基于隱蔽故障和多失效模式耦合的應急門安全性分析

朱錚錚，徐錦錦，丁鴻飛，韓頔

（上海飛機設計研究院飛機結(jié)構強度工程技術所，上海201210）

0 引 言

艙門作為飛機的關鍵組成部分，中國民用航空局運輸類飛機適航標準CCAR-25-R4 783條款［1］對其安全性有著明確的要求。此外，艙門作為飛機應急著陸后人員撤離的主要逃生出口，803條款要求44座以上飛機須通過符合標準要求的應急撤離演示試驗來表明其滿載乘員能在試驗開始后的90 s內(nèi)從原位置撤離至地面［2］。因此，艙門作為人員正常進出及應急撤離時的出口，其安全性問題顯得十分重要。然而，應急門有別于登機門、服務門和貨艙門，它屬于常閉艙門（通常情況下不開啟，僅在維修檢查和應急撤離時才被打開），導致該門的故障存在一定的隱蔽性，由于應急門的特殊性，合理地分析其安全性顯得尤為重要。

目前，一些研究者從艙門機構的仿真、可靠性和安全性等方面開展了相應研究。例如：許清清［3］在Adams中建立了應急門虛擬樣機模型，對其運動機構進行了仿真分析；魏濤等［4］將應急門鎖機構拉桿長度、助力彈簧剛度系數(shù)和連桿銷釘直徑處理為隨機變量，采用四階矩法進行鎖機構卡滯可靠性靈敏度分析；馮蘊雯等［5］以民用飛機艙門全壽命周期的安全使用為目標，提出了民用飛機艙門機構功能安全性分析方法，且構建了登機門空中意外故障樹；秦強［6］提出了艙門安全性分析的具體步驟與流程，開展了基于過中心鎖定原理的貨艙門典型鎖定機構可靠性分析研究，且建立了貨艙門空中偶然打開故障樹；賈潔羽等［7］基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡法和重要抽要法，探究了飛機艙門鎖機構關閉系統(tǒng)的可靠性問題；Zhang Chunyi等［8］針對多構件多失效模式系統(tǒng)可靠性分析中計算效率和計算精度較差的問題，采用多重極值響應面法開展了相應的可靠性分析研究；井惠林等［9］在Adams中建立了艙門機構的磨損模型，開展了艙門機構磨損情況下可靠性分析；孫中超等［10］開展了考慮運動副磨損情況下某鎖機構的可靠性演化規(guī)律研究，提出了針對機構可靠性演化問題的Monte Carlo方法；P.Flores等［11］、M.Saad等［12］針對含間隙連桿機構的運動精度問題，開展了相應的可靠性分析。從現(xiàn)有研究可知，在艙門安全性分析中沒有考慮結(jié)構隱蔽故障這一分析理念，未考慮多失效模式耦合的機構功能喪失。

本文以某型民用飛機應急門為研究對象，考慮故障模式的隱蔽失效，建立應急門空中意外打開故障樹，細化閂機構運動不到位的故障模式，建立細化后的可靠性分析模型，對可靠性分析結(jié)果進行對比。

1 應急門安全性分析故障樹

1.1 應急門結(jié)構形式

某型民用飛機應急門位于飛機翼上兩側(cè)，具體分布如圖1（a）所示，應急門為了實現(xiàn)其相應的功能，主要由閂機構、鎖機構、提升臂機構、增壓預防機構和鉸鏈臂機構等組成，其結(jié)構簡圖如圖1（b）所示。

圖1 某型民用飛機應急門Fig.1 Emergency door of civil aircraft

1.2 應急門空中意外打開故障樹

通過對艙門相關適航條款的解讀可知，應急門的主要功能包含：鎖定、指示、關閉、打開、密封和增壓預防。其中“應急門空中意外打開”是指非指令性的打開艙門，是由意外情況導致的打開，從事故統(tǒng)計可知，若在高空意外打開艙門則會導致災難性故障發(fā)生［13］。根據(jù)SAE ARP 4761［14］中對失效狀態(tài)影響等級的劃分，在空中應急門意外打開將會導致災難性事故，其影響等級為I類，安全性指標要求為小于1×e-9/fh?；趹遍T的工作原理，結(jié)合文獻［5］中登機門和文獻［6］貨艙門空中意外打開案例邏輯，繪制出應急門空中意外打開故障樹，如圖2所示（因篇幅限制，故障樹中轉(zhuǎn)移符號A和B下的底事件未展開）。

