襟翼運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)可靠性分配研究

張 柁，張 園，楊兆林，勾利娜

(1.中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所，全尺寸飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜力/疲勞重點(diǎn)試驗(yàn)室，陜西 西安 710065；2.西安長(zhǎng)慶科技工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710021；3.長(zhǎng)慶油田勘探開(kāi)發(fā)研究院，陜西 西安 710021；4.西部機(jī)場(chǎng)集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710075)

1 引 言

航空航天飛行器、工業(yè)設(shè)備中存在著大量的機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，例如飛機(jī)的襟翼、縫翼、副翼、擾流板等操縱機(jī)構(gòu)，空間站上用于維修的機(jī)械手臂，汽車生產(chǎn)線進(jìn)行焊接操作的機(jī)械臂等。尤其是飛機(jī)上的操縱機(jī)構(gòu)，其可靠性嚴(yán)重影響到飛機(jī)的安全性，因此都是具有極高可靠性要求的重要機(jī)構(gòu)。而設(shè)計(jì)高可靠性機(jī)構(gòu)的前提，是要進(jìn)行合理的系統(tǒng)可靠性指標(biāo)分配。

可靠性分配是將規(guī)定的系統(tǒng)可靠度指標(biāo)，在構(gòu)成該系統(tǒng)的若干個(gè)子系統(tǒng)之間進(jìn)行適當(dāng)?shù)胤峙洌簿褪谴_定各子系統(tǒng)的可靠度指標(biāo)，從而保證整個(gè)系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)達(dá)到要求。由于機(jī)械產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)與成本、維修費(fèi)用、重要性、復(fù)雜度、制造技術(shù)等諸多因素有關(guān)，故在進(jìn)行可靠度分配時(shí)，針對(duì)不同的約束目標(biāo)，有不同的分配方案。

區(qū)別于電子產(chǎn)品，適用于機(jī)械產(chǎn)品的傳統(tǒng)可靠度分配方法有：相對(duì)失效率法、再分配法、評(píng)分分配法[1]、因素綜合法[2]、拉格朗日乘數(shù)法、動(dòng)態(tài)規(guī)劃法、直接錄查法等。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者嘗試一些新的分配方法。文獻(xiàn)[3]引入了模糊數(shù)學(xué)方法，運(yùn)用三角模糊法與層次分析法相結(jié)合對(duì)機(jī)械系統(tǒng)可靠度進(jìn)行分配，文獻(xiàn)[4-5]從優(yōu)化的角度對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行分配，文獻(xiàn)[6-7]還提出了運(yùn)用遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等進(jìn)行可靠性分配。

上面提到的分配方法均是假設(shè)機(jī)械系統(tǒng)的各部件相互獨(dú)立，其分配過(guò)程就是把系統(tǒng)的整體指標(biāo)值分配給獨(dú)立的各個(gè)部件，賦予每個(gè)部件一個(gè)指標(biāo)值。而在實(shí)際工程上，根據(jù)機(jī)械系統(tǒng)的特點(diǎn)，其失效模式均為損耗型，失效概率隨時(shí)間增長(zhǎng)，同一部件一般存在多種失效模式，各失效模式間帶有很大的耦合因素，因此機(jī)械系統(tǒng)各部件均為關(guān)聯(lián)的。

對(duì)于一般的簡(jiǎn)單機(jī)械系統(tǒng)，采用上面提到的傳統(tǒng)分配方法進(jìn)行分配，在一定的誤差范圍內(nèi)可以得到相對(duì)有效的分配結(jié)果。但對(duì)于含有典型運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)械系統(tǒng)，例如飛機(jī)的襟翼、縫翼、副翼等，其運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)各部件的關(guān)聯(lián)性比較大，各失效模式間的耦合性也比較大，這時(shí)就不能簡(jiǎn)單地把運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)各部件單獨(dú)處理，傳統(tǒng)的分配方法就不適用了。

在對(duì)含有運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分配時(shí)，不能把運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的各部件區(qū)分開(kāi)，而是將機(jī)械系統(tǒng)中的典型運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)作為一個(gè)整體，然后對(duì)其分配一個(gè)指標(biāo)，或者直接對(duì)其提出一個(gè)需滿足的指標(biāo)，這里可以通過(guò)參考相似運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的可靠度或仿真的方法來(lái)確定這個(gè)指標(biāo)。

