陳圣斌，操宏斌，蘇 強，曾曼成

(1.中航工業(yè)直升機設(shè)計研究所，江西景德鎮(zhèn) 333001;2.上海三維工程建設(shè)咨詢有限公司，上海 200060)

0 引言

可靠性建模、分配、預(yù)計是GJB450裝備可靠性通用要求的三個重要工作項目，這三個工作項目不僅影響著可靠性、維修性的分析設(shè)計工作，也影響著綜合保障資源的規(guī)劃。因此，無論新研的直升機，還是改進改型的直升機，在它們的可靠性大綱中都選用和規(guī)定了這三個工作項目的要求。然而，近20年的實際工作中，由于這種建模、分配、預(yù)計結(jié)果的不確定性，或者說分配預(yù)計結(jié)果與外場實際統(tǒng)計數(shù)的不相符性，部分人員產(chǎn)生迷茫，甚至失去了對建模、分配、預(yù)計工作的信心。因此，有的人僅僅將可靠性建模、分配、預(yù)計工作作為型號可靠性一個必做的工作程序，而沒有注重可靠性建模、分配、預(yù)計對可靠性設(shè)計的影響。這正如美國早期剛剛開始可靠性分析設(shè)計工作一樣，人們將這種與實際不符的可靠性建模、分配、預(yù)計工作戲稱為“數(shù)字游戲”。

本文論述了型號工作中可靠性建模、分配、預(yù)計與實際不相符的相關(guān)問題，分析了這些問題的原因，提出了相應(yīng)的解決方法，其目的是提高可靠性建模、分配、預(yù)計的有效性，實現(xiàn)可靠性建模、分配、預(yù)計的預(yù)期目標(biāo)。

1 主要的問題

從20世紀(jì)90年代初研制的直11型機開始，之后所有新研和改型的直升機都提出了可靠性定量要求。這樣，每一型號的直升機都按GJB450的要求開展了可靠性建模、分配、預(yù)計工作。應(yīng)該說，隨著這一工作經(jīng)驗的不斷積累和豐富，建模、分配、預(yù)計越做越好。然而，實際工作中仍不盡如人意，為了總結(jié)經(jīng)驗教訓(xùn)，本文首先回顧了可靠性建模、分配、預(yù)計工作中存在的問題。

這里以基本可靠性建模分配預(yù)計為研究對象，任務(wù)可靠性的建模分配預(yù)計的情況另行論述。

1.1 可靠性建模存在的問題

可靠性建模包括可靠性框圖和相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型兩部分。

所說的可靠性框圖，即是表示產(chǎn)品各個單元故障如何導(dǎo)致產(chǎn)品故障的邏輯關(guān)系，就基本可靠性而言，系產(chǎn)品中任一單元可能發(fā)生的故障發(fā)生之后，導(dǎo)致產(chǎn)品需進行維修或更換的邏輯關(guān)系。因此，其可靠性框圖是一全串聯(lián)模型。

圖1 可靠性框圖

其數(shù)學(xué)模型是:

顯然，這一可靠性框圖簡單直觀，其數(shù)學(xué)模型，即其數(shù)學(xué)表達(dá)式也是簡潔明確。

那么，實際工作中會發(fā)生什么樣的問題呢?

從20年來的工程實踐來看，可靠性建模的問題主要集中于可靠性框圖上:

1)可靠性建模的假設(shè)條件不統(tǒng)一

由于建模的假設(shè)條件不統(tǒng)一，使得同一型號的直升機，其相同產(chǎn)品或部件在不同系統(tǒng)的可靠性框圖中，有的包括在內(nèi)，有的就未包括在內(nèi)。

例如，電源系統(tǒng)中的自動保護電門和開關(guān)都未包括在其可靠性框圖之中，而照明系統(tǒng)包括了自動保護電門和控制開關(guān)。

同樣，在航空電子系統(tǒng)中，其可靠性框圖，有的系統(tǒng)如綜合顯示和火控系統(tǒng)往往也不考慮自動保護電門和控制開關(guān)，而導(dǎo)航和通訊系統(tǒng)則都包括了電門和開關(guān)。

