基于多種數(shù)據(jù)源的直升機(jī)系統(tǒng)基本可靠性預(yù)計(jì)方法

王開山，胡雪明，郝宗敏

(中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

可靠性預(yù)計(jì)是產(chǎn)品可靠性指標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)的基本保證。通過(guò)自下而上地預(yù)計(jì)產(chǎn)品各層次的可靠性水平，實(shí)施“預(yù)計(jì)-改進(jìn)設(shè)計(jì)-再預(yù)計(jì)”的循環(huán)，找出產(chǎn)品薄弱環(huán)節(jié)，不斷優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，最終使產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)。因此，開展可靠性預(yù)計(jì)是確保設(shè)計(jì)、生產(chǎn)出具備規(guī)定可靠性指標(biāo)產(chǎn)品的指導(dǎo)性和基礎(chǔ)性的工作。

對(duì)直升機(jī)來(lái)講，基本可靠性是影響其戰(zhàn)備完好性和任務(wù)成功性的基本參數(shù)，通常是直升機(jī)研制中的一項(xiàng)必備的重要技術(shù)指標(biāo)。然而，直升機(jī)系統(tǒng)組成單元中存在大量自制非標(biāo)準(zhǔn)件，其可靠性數(shù)據(jù)無(wú)法從標(biāo)準(zhǔn)中查得，從而導(dǎo)致直升機(jī)基本可靠性預(yù)計(jì)變得異常困難。為此，找到一種合理且高效的可靠性預(yù)計(jì)方法具有十分重要的意義。

在可靠性預(yù)計(jì)理論方法方面，國(guó)內(nèi)外研究人員進(jìn)行了大量研究，現(xiàn)比較前沿的方法有：基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)預(yù)計(jì)法、基于失效物理預(yù)計(jì)法、模糊數(shù)學(xué)預(yù)計(jì)法、基于隨機(jī)進(jìn)程代數(shù)預(yù)計(jì)法等。但這些方法計(jì)算過(guò)于繁瑣，在直升機(jī)系統(tǒng)研制中可操作性不強(qiáng)。

本文對(duì)已有可靠性預(yù)計(jì)方法進(jìn)行研究，總結(jié)出幾種可以滿足直升機(jī)研制要求且易于操作的基本可靠性預(yù)計(jì)方法，針對(duì)直升機(jī)系統(tǒng)各組成單元特點(diǎn)闡述各預(yù)計(jì)方法的選取原則并給出直升機(jī)系統(tǒng)基本可靠性預(yù)計(jì)的一般流程。

1 基本可靠性預(yù)計(jì)方法

1.1 基于標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的預(yù)計(jì)方法

標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)主要依據(jù)GJB299C和MIL-HDBK-217F兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，前者為國(guó)產(chǎn)元器件可靠性預(yù)計(jì)數(shù)據(jù)源，后者為進(jìn)口元器件可靠性預(yù)計(jì)數(shù)據(jù)源?；跇?biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的基本可靠性預(yù)計(jì)方法主要分為元器件計(jì)數(shù)可靠性預(yù)計(jì)法和元器件應(yīng)力分析可靠性預(yù)計(jì)法兩種。

元器件計(jì)數(shù)可靠性預(yù)計(jì)法適用于產(chǎn)品研制的初步設(shè)計(jì)階段，其計(jì)算模型見公式(1)。

(1)

式中：

λ

—設(shè)備總失效率；

λ

—第

i

種元器件的通用失效率；

π

—第

i

種元器件的通用質(zhì)量系數(shù)；

N

—第

i

種元器件的數(shù)量；

n

—設(shè)備所用元器件的種類數(shù)目。

元器件應(yīng)力分析可靠性預(yù)計(jì)法適用于產(chǎn)品已具備詳細(xì)的元器件清單并已確定了元器件所承受應(yīng)力的設(shè)備研制階段，其計(jì)算模型見公式(2)。

(2)

