民用飛機(jī)設(shè)備可靠性設(shè)計

閆旭東 / YAN Xudong

(上海飛機(jī)設(shè)計研究院，上海201210)

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民用飛機(jī)設(shè)備可靠性設(shè)計

閆旭東 / YAN Xudong

(上海飛機(jī)設(shè)計研究院，上海201210)

民用飛機(jī)可靠性設(shè)計的目標(biāo)是保證飛機(jī)達(dá)到規(guī)定的可靠性定量指標(biāo)和定性要求，以提高飛機(jī)的可靠度，降低運(yùn)營費(fèi)用，使飛機(jī)具有良好的經(jīng)濟(jì)性和市場競爭能力。民用飛機(jī)由數(shù)量巨大的各種設(shè)備組成，設(shè)備的可靠性是飛機(jī)可靠性的重要保證。

民用飛機(jī)；設(shè)備；可靠性；平均故障間隔時間

0 引言

民用飛機(jī)由數(shù)量龐大的各種設(shè)備組成，這些設(shè)備實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)的各種預(yù)定功能。設(shè)備的可靠性是飛機(jī)可靠性的重要保證，可靠性的高低不但影響航空公司運(yùn)營的費(fèi)用，而且直接影響飛機(jī)的安全性。設(shè)備在研制過程中，需嚴(yán)格遵循相應(yīng)的可靠性設(shè)計原則，保證設(shè)備達(dá)到規(guī)定的可靠性定量指標(biāo)和定性要求。

1 設(shè)備可靠性概述

設(shè)備可靠性指的是產(chǎn)品在規(guī)定的時間及環(huán)境下完成設(shè)定功能的能力。民用飛機(jī)設(shè)計中，常用“平均故障間隔時間(Mean Time Between Failures，以下簡稱MTBF)”來作為可靠性設(shè)計要求的指標(biāo)。民用飛機(jī)設(shè)備工作的環(huán)境參數(shù)包括不同的壓力、溫度、濕度、電磁干擾、振動、沖擊、加速度、鹽霧、砂塵等，在不同的工作環(huán)境下，由于各種各樣的磨損、老化、腐蝕等現(xiàn)象的存在，設(shè)備很難永久保持其技術(shù)狀態(tài)不變。尤其是對于飛機(jī)上的設(shè)備來說，其工作環(huán)境非常復(fù)雜，設(shè)備能否在復(fù)雜的環(huán)境下，長時間完成設(shè)計要求的功能就成為了設(shè)備可靠性的最重要的指標(biāo)。

可靠性是一種與時間、質(zhì)量密切相關(guān)的概念。它要研究的是設(shè)備在一定時期內(nèi)的各種失效條件和機(jī)理，并以此建立可靠性模型和方法來提高設(shè)備的質(zhì)量，而這樣的設(shè)備質(zhì)量是基于時間觀念和條件觀念之上的質(zhì)量——在一定的時間范圍內(nèi)和一定的條件下，設(shè)備的運(yùn)行是可靠的。這一觀念凸顯了傳統(tǒng)的質(zhì)量控制和可靠性工程之間的差別。

民用飛機(jī)上的設(shè)備，由于安全性要求很高。設(shè)備不但要通過研制試驗(yàn)來驗(yàn)證功能及性能是否符合設(shè)計要求；設(shè)備在出廠時，還要進(jìn)行相應(yīng)的測試來驗(yàn)證是否合格，包括尺寸檢查、驗(yàn)證壓力、泄漏、重量等；同時，設(shè)備需進(jìn)行長時間的可靠性試驗(yàn)來驗(yàn)證設(shè)備的可靠性，包括耐久度振動、耐久度工作壓力循環(huán)、溫度循環(huán)等試驗(yàn)。

2 設(shè)備可靠性要求

民用飛機(jī)設(shè)備的可靠性指標(biāo)要求來源于以下兩個方面：

1)系統(tǒng)可靠性要求。設(shè)備可靠性是保證系統(tǒng)可靠性的重要因素，設(shè)備可靠性MTBF要求來源于系統(tǒng)可靠性的分配。參考航空公司的運(yùn)營數(shù)據(jù)確定各設(shè)備可靠性分配值占系統(tǒng)可靠性指標(biāo)的比例，并對各設(shè)備進(jìn)行可靠性指標(biāo)初步分配，結(jié)合設(shè)備部件制造商提交的數(shù)據(jù)對初步分配值進(jìn)行修正，最終得到各設(shè)備的可靠性分配指標(biāo)。假設(shè)飛機(jī)及各主要系統(tǒng)的故障率服從指數(shù)分布。具體見式(1)～(3)。