2)有壽件(包括有總壽命、翻修間隔期和使用期限的相關(guān)部件)沒有列入到可靠性框圖中

如電源系統(tǒng)的發(fā)電機，操縱系統(tǒng)的助力器，液壓系統(tǒng)的蓄壓器等有壽件，未包括在它們的可靠性框圖中。

3)不同系統(tǒng)或部件交連的接插件未包括在相應(yīng)的框圖中(僅以備份形式包括在定量分配的余量之中)

事實上，許多系統(tǒng)的故障往往發(fā)生在接口部位，如直11型機增穩(wěn)系統(tǒng)的故障中有1/3都發(fā)生在各個部件的接插件上，同樣，液壓、燃油、滑油系統(tǒng)的滲漏油故障亦大多數(shù)都發(fā)生在管接頭上。

上述所涉及的問題，即在可靠性建模或可靠性框圖中，有可能使一部分有可靠性要求或存在故障隱患的產(chǎn)品或部件，或者有可能要進行維修、更換的產(chǎn)品/部件，排除在可靠性框圖或排除在可靠性建模之外。這就是說默認(rèn)這些產(chǎn)品或部件的 λi=0，Ri=1。無形中，人為拉抬了系統(tǒng)中這些產(chǎn)品/部件的可靠性，它給可靠性的分配和預(yù)計都帶來了相應(yīng)問題，也給可靠性分析(如FMEA、FTA等)和可靠性設(shè)計帶來誤會和迷惑。由于這些產(chǎn)品λi=0，有可能認(rèn)為不必進行故障模式及影響分析;進行綜合保障規(guī)劃時，有可能對這些產(chǎn)品不進行維修保障分析等。

1.2 可靠性分配存在的問題

可靠性分配是將整機的可靠性定量要求分配到各個功能系統(tǒng)，然后，各功能系統(tǒng)將整機所分配的結(jié)果繼續(xù)分配到各產(chǎn)品/部件。在可靠性分配中存在下列問題:

1)可靠性建模的缺陷是人為地提高和降低了產(chǎn)品/部件的可靠性

由于可靠性建模是可靠性分配的依據(jù)，或者說，可靠性分配是按可靠性建模的結(jié)果，將整機可靠性定量要求分配到各個系統(tǒng)，之后又分配到相應(yīng)的產(chǎn)品或部件，這樣可靠性建模的缺陷，是使一些有可靠性要求或者存有故障隱患的產(chǎn)品或部件在可靠性分配中被人為地忽略了。顯然，這無形中使可靠性分配中本應(yīng)分配較高MTBF值的部件/產(chǎn)品，都分配較低的MTBF值，其后果是:

①降低了這些部件/產(chǎn)品的可靠性設(shè)計要求，如有可能降低元器件的選用等級，降低產(chǎn)品的環(huán)境要求等;

②給維修性設(shè)計造成問題，如有可能增加自檢要求和可達(dá)性要求等;

③加大了綜合保障資源的需求，如有可能增加備件和工具要求等。

2)系統(tǒng)可靠性分配的不協(xié)調(diào)，造成不同系統(tǒng)相同或相似產(chǎn)品或部件的可靠性指標(biāo)不協(xié)調(diào)

在以往的可靠性分配中，常常發(fā)生整機可靠性分配到各個系統(tǒng)的可靠性要求不協(xié)調(diào)，有的系統(tǒng)分配的MTBF偏高，有的分配的MTBF偏低，結(jié)果是不同系統(tǒng)的同一產(chǎn)品或相似產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)相差很大。

3)利用專家評分方法分配時，有湊數(shù)之疑

在可靠性分配時，有些產(chǎn)品或部件已提供了相應(yīng)的可靠性要求(如在技術(shù)協(xié)議書中規(guī)定了可靠性(MTBF)的目標(biāo)值)，于是，為了完成所規(guī)定的可靠性分配程序，便按專家評分法進行可靠性分配。此時，為滿足已確定的可靠性指標(biāo)值，便在專家評分的5個因素中，通過“湊數(shù)”的方法進行分配。如某型機的某一系統(tǒng)為了“湊數(shù)”分配，對于同一系統(tǒng)都同時工作的部件，它們工作時間的評分居然不盡相同。

4)基本可靠性(MTBF)與任務(wù)可靠性(MTBCF)之間不相協(xié)調(diào)

