可靠性設計在民用飛機設計中的應用

中航飛機研發中心結構所 陳 磊 張云文 陳永利

可靠性設計在民用飛機設計中的應用

中航飛機研發中心結構所 陳 磊 張云文 陳永利

飛機的可靠性彰顯飛機的質量，飛機效能、壽命周期、費用都由飛機可靠性決定。運用飛機的可靠性相關理論，可為民用飛機的設計提供技術與思想指導。民用飛機可靠性設計的宗旨在于提升飛機的可靠度，降低運營費用，保證飛機的經濟適用性以及市場競爭能力。隨著我國綜合國力的發展，我國民航運輸業也得到了空前的發展，民用飛機的制造與生產面臨著新的發展機遇。民用飛機在設計中運用了三種設計方法，即冗雜設計、成熟技術及標準化設計。從而為飛機飛行的安全性和可靠性提供保障。為了使飛機平均故障間隔時間與簽派可靠度達到民用飛機設計要求，我們可以通過可靠性分析來進行求證，希望能為處于設計階段的民用飛機各系統可靠性指標的定量預計提供借鑒與指導。

飛機可靠性；民用飛機設計；飛機平均故障間隔時間；簽派可靠度

20世紀70年代,我國民用飛機的可靠性工程開始萌芽,在90年代開始全面發展。在此期間,民用飛機可靠性工程發展緩慢。近年來,國際間民用航空業的合作加強、競爭加劇,我國航空工業取得了一定的發展。飛機的可靠性逐漸受到人們的重視,但由于國內缺乏從事可靠性研究的專業工作人員,航空公司在數據收集方面的欠缺等原因,我國可靠性研究水平還比較低,同發達國家相比還存在很大的差距。在我國的民用飛機可靠性研究方面,還需要進行更加全面和深入的探索。可靠性應用研究能夠保證飛機安全運行,并推動航空公司經濟效益的實現。當今社會,國、內外航空市場的競爭日益激烈,開展“可靠性設計在民用飛機中的應用”這一課程研究具有重大的現實意義和廣闊的應用前景。

1 概述可靠性

可靠性指在規定的時間和條件內,產品完成規定功能的效力。它包括三大要素：規定時間、規定條件、規定功能。可靠性是產品耐久性、維修性、無故障性、經濟性以及有效性的體現。規定時間指產品規定的任務時間。同一產品使用時間范圍不同,產品的可靠性水平也不同。它取決于產品的特性。規定條件指產品使用時的環境條件、維修條件與工作條件等,如濕度、溫度。同一產品規定的條件不同,可靠性水平也不同。規定功能指產品規定的必備的功能和技術指標。產品可靠性指標的高低與其功能的多少、技術指標的高低成正比。

2 可靠性設計目標與方法

目標：民用飛機可靠性設計目標是提高飛機運行效率與飛機質量,減少航空公司運營成本。方法：①冗雜設計：民用飛機安全性影響大的設備通常有多套備份,在一套設備出現故障的情況下,其他的備份設備可以保障飛機各項功能的正常,從而避免航空公司的運營受其影響。②成熟技術：民用飛機設備運用了許多國內外民用飛機的技術和貨架產品,在其性能、安全性、外形等達到要求的情況下,能夠有效提高系統的可靠性。③標準化設計：為提高飛機設備的可靠性和安全性,民用飛機在設計時采用成熟的標準零件、材料和加工工藝。

3 可靠性設計指標

可靠性指標主要分為平均故障間隔時間(MTBF)與簽派可靠度(DR)指標兩部分。平均故障間隔時間也稱作基本可靠性指標,是用來描述系統、分系統和設備、零部件可靠性的一種參數。在民用飛機可靠性設計中,作為基本可靠性指標的平均故障間隔時間是系統、分系統和設備進行可靠性設計時關注度最高的指標,其度量方法為：在規定的時間內,產品飛行小時的累計數除以同一時間內故障發生次數的總數,也可用其倒數()表示。簽派可靠度又稱為派遣可靠度,是民用可靠性設計中最重要的指標之一。指在飛機運營時間內,未取消航班或因技術原因延誤航班而運營離站的百分數。技術延誤指當飛機的設備或部件出現工作異常時,因必要的檢查或修理延遲了飛機最后離站的時間,一般超過預定的離站時間是15min。簽派可靠度=1-出勤延誤率。

4 可靠性基本模型

在對民用飛機可靠性指標進行預計時,需在飛機與其各個系統之間和各系統與設備之間的故障建立邏輯關系模型。通常情況下使用可靠性串聯模型。其數學模型關系式如下：

其中：

Ri(t)——產品可靠度;

Ri(t)——第i個單元的可靠度。

假設產品各單元的故障時間服從指數分布,其可靠度計算方法如下

5 可靠性設計指標分配方法

將飛機整體的設計要求、航空公司運營數據作為依據,計算飛機各系統可靠性分配值在飛機可靠性指標中所占的比重,分配各系統的可靠性指標,以部件制造商提交的數據為參考修正分配值,確定各系統的可靠性指標。若飛機和全機各系統的故障率與指數分布相符,其公式如下：

6 可靠性分析

6.1 系統MTBT分析

系統MTBT以各系統部件故障率代數和的倒數表示,運營公司統計數據決定了成熟的貨架飛機各系統部件的MTBF值。在設定的時間內與條件下,產品累計飛行時間除以同一時間內的故障總數表示系統部件MTBF值,如表1所示。設計的新產品,部件的MTBF值應借鑒類件的故障率進行相關計算。

表1 系統MTBF統計表

6.2 簽派可靠度分析

簽派可靠度(DR)等于系統內各部件簽派可靠度的乘積,如以下公式所示,部件的簽派可靠度與其維修更換時間、部件MTBF、部件出現故障時飛機能否繼續派遣等因素有關。

DR系統=DR部件1×DR部件1×部件1×...×DR部件N

7 結束語

隨著現代科學技術的進步,我國民用航空業飛速發展。中國由航空大國發展為航空強國,由民用飛機的采購大國發展為民用飛機制造大國,幾代航天人的夢想得以實現,人們對民用飛機可靠性的關注度越來越高。民用飛機可靠性指標的分析能夠檢測設計要求能否達到可靠性指標,還能為可靠性增長試驗提供相關數據,并為安全性評估提供定量計算依據,幫助計算。簽派可靠度,能夠直接反應其市場運營狀況,影響飛機的可靠性水平,是民用飛機可靠性設計中最核心的指標之一。本文從可靠性的概念、設計目標、方法等相關理論出發,提出了一系列飛機可靠性設計指標、可靠性基本模型與指標分配方法,希望能夠在民用飛機設計階段對飛機各系統的可靠度建設發揮指導性作用。

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