达13600FH的IDG进行预防性送修。

IDG失效函数应用举例：

某公司机队有108架飞机，在翼216个IDG，n=216，机队在At时间内失效的个数为：

即：N_F=[F（t1+△t）-F（t1）]+[F（t2+△t）-F（t2）]+…[F（t_n+△t-F（t_n）]

通过机队在At时间内失效个数的公式，可以计算出航材需要保证库存备件的数量。据了解，OEM修理厂平均送修周期31天，第三方修理厂平均送修周期25天，OEM修理占34%，第三方修理厂占66%，则平均送修时间为31×34%+25×66%=27天，如果按一天飞行10小时来算，At-270FH，则在△t=270FH失效的IDG个数N_FF=l.3，这就要求在库存中至少要保证两个备件。

2） IDG失效率

通过IDG的失效函数，得到IDG系统失效率为

其中，β1=3.62，θ1=29462.98；β2=1.3872，θ2=73158.97，β3=1.056，θ3=114217.5；β4=3.63545，θ4=32687.24。得到如图13所示的IDG失效率函数图。可以看到，失效率曲线内凹，随着使用时间的增加失效率曲线越来越陡，表明使用时间越长，部件失效的机率越高，部件可靠性也越来越低。

IDC失效率应用举例：

已知某公司截至2017年8月10日机队IDG的使用时间，在翼216台IDG的平均失效率为：

计算得到机队IDG的平均故障间隔时间

MTBF=（

）= 29568 FH，而目前机队统计累计平均非计划拆换间隔时间（MTBUR）为25658.19（见图14），除去厂家修理报告NFF件，得出统计值MTBF跟函数计算值基本一致，这说明计算函数有效且计算精确度较高。

由失效率公式计算得到，IDG使用时间为14000FH的IDG失效率为λ（14000）= 4.76089xl0 -5。使用时间为20000FH的IDG失效率为λ（20000）=9.48617x10 -5。

虽然使用时间增加了6000FH，但λ（20000）比λ（14000）将近增加了一倍，进一步说明预防性维修是有必要的。737NGMEL24-1规定发动机驱动发电机系统，只要APU发电机工作正常且整个飞行中都使用，允许一套不工作，执行（M）（0）程序。若左右IDG在空中同时失效，这种情况超出MEL规定，对飞行安全影响较大，在此计算其发生概率。

1）考察对象：选择某公司平均飞行航段济南至福州，约2小时，记为T=2。

2）事件A：左发IDG空中失效，其发生概率记为P（A）。

3）事件B：右发IDG空中失效，其发生概率记为P（B）。

4）事件C：左右IDG同时失效，即事件A、B同时发生，其发生概率记為P（C）。

5）假设失效率左发λ（14000），右发λ（20000）。

由IDG工作原理可知，左右IDG独立工作，即事件A、B独立。

P（A）=λ（14000）.T=9.5 xl0 -5

P（B）=λ（20000）.T=1.897xl0-4

P（C）= P（A. B）= P（A）.P（B）= 1.8 xl0-8

数值P（C）为平均航段T=2时双发IDG同时失效概率，即55355483次飞行才会出现一次，安全风险可以接受。

参考文献

[1]赵宇，杨军，马小兵.可靠性数据分析教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2009.

[2] PASCULA F.Accelerated life test planning withindependent Weibull competing risks[J].IEEE Transactions onReliability，2008，57（3）；435 -444.

[3] Bryan Dodson.WeibuIIAnalysis.ASQ Quality Press.

[4] CMM24-11-85，SB90EGS021- 24-20，737-SL-24-208，737-SL-24-189，737NG-FTD-24-10002.

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