直升機可靠性外場評估方法及應用研究

鮮 勇

(海裝駐武漢軍事代表局，湖北 武漢 430064)

0 引言

近年來，諸多型號直升機定型并交付部隊使用。在型號研制過程中，在戰技指標中均明確了可靠性指標的定量和定性要求。型號交付部隊之后，需要通過持續的跟蹤、評估與改進來確保型號具有較高的可靠性水平，提高其出勤率。因此，如何對直升機的各項可靠性要求進行全面、科學合理的驗證，已經成為當前工作的一個關鍵問題。

實際使用環境對于直升機可靠性來說有很大的影響，即使是同一架直升機，當處于不同的使用環境條件下，其所表現出來的可靠性水平也是不同的。因此，只有在現場真實的使用環境條件下對直升機的可靠性進行評估，才能獲得真實和準確的可靠性數據，從而對直升機的可靠性水平做出正確的評價[1]。直升機的可靠性外場評估能較真實地反映直升機的整機可靠性水平，而且經濟易行。

1 可靠性外場評估概述

1.1 可靠性外場評估的基本概念

評估是指通過提供客觀證據證明規定要求已得到滿足的認定。可靠性外場評估是指在裝備使用階段，通過采用試驗、演示或驗證等方法，對直升機型號可靠性定量和定性要求是否滿足“研制總要求”或“研制任務書”中的規定，并給出結論性意見所需進行的鑒定或評價等認定的總稱。

可靠性外場評估是隨著可靠性工作的深入開展和對可靠性重要程度的逐步認識提出的，是當今我國可靠性領域熱門的研究方向之一，目前對可靠性評估尚無統一定義。

直升機可靠性外場評估屬于統計試驗的范疇。直升機可靠性外場評估具有綜合性、真實性、經濟性的優點。在直升機研制的不同階段，直升機可靠性外場評估具有不同的目的，本文研究的直升機可靠性外場評估的目的是評估直升機可靠性水平，為直升機的改進和提升提供依據。

1.2 直升機可靠性外場評估的基本內容

直升機可靠性外場評估必須明確進入評估的基本條件和時機、可靠性參數和評估方法、樣本量和評估強度、環境條件(包括地域要求、季節要求和任務剖面要求)、故障分類；另外，為了控制評估工作有序進行，保證評估工作順利完成，還必須制定有關評估的組織管理內容，例如必須制定可靠性外場評估計劃，編制可靠性外場評估大綱，確定可靠性外場評估程序，建立有效的信息收集處理系統[2]。

2 可靠性參數介紹

可靠性參數包括基本可靠性參數和任務可靠性參數，當前直升機常用的可靠性參數及定義如表1所示。

表1 直升機常用可靠性參數及定義

一般來說，以上可靠性參數是我國直升機裝備外場使用可靠性評估工作的主要評估內容，根據直升機可靠性外場評估的主要目的和所要達到的目標，針對不同的產品層次，按照要求確定具體的一個或幾個參數進行評估，以驗證考核直升機整機、功能系統或機載成品的可靠性水平。

本文主要針對直升機型號中最常用的基本可靠性參數平均故障間隔飛行小時(MFHBF)進行研究。

3 故障分類和故障數據統計原則

在可靠性外場評估中，并不是所有故障都是有效的，只有責任故障才可以作為用于可靠性外場評估統計的故障[3]。

3.1 故障分類

評估期間出現的所有故障可參考GJB899A中的4.12故障分類方法，根據故障是否會在現場使用中出現，將故障分為非關聯故障和關聯故障。而關聯故障則可以進一步分為非責任故障和責任故障。圖1為責任與非責任故障劃分示意圖。

3.2 故障次數的統計原則

在按照故障分類原則完成故障分類后，一般按照下面的故障次數統計原則進行故障次數的統計：

1)在同一次工作過程中出現的同一設備或者部件的間歇性故障或者多次虛警，統計為一次故障；

2)當可以證實不同設備的多種故障模式是由于同一器件的故障所引起的，整個事件統計為一次故障；

3)在多個零部件或者元器件在評估的過程中同時出現故障的情況下，當不能夠證明是因為一個故障引起了其它一些故障時，則每個零部件或者元器件的故障均需統計為一次獨立故障；

4)當已經統計過的故障由于沒有能夠真正地修復而又再次復現的，應該和原來統計過的故障合并統計為一次故障；

5)對于由于獨立故障而引起的從屬故障，不計入受試產品的故障次數；

6)計劃內的受試產品或其部件拆卸事件，不計入受試產品的故障次數；

7)對于零部件存在的輕微缺陷，如果不會喪失規定的功能，并且能夠按照規定的維修規程通過飛行前檢查或者飛行后檢查等予以原位修復(不會引起拆卸)的事件，比如部件松動、參數漂移、噪聲、輕微滲漏等，不計入受試產品的故障次數；

8)在評估過程中，已確認為非關聯故障的故障不計入故障次數。[4]

