基于故障樹的飛機結構疲勞試驗故障分析

郭俊毫 杜曉峰

摘 ?要：全機結構疲勞試驗由多種復雜系統組成，包括控制系統，液壓系統，加載系統和測量系統等，試驗現場參試人員需處理多個型號試驗值班工作，試驗故障排查難度大且耗費時間長。為了提高故障診斷效率和提高試驗可靠性，將故障樹分析法應用于疲勞試驗故障分析中。故障樹分析法是一種評價復雜系統可靠性與安全性的方法[1]，通過收集疲勞試驗運行過程故障信息，綜合分析故障信息，最后建立疲勞試驗故障樹。對故障樹進行定性分析，建立疲勞試驗故障事件的最小割集，確定疲勞試驗故障事件。針對故障樹分析結果，提出疲勞試驗過程中預防措施，提高試驗運行的可靠性。

關鍵詞：疲勞試驗;故障診斷;故障樹;可靠性

中圖分類號：V216 ? ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2019）28-0116-03

Abstract： The fatigue test of the whole machine structure is composed of many kinds of complex systems， including control system， hydraulic system， loading system and measuring system. Test fault detection is difficult and time-consuming. In order to improve the efficiency of fault diagnosis and the reliability of the test， the fault tree analysis method is applied to the fault analysis of fatigue test. Fault tree analysis is a method to evaluate the reliability and safety of complex systems. By collecting fault information in the process of fatigue test， comprehensive analysis of fault information， and finallyestablishesthe fatigue test fault tree. The fault tree is qualitatively analyzed， the minimum cut set of fatigue test fault events is established， and the fatigue test fault events are determined. According to the results of fault tree analysis， the preventive measures in the process of fatigue test are put forward to improve the reliability of test operation.

Keywords： fatigue test; fault diagnosis; fault tree; reliability

1 概述

飛機結構疲勞試驗目的是驗證結構設計、疲勞分析方法和制造工藝質量，暴露結構疲勞薄弱部位，為確定結構疲勞壽命提供試驗依據機疲勞試驗[2]。疲勞試驗持續運行時間長、組成結構復雜，試驗現場往往存在多個型號飛機疲勞試驗并行情況。疲勞試驗運行過程中，值班人員需要及時排除試驗故障，保證試驗的安全和運行進度。因此需要采用一種疲勞試驗故障分析方法，將以往運行過程中出現的所有故障信息進行定性分析，分析各種故障的原因，并針對分析結果有針對性的采取補償措施，保證試驗的可靠性。故障樹分析法是可靠性分析的一種經典方法。文獻[3]針對電梯系統故障，使用故障樹診斷方法，建立故障樹模型并提取故障樹最小割集，實現了電梯故障的快速準確診斷。文獻[4]將故障樹分析法運用到數控機床故障診斷過程中，建立數控機床主要部位的故障樹模型，可快速高效診斷故障。針對疲勞試驗故障特點，將故障樹分析法運用到疲勞試驗過程中，建立疲勞試驗故障樹模型，對試驗運行過程的故障進行分析，提出補償措施，可提高試驗運行效率和可靠性。

2 FTA分析方法

故障樹分析法，簡稱FTA（Fault Tree Analysis），是一種評價系統可靠性與安全性的方法，該方法將系統故障與部件故障聯系在一起，尋找系統的全部可能的失效狀態，能夠清晰地說明系統的失效原因。因此在故障樹模型建成后，可以作為一種形象化的技術資料，對參與系統的管理、運行人員提供直觀的維修指南。

建立故障樹是FTA中最關鍵的環節，其完善程度直接影響分析結果的準確性，而其化簡程度則關系到分析的工作量，也影響故障樹的直觀性。建造故障樹的步驟如圖1所示。

結合全機疲勞試驗特點，具體分析流程如下：

（1）收集疲勞試驗運行資料，建立疲勞試驗故障信息庫，并對故障原因進行深入分析。

（2）根據疲勞試驗運行的要求，選擇與分析目的相關聯的事件為頂事件。

（3）從頂事件角度出發，建立子級事件，逐級找出導致各級事件發生的所有可能的直接原因，并用相應的符號表示。

（4）分析到底事件為基本事件停止。

（5）繪制故障樹模型圖，從故障樹的最下級開始，逐級確定下級事件的邏輯關系，直到頂事件為止，根據邏輯運算對故障樹結構進行簡化。

故障樹建立之后，對故障樹進行定性分析。定性分析的主要任務是尋找故障樹的全部最小割集。其中某些事件所組成的集合中全部基本事件都發生時，頂事件必然發生，則稱這個集合為故障樹的一個割集，系統的全部最小割集就構成系統的故障譜[5]。