式中：

λ

—設(shè)備總失效率；

λ

—第

i

種元器件的基本失效率；

π

—第

i

種元器件的質(zhì)量系數(shù)；

π

—第

i

種元器件的環(huán)境系數(shù)；

π

—第

i

種元器件的其它各項(xiàng)系數(shù)；

N

—第

i

種元器件的數(shù)量；

n

—設(shè)備所用元器件的種類數(shù)目。

1.2 基于外場(chǎng)飛行數(shù)據(jù)的預(yù)計(jì)方法

直升機(jī)型號(hào)研制通常有很大的繼承性，很多產(chǎn)品是直接沿用其它在役型號(hào)的成品。這些沿用產(chǎn)品若已經(jīng)隨在役型號(hào)飛行了一定的樣本量，便可利用該產(chǎn)品的外場(chǎng)飛行數(shù)據(jù)評(píng)估其可靠性水平。評(píng)估計(jì)算模型通常采用指數(shù)分布λ的單側(cè)置信下限估計(jì)，見公式(3)。

(3)

式中：

T

—產(chǎn)品總工作時(shí)間(樣本量)；

r

—責(zé)任故障次數(shù)；

α

—顯著性因子(

α

=1-置信度)。

1.3 基于相似產(chǎn)品數(shù)據(jù)的預(yù)計(jì)方法

對(duì)于新研改型產(chǎn)品，若存在與其在功能性能、結(jié)構(gòu)組成、制造工藝和使用過(guò)程方面均相似的產(chǎn)品，則可以采用基于相似產(chǎn)品數(shù)據(jù)的可靠性預(yù)計(jì)方法，見公式(4)。該方法的核心是確定兩個(gè)產(chǎn)品的相似系數(shù)。相似系數(shù)的計(jì)算模型見公式(5)至公式(6)。

λ

=

K

·

λ

(4)

式中：

K

—相似系數(shù)；

λ

—相似產(chǎn)品的故障率；

λ

—本產(chǎn)品的故障率。

K

=

ω/ω

(5)

式中：

ω

—相似產(chǎn)品的評(píng)分?jǐn)?shù)；

ω

—本產(chǎn)品的評(píng)分?jǐn)?shù)。

(6)

2 直升機(jī)系統(tǒng)可靠性預(yù)計(jì)流程

直升機(jī)系統(tǒng)基本可靠性預(yù)計(jì)操作流程可分為如下四個(gè)步驟：

第一步，根據(jù)系統(tǒng)各組成單元特點(diǎn)將其分成四個(gè)組類。Ⅰ類為轉(zhuǎn)承包研制的外協(xié)成品；Ⅱ類為自研沿用產(chǎn)品；Ⅲ類為自研新研改型電子產(chǎn)品；Ⅳ類為自研新研改型機(jī)械產(chǎn)品。

第二步，根據(jù)組成單元所屬類型選擇相對(duì)應(yīng)的可靠性預(yù)計(jì)方法。Ⅰ類產(chǎn)品直接采用廠家提供的可靠性預(yù)計(jì)數(shù)據(jù)；Ⅱ類產(chǎn)品選擇基于外場(chǎng)飛行數(shù)據(jù)的預(yù)計(jì)方法；Ⅲ類產(chǎn)品選擇基于標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的預(yù)計(jì)方法；Ⅳ類產(chǎn)品選擇基于相似產(chǎn)品數(shù)據(jù)的預(yù)計(jì)方法。

第三步，按照選定的預(yù)計(jì)方法進(jìn)行計(jì)算得到各組成單元的預(yù)計(jì)結(jié)果。

第四步，匯總各組成單元預(yù)計(jì)結(jié)果計(jì)算得到系統(tǒng)可靠性指標(biāo)。

3 應(yīng)用案例

某型號(hào)直升機(jī)旋翼系統(tǒng)各組成單元技術(shù)狀態(tài)信息見表1?，F(xiàn)利用上述基本可靠性預(yù)計(jì)方法和流程對(duì)該旋翼系統(tǒng)進(jìn)行基本可靠性預(yù)計(jì)。

