機(jī)載設(shè)備外場可靠性評估方法

涂美霞，王二振，雷長春，黃軼華

（航空工業(yè)洪都,江西 南昌，330024）

0 引言

隨著對航空武器裝備可靠性要求的提高，可靠性和性能被置于同等重要的位置，因此，對可靠性評估方法的科學(xué)性和結(jié)論的準(zhǔn)確性提出了更高要求。根據(jù)可靠性指標(biāo)評估過程，可知主要影響評估準(zhǔn)確性的是評估模型和評估時(shí)間。目前相關(guān)的國軍標(biāo)可靠性評估方法采用基于指數(shù)分布的區(qū)間估計(jì)模型和點(diǎn)估計(jì)，一般認(rèn)為試飛階段產(chǎn)品已處于故障偶發(fā)階段，故障率趨于恒定。然而，在試飛階段的某些產(chǎn)品的軟硬件技術(shù)狀態(tài)沒有固化，可靠性處于不穩(wěn)定狀態(tài)；另外，部分產(chǎn)品的早期故障還存在，經(jīng)設(shè)計(jì)改進(jìn)，可靠性呈增長趨勢。因此，試飛階段可靠性評估選用基于指數(shù)分布的模型不準(zhǔn)確。在可靠性評估時(shí)間上，以往型號(hào)外場可靠性評估將空中工作時(shí)間和地面工作時(shí)間按1：1相加。對大量飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，機(jī)載產(chǎn)品在空中和地面兩種工作環(huán)境中，所受應(yīng)力不同，其故障率表現(xiàn)不同，因此將空中工作時(shí)間和地面工作時(shí)間按1：1相加不合理。為了解決上述問題，本文結(jié)合AMSAA模型特點(diǎn)作為評估模型和引入環(huán)境因子處理評估時(shí)間，提出了一種機(jī)載設(shè)備外場可靠性評估方法。

1 方法介紹

在外場可靠性評估中，借助AMSAA模型模擬機(jī)載設(shè)備的壽命分布，使其更加適合外場產(chǎn)品的技術(shù)狀態(tài)，并引入環(huán)境因子進(jìn)行產(chǎn)品空中時(shí)間和地面時(shí)間數(shù)據(jù)的折合，從而計(jì)算得出機(jī)載設(shè)備的可靠性評估指標(biāo)即平均故障間隔時(shí)間MTBF。

1.1 故障數(shù)據(jù)記錄

獲取飛行試驗(yàn)的某種機(jī)載產(chǎn)品責(zé)任故障數(shù)r，并統(tǒng)計(jì)分析出空中發(fā)生責(zé)任故障數(shù)r1和地面責(zé)任故障數(shù)r2；其對應(yīng)故障發(fā)生的時(shí)刻為t1、t2…t3；故障發(fā)生時(shí)刻該機(jī)載產(chǎn)品在空中工作時(shí)間分別為t11、t12…t13；該機(jī)載產(chǎn)品空中工作時(shí)間為T1和地面工作時(shí)間為T2。

1.2 環(huán)境因子K

為了考慮空中和地面工作環(huán)境不同對產(chǎn)品的影響，本文采用理論公式計(jì)算方法，來確定環(huán)境因子K。該計(jì)算方法基于以下三個(gè)假設(shè)條件：

1）在不同的環(huán)境應(yīng)力水平下，產(chǎn)品的失效機(jī)理不變；

2）在不同的環(huán)境應(yīng)力水平下，產(chǎn)品的壽命服從同一分布；

3）產(chǎn)品的殘存壽命僅依賴已累積失效和當(dāng)前環(huán)境應(yīng)力，與累積方式無關(guān)。

在外場，設(shè)機(jī)載產(chǎn)品空中工作時(shí)間和故障為（T1，r1），地面工作時(shí)間和故障為（T2，r2），當(dāng)置信度為C0時(shí)，環(huán)境因子K：