2 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)失效模式分析

某機(jī)型襟翼運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖1所示，包括襟翼驅(qū)動(dòng)連桿(傳動(dòng)桿和連桿臂)、襟翼托架、滑軌、襟翼支架等部件。

圖1 襟翼運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

根據(jù)該機(jī)型襟翼系統(tǒng)故障模式影響分析(FMEA)，襟翼故障失效模式主要包括：機(jī)械卡阻、關(guān)鍵件的強(qiáng)度破壞、操縱精度不夠、襟翼開(kāi)度不一致、其他部件對(duì)襟翼性能的影響等模式。其中襟翼運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的主要故障失效模式及對(duì)應(yīng)部件和故障原因如表1所示。

表1 某機(jī)型襟翼運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要失效模式

由表1可知，襟翼運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵件為襟翼驅(qū)動(dòng)連桿、襟翼托架、滑軌、襟翼支架，主要失效模式為精度不夠、卡阻、強(qiáng)度破壞。其失效模式分析簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2 失效模式分析簡(jiǎn)圖

圖2描述了襟翼運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)失效模式與失效發(fā)生部件及故障原因的對(duì)應(yīng)關(guān)系。其中，精度不夠和卡阻失效的一個(gè)故障原因均是運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)部件之間的磨損和變形。例如，襟翼系統(tǒng)中的托架滑軌系統(tǒng)，當(dāng)滑軌托架磨損量過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致滑軌軌跡變形，引起襟翼操縱精度不夠。當(dāng)這種變形量過(guò)大時(shí)，滑軌與托架還將產(chǎn)生卡滯和咬死現(xiàn)象，這是由相互運(yùn)動(dòng)的兩部件耦合造成的，而不是由單個(gè)部件引起的失效。因此，將襟翼驅(qū)動(dòng)連桿、整流罩驅(qū)動(dòng)連桿、襟翼托架滑軌作為運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的子部件進(jìn)行失效模式分析。

根據(jù)失效模式與部件的對(duì)應(yīng)關(guān)系可知，同一部件一般存在多種失效模式，各部件的部分失效模式相同，相互交叉。因此，各部件之間是相互關(guān)聯(lián)的。根據(jù)失效模式與故障原因的對(duì)應(yīng)關(guān)系可知，各失效模式有多個(gè)故障原因，且一個(gè)故障原因可能引起多種失效模式。因此，部分失效模式存在很大的耦合因素。在圖2中，精度不夠與卡阻失效模式便是相互耦合的。

可靠性分配就是對(duì)各部件進(jìn)行指標(biāo)分配，而各部件的可靠性指標(biāo)也可以認(rèn)為是其主要失效模式的指標(biāo)。由于運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的各部件是相關(guān)聯(lián)的，各主要失效模式也是相互耦合的，因此在進(jìn)行可靠性指標(biāo)分配時(shí)，不能僅僅把運(yùn)動(dòng)部件分開(kāi)以簡(jiǎn)單的串聯(lián)形式對(duì)各組件分別分配一個(gè)指標(biāo)，還需要考慮部件之間的耦合因素。這些耦合因素給運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的可靠性分配帶來(lái)了很大困難，上面提到的常用的可靠性分配方法針對(duì)含有運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)械系統(tǒng)均有一定的局限性。

3 可靠性分配

由運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)失效模式分析可知，在對(duì)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行可靠性指標(biāo)分配時(shí)，還要考慮運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的耦合性。由于各組件都是相關(guān)聯(lián)的，而這種相關(guān)聯(lián)帶有很大的不確定性，如果要對(duì)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的各組件分別分配一個(gè)指標(biāo)，很難在考慮各組件關(guān)聯(lián)性的前提下用傳統(tǒng)的可靠性分配法對(duì)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行指標(biāo)分配。