在整機進行系統(tǒng)可靠性分配時，由于沒有注意與全機任務(wù)可靠性分配之間的協(xié)調(diào)關(guān)系，使得所分配的可靠性(MTBF)，有些系統(tǒng)的分配結(jié)果有可能不能滿足任務(wù)可靠性(MTBCF)要求。例如，某型機直流電源系統(tǒng)是由2個電源系統(tǒng)組成的，任一系統(tǒng)故障，另一系統(tǒng)仍能確保全機供電。

全機分配給直流電源系統(tǒng)的基本可靠性MTBF=100FH，那么，每個分系統(tǒng)MTBFi=MTBF1=MTBF2=200FH。于是，此系統(tǒng)的致命性平均故障時間(MTBCF)

MTBCF=1.5MTBFi=1.5 ×200=300FH

任務(wù)時間t=2FH

但是，全機分配給電源系統(tǒng)的任務(wù)可靠度

顯然，按所分配的MTBF值所計算的系統(tǒng)任務(wù)可靠度不能滿足所分配的任務(wù)可靠度。

如果要滿足分配的任務(wù)可靠度P*值，必須重新分配，使電源系統(tǒng)的基本可靠性加大，即MTBF=133FH，或者降低所分配的任務(wù)可靠度P*值以滿足分配的基本可靠性(MTBF值)要求。

總之，在分配過程中，既要滿足基本可靠性要求，也要滿足任務(wù)可靠性要求。

1.3 可靠性預(yù)計存在的問題

在以往型號的可靠性預(yù)計中，通常是按所建立的可靠性模型，以相似機型、相似產(chǎn)品或部件可靠性(MTBF)的歷史數(shù)據(jù)來估算整機、系統(tǒng)能否達(dá)到研制任務(wù)書規(guī)定的定量值或整機分配給系統(tǒng)或系統(tǒng)分配到產(chǎn)品/部件相應(yīng)的分配值。近20年來的工程實踐，幾乎所有型號和所有系統(tǒng)都能達(dá)到合同值或分配值。然而，實際外場使用中和一些可靠性試驗中并非如此。例如，某型機的XX吊掛系統(tǒng)，某型機的增穩(wěn)系統(tǒng)，在可靠性鑒定試驗和設(shè)計定型時并未達(dá)到相應(yīng)值。

從可靠性預(yù)計來看，存在下列問題:

1)建模預(yù)計中存在的缺陷，即未進入可靠性模型的產(chǎn)品或部件，不能通過可靠性預(yù)計;發(fā)現(xiàn)它對系統(tǒng)可靠性或整機可靠性產(chǎn)生的負(fù)面影響。

例如，某型機增穩(wěn)系統(tǒng)，由于各個部件接口的插接件在可靠性建模中未予考慮，使得在建模預(yù)計中，這些插接件所發(fā)生的故障對增穩(wěn)系統(tǒng)可靠性的負(fù)面影響未采取措施予以控制，從而，在可靠性試驗中，由于插接件故障較多而達(dá)不到要求。

2)可靠性預(yù)計中所選取的數(shù)據(jù)來自不同的途徑，使得預(yù)計結(jié)果令人難以置信。

正如前所述，目前直升機整機及直升機各個系統(tǒng)在可靠性預(yù)計時，通常都是相似產(chǎn)品法進行可靠性預(yù)計。顯然，整機、系統(tǒng)可靠性預(yù)計值的精度或置信性取決于歷史數(shù)據(jù)的質(zhì)量，以及所取數(shù)據(jù)產(chǎn)品或部件與所要預(yù)計產(chǎn)品的相似度。然而，在實際工作中，盡管目前已累積了直8型機、直9型機和直11型機各個系統(tǒng)及其部件的可靠性(MTBF)數(shù)據(jù)，或許是這些數(shù)據(jù)(MTBF)太低了，難以達(dá)到預(yù)計(滿意)效果，于是，從《非電子產(chǎn)品可靠性數(shù)據(jù)手冊》或者教科書等上，查找相應(yīng)部件可靠性數(shù)據(jù)，作為數(shù)據(jù)源，預(yù)計結(jié)果是顯然的，預(yù)計能滿足規(guī)定值或分配值。使用結(jié)果也是顯然的，某些產(chǎn)品或部件達(dá)不到規(guī)定值或分配值。預(yù)計結(jié)果與使用結(jié)果的重大反差，使得人們對預(yù)計結(jié)果難以置信。