圖2 應急門空中意外打開故障樹Fig.2 FT A of accidental opening of emergency door in flight

從圖2可以看出：故障樹底事件概率分析涉及的模型主要包括結(jié)構/機構靜強度可靠性分析、機構運動精度可靠性分析、彈簧疲勞可靠性分析模型等，其中電子產(chǎn)品的故障率由供應商提供。

2 考慮隱蔽故障的應急門安全性分析

2.1 應急門結(jié)構/機構隱蔽故障的判斷原則

民用飛機艙門包含登機門、服務門、應急門和貨艙門等，由于登機門、服務門和貨艙門均屬于經(jīng)常開啟和關閉的艙門，當艙門發(fā)生故障后，很容易被空乘人員發(fā)現(xiàn)，并可立刻開展排故和維修工作，因此在對上述艙門開展安全性分析時，故障的風險暴露時間一般為一個飛行循環(huán)，也稱為“顯性故障”。但是在飛機運營過程中，應急門屬于常閉狀態(tài)，當應急門結(jié)構/機構發(fā)生故障或者失效后，并不能第一時間被空乘人員或機務人員發(fā)現(xiàn)，從持續(xù)運營安全的角度出發(fā)，應確定故障暴露時間以限制飛機的運行時間并糾正隱蔽故障［15］。換言之，在開展應急門安全性分析時，其結(jié)構/機構風險暴露時間不能再按照常規(guī)的每飛行循環(huán)（即3 fh）處理，而是需要考慮故障的隱蔽性，即將其考慮成“隱蔽故障”。

為了確定本文應急門結(jié)構/機構故障的風險暴露時間，需明確該機型的不同檢修周期。目前，飛機的檢修間隔分為A檢、B檢和C檢，其中很多航空公司取消了B檢，或者說已將B檢的工作向A檢、C檢逼近。

A檢：目視檢查飛機外部、內(nèi)部和駕駛艙缺陷，目視檢查客艙顯露項目并加上系統(tǒng)的例行保養(yǎng)［15］，一般在飛機投入運營兩年內(nèi)達到航線級維修間隔。

C檢：徹底對飛機內(nèi)部、外部、駕駛艙和發(fā)動機做目視檢查，且需要打開檢修口蓋，徹底清洗、潤滑和防腐，進行應急系統(tǒng)的測試，并對影響飛行安全的主要電子和機械系統(tǒng)進行檢查［16］，即俗稱的基地級維修。

本文研究對象的A檢間隔為700 fh，C檢間隔為7 000 fh?；谘芯繉ο蟮奶攸c及其航空公司的運營維修情況，該應急門的檢修周期與飛機的C檢間隔相同，即應急門隱蔽故障的暴露時間為7 000 fh。

由系統(tǒng)可靠性設計與分析［17］理論可知，根據(jù)艙門結(jié)構/機構故障是否為隱蔽失效，給出結(jié)構失效概率與暴露時間、失效率之間的關系。

（1）若故障為非隱蔽失效時，采用指數(shù)分布的形式進行失效概率的計算，其失效概率的求解如式（1）所示。

式中：Pf為失效概率；T為風險暴露時間（即連續(xù)兩次檢修的時間間隔）；λ為故障率。

（2）若故障為隱蔽失效時，需考慮結(jié)構周期性的檢修時間間隔，其失效概率的求解如式（2）所示。

2.2 細化應急門空中意外打開故障樹底事件

基于文獻［5］和文獻［6］對民用飛機登機門和貨艙門空中意外打開故障樹中機構運動不到位的處理方法發(fā)現(xiàn)，針對“民用飛機艙門機構運動不到位”問題，主要考慮結(jié)構制造公差累積導致機構輸出角度未能達到預期。結(jié)合工程實際問題，僅考慮結(jié)構制造公差累積導致的機構運動不到位不能真實反映應急門的安全性問題，因此，有必要開展更深入的研究。本文將艙門安全性分析中常規(guī)構建的“公差累積導致閂軸運動不到位”底事件X1調(diào)整為中間事件Y10“閂軸運動不到位”，并將其細化成“公差累積導致閂軸運動不到位X1”和“分時機構磨損導致閂軸運動不到位X10”，即考慮多種失效模式對閂軸運動不到位的影響，細化后事件間的邏輯關系如圖3所示。