如果考慮運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的耦合性，就不能僅僅把運(yùn)動(dòng)部件分開(kāi)以簡(jiǎn)單的串聯(lián)形式對(duì)各部件分別分配一個(gè)指標(biāo)，而是將運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)作為一個(gè)整體進(jìn)行指標(biāo)分配，也就是對(duì)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的主要失效模式分配一個(gè)指標(biāo)，這包含了運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)內(nèi)部的相關(guān)性，而不必去量化這種不確定的相關(guān)性。

經(jīng)研究分析，針對(duì)含有典型運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)可采用的幾種可靠性指標(biāo)分配方法如下：

(1)直接分配法。將典型運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)作為一個(gè)整體，即子系統(tǒng)，并運(yùn)用合適的分配方法對(duì)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)分配一個(gè)整體指標(biāo)，這只需要將襟翼系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)各部件合成一個(gè)子系統(tǒng)組件(襟翼運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu))。其合成之后的可靠性基本方框圖如圖3所示，進(jìn)行合適的指標(biāo)分配后就可得到襟翼運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的指標(biāo)值，即襟翼運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要失效模式的失效概率。

圖3 可靠性方框圖

(2)仿真確定法。通過(guò)運(yùn)用運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真軟件LMS建立典型運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的仿真模型，然后根據(jù)典型運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的失效模式影響分析(FMEA)，選取幾個(gè)主要的失效模式為仿真對(duì)象。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的CATIA模型結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)、LMS分析模型中的結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)副參數(shù)以及外部載荷參數(shù)等均可以作為可靠性計(jì)算機(jī)仿真的仿真輸入，按照運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)可靠性典型失效模式進(jìn)行隨機(jī)變量的選擇，將與失效模式相關(guān)的參數(shù)作為仿真模型的隨機(jī)變量參數(shù)，即仿真輸入；對(duì)模型中隨機(jī)變量參數(shù)進(jìn)行計(jì)算機(jī)隨機(jī)抽樣，抽取足夠的隨機(jī)數(shù)，同時(shí)在LMS分析模型中進(jìn)行仿真運(yùn)行設(shè)置，完成運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)可靠性典型失效模式的模擬試驗(yàn)；按照運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)可靠性典型失效模式選擇相關(guān)的模擬試驗(yàn)結(jié)果作為仿真計(jì)算的輸出，并利用這些輸出結(jié)果數(shù)據(jù)完成對(duì)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)典型失效模式的可靠性仿真計(jì)算分析。

在運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的仿真過(guò)程中，可選取幾個(gè)主要的失效模式作為仿真對(duì)象，同時(shí)考慮其中的一個(gè)或幾個(gè)，這要取決于各失效模式的關(guān)聯(lián)性。如果各失效模式是相互獨(dú)立的，便可以單獨(dú)考慮；如果各失效模式中有相關(guān)聯(lián)的，便可將相關(guān)聯(lián)的失效模式同時(shí)考慮進(jìn)行仿真分析。對(duì)于襟翼運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，精度不夠和卡阻失效可同時(shí)考慮，強(qiáng)度破壞失效可單獨(dú)考慮。在完成所有可靠性仿真計(jì)算分析后，就可得到主要失效模式的失效概率，作為襟翼運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的可靠性指標(biāo)值。在襟翼運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)可靠性指標(biāo)值已知的前提下，再根據(jù)圖3可靠性方框圖對(duì)襟翼系統(tǒng)其他組件進(jìn)行指標(biāo)分配，保證系統(tǒng)滿足可靠性指標(biāo)要求。

(3)參考相似系統(tǒng)。參照相似機(jī)型典型運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的可靠性水平，再根據(jù)我國(guó)目前的生產(chǎn)水平和經(jīng)驗(yàn)直接對(duì)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)提出一個(gè)整體指標(biāo)。襟翼運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)作為飛機(jī)典型運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)之一，可以參照相似機(jī)型襟翼運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的可靠性水平給新研襟翼運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)提出一個(gè)指標(biāo)，然后根據(jù)襟翼系統(tǒng)整體的可靠性指標(biāo)再對(duì)襟翼系統(tǒng)其他組件進(jìn)行分配指標(biāo)，保證整個(gè)襟翼系統(tǒng)達(dá)到指標(biāo)要求。相似機(jī)型襟翼運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的可靠性指標(biāo)可以直接通過(guò)調(diào)研相似機(jī)型襟翼運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的故障率統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析得到。