3)可靠性預(yù)計中，人為地選擇過高的相似產(chǎn)品的可靠性預(yù)計值，掩蓋了可靠性分配所存在的問題。

例如，可靠性分配時，由于分配不合理，使得某一系統(tǒng)某一產(chǎn)品或部件分配了過高的MTBF值。本應(yīng)通過預(yù)計指出分配過高的MTBF值，使這一產(chǎn)品存在著風(fēng)險，有可能成為該系統(tǒng)可靠性薄弱環(huán)節(jié)(難以達(dá)到分配值)。然而，由于人為地選擇過高的相似產(chǎn)品預(yù)計值，不但不能指示可靠性分配存在的薄弱環(huán)節(jié)及分配的不合理性，反而使這一不合理得到了確認(rèn)，且誤認(rèn)為該可靠性要求能夠?qū)崿F(xiàn)，從而在后續(xù)工作中有可能放松了對它們可靠性的管理和控制要求。

2 原因分析與改進建議

可靠性建模、分配、預(yù)計所存在的上述問題，經(jīng)分析歸納主要是如下4個原因:

1)缺乏型號實用的可靠性建模分配、預(yù)計準(zhǔn)則;

2)缺乏對一些基本問題的正確理解;

3)缺乏方法的多樣性，以驗證分配、預(yù)計、結(jié)果的正確性;

4)缺乏現(xiàn)役型號完整的可靠性數(shù)據(jù)信息庫。

2.1 缺乏型號實用的可靠性建模分配、預(yù)計準(zhǔn)則

盡管在以往新研和改型的直升機都編制了可靠性建模、分配、預(yù)計工作程序，但是，它們基本上都是沿用各種武器裝備都通用的GJB813(可靠性模型建立和可靠性預(yù)計)編制而成的，它們的主要問題是沒有直升機特點和直升機型號特點，也缺乏實用性。

例如，基本可靠性建模的定義，凡是引起非計劃維修的產(chǎn)品/部件都應(yīng)包括在可靠性框圖中。然而，系統(tǒng)可靠性框圖繪制要求中沒有規(guī)定應(yīng)該包括哪些單元和部件，這樣各個系統(tǒng)繪制可靠性框圖時有很大的隨意性。例如，有些系統(tǒng)的可靠性框圖包括了開關(guān)、自動保護電門和電氣連接件，有的系統(tǒng)沒有包括這些部件;又如，對于結(jié)構(gòu)部件，建模分配、預(yù)計中，沒有詳細(xì)給出所要包括的部件，如主結(jié)構(gòu)受力件和二次結(jié)構(gòu)件，二次結(jié)構(gòu)件又包括整流罩、艙門、口蓋、內(nèi)部隔板和防火墻、地板、風(fēng)擋玻璃、鉚釘/構(gòu)件;再如，對于旋翼系統(tǒng)，沒有給出具體包括的部件，旋翼系統(tǒng)建模中往往簡單地包括主槳葉、尾槳葉、主槳榖、尾槳榖。因此，必須編制具有直升機特點、直升機型號特點，具有實用的可靠性建模分配預(yù)計準(zhǔn)則。

2.2 對一些問題缺乏正確的理解

1)在可靠性建模、分配和預(yù)計中錯誤地認(rèn)為有壽件在其規(guī)定的壽命期間不會發(fā)生故障，其可靠性為1或失效率為0，這樣這些部件在建模中不包括在內(nèi)，使它們失去了可靠性的管理和控制要求。

2)事實上，有壽件通?？梢杂脠D2的浴盆曲線來表征其壽命特征。

圖2 浴盆曲線

顯然，有壽件不僅有壽命時間，而且在此壽命期間也會發(fā)生偶然故障，例如，SA365N增壓泵TBO:1800FH，MTBF:1380FH;如助力器 TBO:3000FH，MTBF:1750FH;燃油調(diào)節(jié)器 TBO:2500FH，MTBF:2000FH。

因此，有壽件應(yīng)該包括在可靠性建模分配、預(yù)計中，以便在整個研制中對它們進行可靠性管理和控制(包括可靠性分析、可靠性試驗和可靠性考核)。

3)在以往的可靠性建模、分配和預(yù)計中，缺乏系統(tǒng)綜合權(quán)衡比較的深刻認(rèn)識。例如在可靠性分配中，只顧滿足基本可靠性要求，而沒有去考慮任務(wù)可靠性要求，結(jié)果是:滿足基本可靠性，而未能滿足任務(wù)可靠性要求。

