某輕型直升機的可靠性工程設(shè)計淺析

曾憲君 李秀枝

(重慶恩斯特龍通用航空技術(shù)研究院有限公司 重慶 401135)

引 言

系統(tǒng)或設(shè)備在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)完成預(yù)定任務(wù)的能力稱為可靠性。可靠性包括穩(wěn)定性、耐久性和安全性，通常用百分比表示。可靠性是衡量系統(tǒng)或設(shè)備質(zhì)量好壞的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。提高可靠性是一個系統(tǒng)工程，單純提高零部件的可靠性是難以實現(xiàn)的[1]。為達到系統(tǒng)可靠性要求所進行的相關(guān)設(shè)計、管理、試驗等一系列工作的總和稱為產(chǎn)品的可靠性工程。可靠性設(shè)計提高了系統(tǒng)的固有可靠性；可靠性管理從研制、試驗等方面的全面質(zhì)量管理保障了系統(tǒng)的固有可靠性。

我國已進入新型直升機的自行設(shè)計、研制階段，現(xiàn)代直升機組成部件越來越多，飛行環(huán)境也越發(fā)復(fù)雜，這對直升機可靠性提出了更高要求。與固定翼飛機相比，直升機有其自身的特點，直升機的操縱系統(tǒng)和動力系統(tǒng)(包括旋翼、尾槳、傳動系統(tǒng)、自動傾斜器和發(fā)動機等)中動部件較多，受高周疲勞載荷，工況極為嚴(yán)酷，疲勞振動問題影響較大。與此同時，直升機沒有彈射救生系統(tǒng)，一旦發(fā)生部件出現(xiàn)故障往往容易導(dǎo)致嚴(yán)重的飛行事故，直升機的設(shè)計制造對可靠性工程提出了很高的要求[2-6]。直升機可靠性的提高，能很大程度防止故障和事故的發(fā)生，尤其避免災(zāi)難性事故的發(fā)生，從而保證駕駛員的安全，降低直升機總的運行費用，減少停機和維修的時間，大大提高直升機的利用率。設(shè)計直升機時，需要對直升機操作系統(tǒng)的可靠性預(yù)計和分析，向直升機各部件分配可靠性指標(biāo)，進行可靠性設(shè)計。本文以某輕型直升機為例詳細介紹可靠性工程設(shè)計。

一、可靠性設(shè)計指標(biāo)

可靠性定量要求直接關(guān)系到系統(tǒng)的使用效能和全壽命周期費用優(yōu)劣。根據(jù)效能和費用權(quán)衡原則，正確選擇和確定可靠性定量要求，對于直升機新機可靠性的設(shè)計、研制和使用有其重要意義。

常用的可靠性參數(shù)有：1.可靠度。平均故障間隔時間(MTBF)。是指相鄰兩次故障之間的平均工作時間，單位為“小時”。2.平均故障間隔飛行小時(MFHBF)。

可靠性參數(shù)及其量值的選取，既要充分考慮直升機的使用特點，也要參考國內(nèi)外同類型直升機的可靠性參數(shù)。選擇的可靠性參數(shù)要能覆蓋本型號飛機的使用特點，盡量選取國際上較通用的參數(shù)，并能通過相關(guān)性準(zhǔn)則可轉(zhuǎn)換為固有值的外場使用指標(biāo)。

根據(jù)上述可靠性指標(biāo)的選取原則，確定某輕型飛機的可靠性定量指標(biāo)MFHBF(平均故障間隔飛行小時)為：

1.設(shè)計定型最低可接受值為5h；

2.成熟期目標(biāo)值為12h。

二、可靠性框圖和模型

可靠性框圖直觀地展示了系統(tǒng)的功能和組成系統(tǒng)的單元之間的可靠性功能關(guān)系。了解系統(tǒng)中各個單元的功能，這些功能的相關(guān)聯(lián)系，以及這些單元功能、失效模式對系統(tǒng)的影響又是可靠性框圖的建立的先決條件[3]。

建立的可靠性數(shù)學(xué)模型為：

其中：

Rs(t)為系統(tǒng)可靠度；

λs為各系統(tǒng)的失效率；

n為框圖中系統(tǒng)單元數(shù)；

λi為各單元的失效率。

從可靠性數(shù)學(xué)模型可以看出，系統(tǒng)中的單元數(shù)與系統(tǒng)的可靠度成反比。因此，減少系統(tǒng)中的單元數(shù)或提高系統(tǒng)中最低的單元可靠度(即提高系統(tǒng)中薄弱單元的可靠度)均可提高系統(tǒng)的可靠度。

以某輕型直升機為例，可以繪制出基本可靠性框圖如圖1所示。

圖1 某輕型直升機基本可靠性框圖

根據(jù)某輕型直升機的基本可靠性框圖，可靠性數(shù)學(xué)模型建立如下：

可靠性框圖的繪制和可靠性模型的建立，對系統(tǒng)可靠性進行評估，以及系統(tǒng)失效判定準(zhǔn)則的確定，返修依據(jù)的明確，并根據(jù)返修率對售后服務(wù)策略進行調(diào)整。

三、可靠性預(yù)計

可靠性預(yù)計的目的在于估計產(chǎn)品在給定工作條件下的可靠性，運用以往的工程經(jīng)驗、故障數(shù)據(jù)、以及當(dāng)前的技術(shù)水平，尤其是以元器件、零部件的失效率作為依據(jù)，從而預(yù)報產(chǎn)品(元器件、零部件、子系統(tǒng)或系統(tǒng))實際可能達到的可靠度的綜合性過程，此過程表現(xiàn)為由局部到整體、由小到大、由下到上。

以失效率預(yù)計法為例，對系統(tǒng)進行可靠性預(yù)計，圖2為失效率預(yù)計法的流程圖，一般步驟為：

1.依據(jù)產(chǎn)品功能完成可靠性框圖的繪制；

2.根據(jù)所繪制的可靠性框圖進行相應(yīng)數(shù)學(xué)模型的建立；

3.各方框中元部件或設(shè)備的失效率的確定，該失效率應(yīng)為基本失效率。

圖2 失效率預(yù)計法的流程圖

四、可靠性分配

可靠性分配，用于逐層分解總體的可靠性指標(biāo)值，將裝置的可靠性設(shè)計指標(biāo)要求值分配到各部件，并實現(xiàn)各部件可靠性設(shè)計指標(biāo)要求值的形成。同時，將各部件所選用器件的大致分類、數(shù)量和使用條件作為輸入完成可靠性預(yù)計，得出每個裝置基本可靠性設(shè)計值的大致范圍，再結(jié)合預(yù)計的結(jié)果，最終得到相對合理的各部件可靠性指標(biāo)設(shè)計要求值[4]。根據(jù)某輕型直升機的基本可靠性框圖，結(jié)合可靠性預(yù)計值，得到可靠性分并配的結(jié)果如表1所示。

表1 某輕型直升機可靠性分配結(jié)果

由分配結(jié)果可知，得到的MFHBF為12.06h，大于成熟期目標(biāo)值12h，滿足設(shè)計的要求。

五、結(jié)束語

本文從應(yīng)用的角度出發(fā)，從設(shè)計指標(biāo)、可靠性框圖、可靠性模型及可靠性預(yù)計等方面對某輕型飛機的可靠性進行系統(tǒng)研究，最終得到平均故障間隔飛行小時(MFHBF)為12.06h，大于成熟期目標(biāo)值12h，滿足設(shè)計的要求，為提高輕型飛機的可靠性水平及通用航空開展可靠性設(shè)計與評價提供支持。