式中：λ為系統(tǒng)的故障率；λi為各設(shè)備的故障率；MTBF 為系統(tǒng)的平均故障間隔時間值。

2)系統(tǒng)安全性要求。設(shè)備可靠性是保證系統(tǒng)安全性的重要因素，設(shè)備可靠性MTBF要求來源于系統(tǒng)安全性中的設(shè)備失效引起的功能失效影響等級對于設(shè)備研制保證等級的要求。

3 設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)來源

民用飛機(jī)設(shè)備可靠性MTBF數(shù)據(jù)的來源主要有兩個途徑：

1)貨架產(chǎn)品的設(shè)備可靠性MTBF數(shù)據(jù)來源。貨架產(chǎn)品是指在民航市場已服役飛機(jī)中大量裝備的產(chǎn)品。貨架產(chǎn)品MTBF來源于航空公司的運(yùn)營統(tǒng)計數(shù)據(jù)，等于在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，產(chǎn)品累積的總飛行小時除以同一時間內(nèi)的故障總數(shù)。

2)新研產(chǎn)品的設(shè)備可靠性MTBF數(shù)據(jù)來源。新研產(chǎn)品是指在未投入運(yùn)營或研制試飛階段飛機(jī)上裝備的最新研制產(chǎn)品。新研產(chǎn)品包括兩種：一種是基于貨架產(chǎn)品的改進(jìn)型，一種是全新研制的新產(chǎn)品。新研產(chǎn)品沒有航空公司對于設(shè)備故障的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。新研產(chǎn)品MTBF主要來源于計算分析，分析方法見式(4)。

式中：λ為設(shè)備的故障率；t為設(shè)備的運(yùn)行時間；MTBF為設(shè)備的平均故障間隔時間值；λ維修是設(shè)備平均維修間隔時間對應(yīng)的故障率；λ飛行是設(shè)備飛行階段的故障率；λ地面是設(shè)備地面運(yùn)行時的故障率；λ不運(yùn)行是設(shè)備不運(yùn)行時的故障率；t飛行是設(shè)備飛行階段的時間；t地面是設(shè)備地面運(yùn)行時的時間；t不運(yùn)行是設(shè)備不運(yùn)行的時間。

新研產(chǎn)品的設(shè)備可靠性MTBF計算中需使用的數(shù)據(jù)包括設(shè)備在飛行、地面運(yùn)行、儲存不運(yùn)行期間的時間及失效率，其對應(yīng)各個階段的失效率數(shù)據(jù)來源于相似貨架產(chǎn)品設(shè)備的失效率。

4 設(shè)備的設(shè)計過程、故障模式及影響分析

設(shè)備的設(shè)計過程中，需首先分析設(shè)備可能出現(xiàn)的故障模式及影響，建立故障物理模型，對于正確理解故障機(jī)理、研究具體的故障模式，具有特殊的意義，并可用于預(yù)測設(shè)計的可靠性和安全性。設(shè)備零部件設(shè)計時，應(yīng)盡量采用標(biāo)準(zhǔn)件或質(zhì)量成熟的零件，一般零部件可按類比法設(shè)計，重要的零件按概率法設(shè)計，對一些關(guān)鍵零部件還應(yīng)進(jìn)行可靠性試驗(yàn)。對產(chǎn)品的設(shè)備應(yīng)進(jìn)行可靠性計算分析、試驗(yàn)驗(yàn)證、優(yōu)化更改，直到設(shè)備滿足可靠性指標(biāo)要求為止。另外，還要進(jìn)行人機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計，主要包括操作性和適應(yīng)性設(shè)計。設(shè)備的設(shè)計過程如圖1所示。

圖1 設(shè)備的設(shè)計過程

5 可靠性方法在設(shè)備研制過程中的應(yīng)用

設(shè)備可靠性設(shè)計可分為定性和定量兩大類。前者側(cè)重于對故障進(jìn)行模擬分析，采取針對性措施使得產(chǎn)品達(dá)到可靠的目的，而后者側(cè)重于對零件的強(qiáng)度分布和應(yīng)力分布做復(fù)雜的計算，建立極限函數(shù)，從而設(shè)計出滿足需求的產(chǎn)品。由于民用飛機(jī)設(shè)備工作環(huán)境復(fù)雜，因此，在實(shí)際中常用的是定性的設(shè)計方法?？煽啃栽O(shè)計由于產(chǎn)品不同構(gòu)成的差異，可采用的設(shè)計方法很多，僅常用的就有十幾種，對于民用飛機(jī)設(shè)備來說，常采用的可靠性設(shè)計方法有以下幾種。

1)故障預(yù)防設(shè)計

對于屬于串聯(lián)系統(tǒng)的產(chǎn)品來說，由于任何一部分的失效都會導(dǎo)致整個系統(tǒng)的失效，因此，為了提高整機(jī)的可靠性，必須要控制好每個零部件的質(zhì)量，要選用經(jīng)過分析驗(yàn)證的可靠性高的零部件或標(biāo)準(zhǔn)件，要盡可能采用成熟的設(shè)計方案。