為了在可靠性分配中，既滿足系統(tǒng)基本可靠性要求，又滿足系統(tǒng)的任務(wù)可靠性要求，便要同時進行基本可靠性分配和任務(wù)可靠性分配，通過反復(fù)權(quán)衡比較以選擇能滿足基本可靠性要求和任務(wù)可靠性要求的分配值。

2.3 缺乏方法多樣性以驗證可靠性分配的合理性

在可靠性分配中，人們都是利用專家評分法進行整機系統(tǒng)的可靠性分配。由于這些評分因素因人而異，它有相當(dāng)大的隨意性，因此，分配的結(jié)果不盡一致，人們往往對其分配結(jié)果難以置信。

這就是說，僅僅利用一種方法進行分配而沒有相應(yīng)的方法驗證分配結(jié)果的合理性，這就難免對分配結(jié)果提出疑問。為了使分配結(jié)果合理而又置信，應(yīng)提供其它方法進行驗證說明。

本來可靠性預(yù)計方法是一種驗證可靠性分配合理的方法之一，然而實際操作中往往利用不相似系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行預(yù)計，或者利用分配之后的數(shù)據(jù)經(jīng)與轉(zhuǎn)承制方協(xié)調(diào)稍作修改又返回來預(yù)計(自己驗證自己的方法)，無疑，它們都不能達(dá)到目的。

為了驗證專家評分法進行可靠性分配的合理性，可采用相似系統(tǒng)法和比例組合法來驗證分配結(jié)果。例如，在某型機的可靠性分配中，除了應(yīng)用專家評分法進行整機系統(tǒng)的分配之外，還可利用SA365N型機的各個產(chǎn)品/部件數(shù)據(jù)求得各個系統(tǒng)產(chǎn)品/部件在整機和系統(tǒng)中的分配比例數(shù)據(jù)，從而求得各個系統(tǒng)和產(chǎn)品/部件的分配值，之后還利用比例組合法(直9型機外場數(shù)據(jù))進行可靠性分配。

經(jīng)后面兩種方法的驗證，專家評分法的分配結(jié)果較為合理，之后，又按后面兩種方法的分配結(jié)果經(jīng)綜合權(quán)衡，形成整機系統(tǒng)分配結(jié)果。

2.4 缺乏現(xiàn)役型號可靠性數(shù)據(jù)庫難以支撐可靠性建模分配預(yù)計工作

如前所述，在可靠性預(yù)計時往往東拼西湊一些并非相似系統(tǒng)相似產(chǎn)品或部件的數(shù)據(jù)來說明可靠性分配的合理性，幾乎所有型號和所有系統(tǒng)的預(yù)計結(jié)果都認(rèn)為滿足可靠性分配結(jié)果，它沒有達(dá)到發(fā)現(xiàn)和識別可靠性薄弱環(huán)節(jié)的預(yù)期目標(biāo)。

造成這一問題的主要原因是沒有建立現(xiàn)役直升機型號(包括直8、直9、直11型機等)的可靠性信息庫，即沒有對現(xiàn)役型號直升機外場的統(tǒng)計信息進行研究分析，給出它們的可靠性數(shù)據(jù)如MTBF(λ)、MTBCF以及故障模式、故障原因、故障影響等，如果有了這些真實的數(shù)據(jù)，就不會使用這些似是而非的數(shù)據(jù)進行可靠性預(yù)計和可靠性分析。

因此，必須建立現(xiàn)役型號系統(tǒng)和產(chǎn)品/部件的可靠性信息庫，從這一信息庫中不僅能得到可靠性的相關(guān)信息，而且還能挖掘潛在的其它信息。如信息中的故障是批次性故障還是偶發(fā)性故障，從而確定是否進行重新設(shè)計或通過維修以消除或減少故障影響。又如，故障是耗損性故障還是隨機性故障，從而確定是否采用定時或狀態(tài)監(jiān)控維修方式。

3 結(jié)束語

上述的討論僅是個人的看法，其目的是提出這些問題與同行共鳴，以便使直升機可靠性建模、分配、預(yù)計工作達(dá)到GJB450的目標(biāo)。