圖1 責任與非責任故障劃分示意圖

4 平均故障間隔飛行小時(MFHBF)外場評估方法

平均故障間隔飛行小時(MFHBF)是用于度量軍用直升機整機和機上可修復產品使用可靠性的一種參數，用于使用效果評估。該指標是指在規定時間內，產品累計總飛行小時與同期間內的故障總數之比。

4.1 評估模型

對于平均故障間隔飛行小時(MFHBF)的點估計，計算公式：

(1)

對于壽命服從指數分布的產品，其置信度為1-α的區間估計為：

(2)

式中：θL—MFHBF的區間估計的置信下限；θU—MFHBF的區間估計的置信上限；T—累積飛行小時數，h；r—在驗證時間期間內統計出的關聯故障總數；α—選定的顯著度水平。

查χ2函數表，可按公式(2)計算得出MFHBF的置信下限和置信上限。

置信度為1-α的單側置信下限估計為：

(3)

式中：T—累積飛行小時數，h；r—在驗證時間期間內統計出的關聯故障總數，α—選定的顯著度水平。

查χ2函數表，可按公式(3)計算得出MFHBF的單側置信下限。

當存儲貨物質量較大、貨架重心較高，存在安全隱患時，可采用結構穩定性原則占主導的復合貨位優先級，即在符合結構穩定性原則的前提下，同行貨位根據其出庫時間、按照存儲效率優先原則設定優先級，圖2d所示為結構穩定性原則占主導的復合貨位優先級示例圖。

4.2 信息及來源

驗證期間，應用事先制定的故障信息表，按要求詳細記錄故障和飛行小時等信息。

驗證結束時，應根據事先確定的故障判據對記錄的每條故障信息進行判定確認，整理出如下數據：

1)評估對象累計的總飛行時間T；

2)相應時間區間內用于統計計算的關聯故障總數r。

利用公式(1)-(3)進行評估計算，得到估計值。

4.3 結果及判定

1)對直升機整機及功能系統來說，評估輸出結果為現場使用條件下直升機、功能系統的MFHBF點估計值；

2)對機載設備來說，評估結果為MFHBF的點估計、區間估計值或單側置信下限估計值；

4.4 使用說明

1)對該參數進行評估計算時，故障判據和數據統計原則直接影響評估結果，為此，必須在驗證大綱中進行規定，評估計算前應組織對統計數據的審查。

2)在設計定型試飛驗證過程中，對參試直升機的數量、批次以及其編號應做出說明。由于直升機的技術狀態發生變化，是可靠性增長過程，因此，用該階段的全部數據進行驗證并不能完全反映直升機真實的可靠性水平，因此，應剔除早期故障，同時也應防止數據丟失。

3)對于整機來說，可僅進行平均故障間隔飛行小時(MFHBF)的點估計，由飛行記錄數據直接得到評估對象累計的總工作時間T。

4)航空發動機的累積工作小時數T應該是發動機實際工作的時間，包括地面和空中開車的時間。

5)若采用區間估計或單側下限估計，應實現明確置信度。如果研制總要求中給出了區間估計的置信度要求，則應按照要求的置信度；如果沒有給出區間估計的置信度要求，一般來說，推薦置信度1-α取80%以上。

5 某型直升機可靠性外場評估

5.1 評估內容

根據某型機研制總要求，該型機可靠性指標要求為：

平均故障間隔飛行小時(MFHBF)：整機規定值不小于4fh；整機最低可接受值3fh。

5.2 統計數據

評估期間內，該型直升機累計飛行1189h32min(1189.53h)，發生故障295起，其中責任故障241起。

5.3 點估計值

根據公式：

(4)

已知，T=1189.53h，r=241。

其平均故障間隔飛行小時的點估計值為：

(5)

從點估計值的結果來看，該型號已經滿足研制總要求中規定的平均故障間隔飛行小時(MFHBF)規定值不小于4飛行小時的要求。

5.4 區間估計的置信下限

根據公式：

(6)

已知，T=1189.53h，r=241。

取置信度為80%，則α=1-0.8=0.2，因此χ2(α/2,2r+2)=χ2(0.1,484)=524.2762。

由此計算可得平均故障間隔飛行小時單側置信下限為：

θL=4.5

(7)

從區間估計的結果來看，該型號已經滿足研制總要求中規定的平均故障間隔飛行小時(MFHBF)規定值不小于4飛行小時的要求。

6 結論

本文根據我國直升機可靠性外場評估工作的需要，在充分吸收國內外先進的驗證和評估技術并總結、分析、歸納可靠性驗證和評估的工程技術方法的基礎上，以統計數據為基礎，以解決現有驗證理論在外場操作中存在的工程化問題為目的，進行直升機使用階段的可靠性綜合評估的方法研究及技術適用性、工程化、規范化的應用研究。對型號研制中常用的可靠性參數指標的外場評估進行了研究，建立起適合直升機研制和使用特點的可靠性外場驗證評估方法，能夠有效指導型號使用階段的可靠性外場評估。