3 疲勞試驗故障樹定性分析

針對疲勞試驗特點，收集試驗運行過程中的故障信息，故障樹事件定義表見表1，疲勞試驗運行過程最大故障即為試驗停止，因此選取試驗停止為頂事件，以此為基礎按照圖1順序逐級分析，最終根據故障事件建立疲勞試驗故障樹模型，見圖2。

采用下行法求得疲勞試驗故障的最小割集：{X1}、{X2}、{X3}、{X4}、{X5}、{X6}、{X7}、{X8}、{X9}、{X10}、{X11}、{X12}、{X13}、{X14}，即為任一底事件的發生均會導致頂事件的發生。其中底事件{X10}出現3次，在14個故障事件中應加以注意。

4 疲勞試驗可靠性保障措施

結合FTA分析結果，將14個底事件進行歸類分析，提出預防措施，具體如下。

（1）元件故障事件，包括{X3}，{X4}，{X5}，{X6}。此類故障為試驗過程中，部分元件故障或者線纜連接不正常故障，此類故障可以通過試驗前的排查解決。例如試驗啟動前逐項核對線纜連接情況，定期對可能松動位置進行預防處理。對性能存在隱患的閥件及時更換，選用可靠性能較高元件。

（2）試驗操作故障事件，包括{X2}、{X7}、{X8}、{X11}，例如X7，試驗加載過程中回油未打開，作動筒只能往外放，此類故障不僅會導致現場超限卸壓，也是可能導致嚴重故障的事件。針對此類與人員操作相關故障事件，一是建立系統級培訓，對試驗的參試人員進行定期培訓考核，參試人員必須掌握必須的理論知識;二是建立規范化操作流程，每一步工作有記錄，有簽字確認，將每項工作落到紙質上，減少人員操作導致的試驗故障。

（3）試驗參數設置故障事件，包括{X10}、{X13}，疲勞試驗加載點多，特別對于硬式加載點多的型號試驗，加載參數設置是一個逐步完善過程，通過前期的調試以及試驗運行過程中單點的跟隨情況，逐步調整加載參數，直到最大限度滿足試驗要求。

（4）試驗設計不足故障事件，包括{X9}、{X14}、{X15}。例如X9加載點作動筒過長，試驗設計過程中為了解決加載點作動筒形成問題，采用多節過渡段螺栓連接方式，試驗過程中發現加載點作動筒過長，容易導致加載點震動出現，最終會導致試驗的卸壓。疲勞試驗運行后，需根據現場的運行情況，逐步完善試驗的設計工作，提高試驗加載精度和試驗運行速度。

5 結論

全機疲勞試驗是一項持續時間長、檢查要求高的試驗，采用高效的檢測手段不僅可以快捷解決故障，更能提高試驗的可靠性。將故障樹分析法運用到全機疲勞試驗過程中，建立疲勞試驗的故障樹，得到基本故障事件，建立故障事件最小割集。結合故障樹分析結果，提出預防措施。目前已在試驗中采用此方法并取得良好效果，極大提高了疲勞試驗的運行效率。

參考文獻：

[1]曾聲奎.可靠性設計與分析[M].北京：國防工業出版社，2011：89-92.

[2]中國飛機強度研究所.航空結構強度技術[M].北京：航空工業出版社，2013：376-377.

[3]宗群，李光宇，郭萌.基于故障樹的電梯故障診斷專家系統設計[J].控制工程，2013，03：305-308.

[4]楊曾芳，呂希勝.基于故障樹的數控機床故障診斷系統[J].科技創新導報，2012，18：68-69.

[5]盧長海，劉向陽.測控裝備面向協同智能診斷系統應用研究[J].自動化技術與應用，2014，03：34-37+58.