2)簡化設(shè)計

通常，越是簡單的結(jié)構(gòu)，其應(yīng)力也越簡單可控。因此對于機(jī)械來說，應(yīng)在滿足功能需要的前提下，力求使得結(jié)構(gòu)簡單，這一點(diǎn)對于飛機(jī)設(shè)備來說尤為重要。

3)冗余設(shè)計

民用飛機(jī)中安全性影響大的設(shè)備都有多套備份，當(dāng)一套裝置出現(xiàn)故障時，備份的裝置仍然可以保證設(shè)備的功能正常，不會導(dǎo)致航空公司運(yùn)營受到影響。

4)安全裕度設(shè)計

安全裕度設(shè)計是一種使零件的使用應(yīng)力低于其額定應(yīng)力的設(shè)計方法。工程實(shí)踐表明機(jī)械零件在等于或大于其額定承載力下運(yùn)行，極容易發(fā)生疲勞反應(yīng)，而如果低于額定承載力下運(yùn)行，故障率很低，可靠性也較高。因此，當(dāng)機(jī)械零部件的荷載應(yīng)力不確定的時候，可以采用提高平均強(qiáng)度，降低平均應(yīng)力的方法來提高可靠性。

5)成熟技術(shù)設(shè)計

民用飛機(jī)設(shè)備大量采用國內(nèi)外民機(jī)的成熟技術(shù)及貨架產(chǎn)品，在滿足性能、可靠性、安全性、重量、外形等要求的情況下，采用已成功應(yīng)用在成熟機(jī)型的貨架成品和改進(jìn)產(chǎn)品，可大大提高系統(tǒng)可靠性。

6)耐環(huán)境設(shè)計

耐環(huán)境設(shè)計是在設(shè)計時就考慮產(chǎn)品在整個壽命周期內(nèi)可能遇到的各種環(huán)境影響，如設(shè)備工作的壓力、溫度、濕度、電磁干擾、振動、沖擊、加速度、鹽霧、砂塵等環(huán)境因素的影響。對于民用飛機(jī)設(shè)備來說，應(yīng)考慮使用時所面臨的各種惡劣環(huán)境，采取有效措施，提高零部件本身的耐環(huán)境能力。

7)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計

民用飛機(jī)設(shè)計時選用成熟的標(biāo)準(zhǔn)零部件、成熟的材料及工藝加工方法，以提高設(shè)備的可靠性。

8)健壯設(shè)計

健壯設(shè)計中最具代表性的方法是日本田口玄一博士創(chuàng)立的田口方法，即一個產(chǎn)品的設(shè)計應(yīng)由系統(tǒng)設(shè)計、參數(shù)設(shè)計和容差設(shè)計的三次設(shè)計來完成，這是一種在設(shè)計過程中充分考慮影響其可靠性的內(nèi)外干擾而進(jìn)行的一種優(yōu)化設(shè)計。

6 系統(tǒng)級可靠性分析

系統(tǒng)MTBF等于系統(tǒng)各設(shè)備故障率代數(shù)和的倒數(shù)。表1是設(shè)備MTBF統(tǒng)計表。對于成熟的貨架產(chǎn)品，設(shè)備的MTBF來源于運(yùn)營的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，設(shè)備的MTBF值等于在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，產(chǎn)品累積的總飛行小時除以同一時間內(nèi)的故障總數(shù)；對于新研產(chǎn)品，設(shè)備的MTBF需參考相似設(shè)備的故障率進(jìn)行計算和預(yù)計。可用式(5)來表示。

(5)

表1 設(shè)備MTBF統(tǒng)計表

7 結(jié)論

在設(shè)備研制階段，應(yīng)提出其可靠性的定性與定量要求， 確定相應(yīng)的方案和改進(jìn)措施，提出明確的可靠性指標(biāo)和考核方法，并按照計劃開展可靠性設(shè)計分析和試驗(yàn)工作。在產(chǎn)品設(shè)計定型階段，應(yīng)考核產(chǎn)品的可靠性，保證其達(dá)到要求。對于安全性影響較大的設(shè)備，應(yīng)加強(qiáng)產(chǎn)品研發(fā)過程中的可靠性試驗(yàn)，查找產(chǎn)品中存在的問題，并及時進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)。

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Equipment Reliability Design on Civil Aircraft

(Shanghai Aircraft Design and Research Institute，Shanghai 201210，China)

The purpose of civil aircraft reliability design is to endure the aircraft meet the qualitative and quantitative reliability requirements, in order to reduce the cost in working, and to make better economical and competition ability.Civil aircraft is composed of large number of equipments. These equipments reliability guarantees the aircraft reliability.

civil aircraft;equipment; reliability;mean time between failures

10.19416/j.cnki.1674-9804.2016.03.011

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