式（1）中，F(xiàn)2r1，2r2；1-C0是自由度為 2r1，2r2和C0的分布函數(shù)。

當(dāng)空中和地面至少有一個(gè)為零故障時(shí)，假設(shè)如下：

1）當(dāng)空中沒有發(fā)生故障時(shí)，假設(shè)r1=1，工作時(shí)間設(shè)為3T1；

2）當(dāng)?shù)孛鏇]有發(fā)生故障時(shí)，假設(shè)r2=1，工作時(shí)間設(shè)為3T2；

在外場試飛中故障為零的情況有三種，根據(jù)上述兩種假設(shè)，利用公式（1）計(jì)算出不同情況下的環(huán)境因子計(jì)算公式，見表 1。

表1 零故障情況下環(huán)境因子計(jì)算公式

1.2 數(shù)據(jù)折合

引入環(huán)境因子K后，計(jì)算平均間隔時(shí)間（MTBF）時(shí)，要將空中工作時(shí)間折合到地面工作時(shí)間，其轉(zhuǎn)換公式為：

故障發(fā)生的時(shí)刻為t1、t2…t3；故障發(fā)生時(shí)刻該機(jī)載產(chǎn)品在空中工作時(shí)間分別為t11、t12…t13，則經(jīng)環(huán)境因子K折算后的故障發(fā)生時(shí)刻：

1.3 MTBF的評估

外場中，某些設(shè)備的技術(shù)狀態(tài)沒有固化，另外，部分產(chǎn)品的早期故障還存在，對出現(xiàn)的故障采取有效的糾正措施，其可靠性呈增長趨勢。本文引用AMSAA模型來描述可靠性增長趨勢。

AMSAA模型與指數(shù)分布模型中故障率是恒定的不同，AMSAA模型的故障率與時(shí)間有關(guān)，見式（5）：

式（5）中：a—尺度參數(shù)；b—形狀參數(shù)

由式（3）可知該機(jī)載產(chǎn)品總的工作時(shí)間為T。在此期間，發(fā)生了責(zé)任故障數(shù)r。經(jīng)環(huán)境因子K折算后的故障發(fā)生時(shí)刻：t′1，t′2…t′r， 則 AMSAA 增長模型的r個(gè)故障發(fā)生的時(shí)刻t′1，t′2…t′r聯(lián)合分布函數(shù)為：

因此，T時(shí)刻該機(jī)載產(chǎn)品的可靠性評估值是

結(jié)合T=T1*KL+T2，則：

2 算例

上述實(shí)施算例中的數(shù)據(jù)都為外場試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。下面給出一個(gè)具體的算例：

某機(jī)載產(chǎn)品在外場試飛中的空中工作時(shí)間和故障，地面工作時(shí)間和故障的記錄情況見表2。故障發(fā)生的時(shí)刻為 20h、116h 和 262h，記為t1、t2和t3；其對應(yīng)故障發(fā)生時(shí)刻機(jī)載產(chǎn)品在空中工作時(shí)間分別為0h、20h 和96h，分別記為t11、t12和t13。

表2 某機(jī)載產(chǎn)品的故障信息

當(dāng)置信度為C0=0.8時(shí)，按照式（1），則環(huán)境因子K：

計(jì)算該機(jī)載產(chǎn)品的平均間隔時(shí)間（MTBF），要將空中工作時(shí)間折合到地面工作時(shí)間，則其總工作時(shí)間T：根據(jù)將空中工作時(shí)間折合到地面工作時(shí)間的T=T1*KL，按照式（4），得環(huán)境因子K折算后的故障發(fā)生時(shí)刻分別為：

本文引用AMSAA模型來描述該機(jī)載產(chǎn)品壽命分布，AMSAA模型的故障率與時(shí)間t有關(guān)，結(jié)合折算后的故障發(fā)生時(shí)刻及故障數(shù)，按照式（7）和式（8）得到尺度參數(shù)和形狀參數(shù)：

因此，T時(shí)刻該機(jī)載產(chǎn)品的可靠性評估值MTBF：

3 結(jié)論

在機(jī)載設(shè)備外場可靠性評估中，考慮設(shè)備的技術(shù)狀態(tài)沒固化，處于增長模式，故通過AMSAA模型來模擬可靠性增長并引入環(huán)境因子進(jìn)行工作時(shí)間數(shù)據(jù)折合，使得可靠性模型更加科學(xué)，評價(jià)結(jié)果更準(zhǔn)確。