表1 旋翼系統(tǒng)各組成單元技術(shù)狀態(tài)信息

3.1 確定單元所屬類別

根據(jù)表1中旋翼系統(tǒng)各組成單元技術(shù)狀態(tài)信息，確定各組成單元所屬類別，類別劃分見表2。

表2 旋翼系統(tǒng)各組成單元類別劃分

3.2 選擇預(yù)計(jì)方法

根據(jù)第2章第二步中可靠性預(yù)計(jì)方法的選取原則確定各組成單元所適用的可靠性預(yù)計(jì)方法，見表3。

表3 各組成單元可靠性預(yù)計(jì)方法選取

3.3 單元基本可靠性預(yù)計(jì)計(jì)算

3.3.1 Ⅰ類產(chǎn)品的可靠性預(yù)計(jì)計(jì)算

折疊子系統(tǒng)為Ⅰ類產(chǎn)品，其下級(jí)組成單元均為外協(xié)成品，直接采用廠家提供數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)計(jì)計(jì)算。計(jì)算過(guò)程見表4。

表4 Ⅰ類產(chǎn)品可靠性預(yù)計(jì)計(jì)算

3.3.2 Ⅱ類產(chǎn)品的可靠性預(yù)計(jì)計(jì)算

主槳葉和自動(dòng)傾斜器為Ⅱ類產(chǎn)品，采用基于外場(chǎng)飛行數(shù)據(jù)的預(yù)計(jì)方法進(jìn)行可靠性預(yù)計(jì)。計(jì)算過(guò)程見表5。

表5 Ⅱ類產(chǎn)品可靠性預(yù)計(jì)計(jì)算

3.3.3 Ⅲ類產(chǎn)品的可靠性預(yù)計(jì)計(jì)算

加熱組件為Ⅲ類產(chǎn)品，采用基于標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的預(yù)計(jì)方法進(jìn)行可靠性預(yù)計(jì)。該產(chǎn)品由加熱元件、電連接器和焊點(diǎn)組成，按GJB299C中的應(yīng)力分析法計(jì)算模型，查取基本故障率和各項(xiàng)系數(shù)。計(jì)算過(guò)程見表6至表9。

表6 加熱元件工作失效率預(yù)計(jì)表

表7 電連接器工作失效率預(yù)計(jì)表

表8 焊接點(diǎn)工作失效率預(yù)計(jì)表

表9 加熱組件失效率預(yù)計(jì)表

3.3.4 Ⅳ類產(chǎn)品的可靠性預(yù)計(jì)計(jì)算

主槳轂為Ⅳ類產(chǎn)品，采用基于相似產(chǎn)品數(shù)據(jù)的預(yù)計(jì)方法進(jìn)行可靠性預(yù)計(jì)。計(jì)算過(guò)程見表10。

表10 Ⅳ類產(chǎn)品可靠性預(yù)計(jì)計(jì)算

3.4 系統(tǒng)基本可靠性預(yù)計(jì)計(jì)算

匯總旋翼系統(tǒng)各組成單元預(yù)計(jì)結(jié)果計(jì)算得到旋翼系統(tǒng)可靠性指標(biāo)，見表11。

表11 旋翼系統(tǒng)失效率預(yù)計(jì)表

最終得到旋翼系統(tǒng)的故障率為0.005587次/h，MTBF為178.98h。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文從直升機(jī)系統(tǒng)研制所遇到的實(shí)際問(wèn)題出發(fā)，歸納總結(jié)了幾種容易獲取的數(shù)據(jù)源及對(duì)應(yīng)的預(yù)計(jì)方法。針對(duì)直升機(jī)系統(tǒng)常見組成單元特點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行分類，闡述不同類別單元需選擇的預(yù)計(jì)方法并給出了直升機(jī)系統(tǒng)基本可靠性預(yù)計(jì)的一般流程和具體步驟。

通過(guò)實(shí)際案例證明本文提出的基于多種數(shù)據(jù)源的基本可靠性預(yù)計(jì)方法合理可行且操作流程簡(jiǎn)便，可以推廣至工程中進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。