4 評(píng)分分配法

工程中常用的可靠性分配方法有比例分配法、評(píng)分分配法、重要度及復(fù)雜度分配法、拉格朗日乘數(shù)法、動(dòng)態(tài)規(guī)劃法、直接錄查法。根據(jù)目前對(duì)各部件失效情況的掌握，這里采用了比較現(xiàn)實(shí)的評(píng)分分配法。

4.1 分配模型

基本思想：在缺乏可靠性數(shù)據(jù)的情況下，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)影響因素評(píng)分并進(jìn)行分配。

主要考慮的因素：(1)復(fù)雜度，(2)技術(shù)水平，(3)工作時(shí)間，(4)重要度，(5)故障率，(6)環(huán)境條件。在考慮部件故障率的情況下同時(shí)考慮其他5個(gè)因素，這樣考慮的因素更加全面，使得分配結(jié)果更加準(zhǔn)確。

數(shù)學(xué)模型如下：

(1)

其中：

(2)

(3)

4.2 評(píng)分準(zhǔn)則

傳統(tǒng)分配方法關(guān)于評(píng)分的規(guī)定是：各因素的分?jǐn)?shù)在1～10之間，共分10級(jí)，每級(jí)1分。這一規(guī)定不能完全反映產(chǎn)品各單元的有關(guān)因素之間的差異性。為了評(píng)分的合理，分?jǐn)?shù)不必限制在1～10之間，視情況而定。關(guān)于這一問(wèn)題，下面將針對(duì)復(fù)雜度進(jìn)行具體的分析。

復(fù)雜度是根據(jù)組成功能單元的基本構(gòu)件的大致數(shù)量以及組裝難易程度來(lái)評(píng)定。

評(píng)分步驟：

(1)評(píng)估各單元的基本構(gòu)件數(shù)量ni；

(2)選擇基本構(gòu)件數(shù)量最少(nmin)的單元為基本單元，評(píng)分為1分；

(3)按下式計(jì)算其他各單元的評(píng)分：

(4)

從原理上講，將ni當(dāng)作評(píng)分亦可，用上面公式計(jì)算，是為了規(guī)范化，組裝難易程度可以在評(píng)估基本構(gòu)件數(shù)量時(shí)統(tǒng)一考慮。這一評(píng)分方法要比“最簡(jiǎn)單的評(píng)1分，最復(fù)雜的評(píng)10分”更合理，特別是當(dāng)ni/nmin>10時(shí)更是如此。

5 算 例

假設(shè)襟翼系統(tǒng)整體失效概率指標(biāo)F=10-6，在襟翼運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的可靠性指標(biāo)未知的情況下，將其作為一個(gè)整體，按照上述評(píng)分分配方法，直接對(duì)襟翼系統(tǒng)進(jìn)行指標(biāo)分配。得到襟翼系統(tǒng)各組件的可靠性分配值，如表2所示。

表2 襟翼系統(tǒng)可靠性分配

通過(guò)以上的可靠性分配，就可得到襟翼運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的一個(gè)整體可靠性指標(biāo)值，依據(jù)這個(gè)指標(biāo)值便可對(duì)襟翼運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行整體可靠性設(shè)計(jì)。

6 結(jié) 論

本文只對(duì)直接分配法進(jìn)行了算例分析，在相關(guān)數(shù)據(jù)支持的條件下，也可以采用仿真確定法和參考相似系統(tǒng)。前者是在缺乏運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)可靠性數(shù)據(jù)的時(shí)候適用，而后者充分利用了已知的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)信息，結(jié)果更加準(zhǔn)確，但需要大量的信息。將襟翼運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)作為一個(gè)整體，其各部件的相關(guān)性作為整體的一部分，而不必去量化這種帶有很大不確定性的相關(guān)性，可以快速得到一個(gè)更加準(zhǔn)確的整體可靠性指標(biāo)值，其結(jié)果更加符合工程實(shí)際。依據(jù)這個(gè)指標(biāo)值，可以方便地對(duì)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行整體可靠性設(shè)計(jì)。