圖3 閂機構運動不到位Fig.3 Latch mechanism inadequate movement

應急門閂軸運動原理為：通過機構的傳遞作用，首先讓應急門手柄的運動傳遞到鎖軸，隨后通過鎖軸上的凸輪機構與閂軸分時機構接觸，進而帶動閂軸的聯(lián)動。新增底事件X10的運動過程如圖4所示。

圖4 分時機構運動狀態(tài)Fig.4 Motion state of time-sharing mechanism

針對“分時機構磨損導致閂軸運動不到位X10”，主要考慮凸輪與分時機構間的滾動摩擦接觸導致的分時機構磨損，進而引起閂軸運動不到位。當容許磨損量W?大于實際磨損量W時，摩擦副處于磨損安全狀態(tài)；反之，摩擦副處于失效狀態(tài)。因此，結(jié)構磨損失效的安全邊界方程如式（3）所示。

從而可通過相應的可靠性分析方法計算出機構磨損失效的可靠性指標β。

式中：CW*為容許磨損量變異系數(shù)；CW為實際磨損量變異系數(shù)。

再根據(jù)正態(tài)分布計算公式可得出對應的失效概率，其表達式如式（5）所示。

基于型號工程經(jīng)驗及數(shù)據(jù)，分時機構磨損可靠性模型中相關參數(shù)如表1所示。

表1 磨損可靠性分析參數(shù)Table 1 The parameters of wear reliability analysis

2.3 可靠性分析結(jié)果

故障樹中的強度可靠性分析模型輸入為結(jié)構的安全裕度，彈簧疲勞可靠性分析的輸入為彈簧的物理參數(shù)、載荷循環(huán)數(shù)等。鑒于篇幅限制，未將所有底事件失效概率一一列舉。閂機構運動不到位底事件細化前后的可靠性分析結(jié)果對比如表2所示。得到細化前后應急門空中意外打開的概率分別為2.80×e-11和1.17×e-10。

表2 失效概率對比Table 2 Comparison of failure probability

從表2可以看出：（1）當應急門底事件故障的風險暴露時間不再按常規(guī)的一個飛行循環(huán)處理，而是考慮結(jié)構的隱蔽故障，此時底事件“公差累積導致的閂軸運動不到位”的失效概率出現(xiàn)了量級上的增大；（2）細化故障樹底事件后，應急門空中意外打開頂事件的概率為1.17×e-10，故障樹頂事件的失效概率變大，通常艙門結(jié)構/機構的安全裕度較大，故結(jié)構出現(xiàn)強度破壞的概率相對較小，反而是制造公差累積、機構磨損等原因?qū)е屡撻T結(jié)構/機構運動不到位的案例更多，即失效概率更大，這一結(jié)果與艙門實際使用情況相符。

3 結(jié) 論

（1）結(jié)合民用飛機應急門的使用特點，在對應急門結(jié)構/機構開展安全性分析時，底事件失效概率的求解不能按常規(guī)的一個飛行循環(huán)處理，需根據(jù)應急門的檢修間隔確定故障的風險暴露時間，即需考慮底事件故障發(fā)生的隱蔽性。

（2）將艙門中常規(guī)構建的“公差累積導致的閂機構運動不到位”底事件考慮成由公差累積和結(jié)構間磨損共同作用導致的機構運動不到位問題，細化了應急門閂機構運動不到位的故障模式，細化后的可靠性分析模型更符合工程實際。

（3）對比了“應急門空中意外打開”故障樹底事件細化前后的可靠性分析結(jié)果，細化后的頂事件失效概率更高。