中航飛機(jī)研發(fā)中心結(jié)構(gòu)所 陳 磊 張?jiān)莆?陳永利

可靠性設(shè)計(jì)在民用飛機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

中航飛機(jī)研發(fā)中心結(jié)構(gòu)所 陳 磊 張?jiān)莆?陳永利

飛機(jī)的可靠性彰顯飛機(jī)的質(zhì)量，飛機(jī)效能、壽命周期、費(fèi)用都由飛機(jī)可靠性決定。運(yùn)用飛機(jī)的可靠性相關(guān)理論，可為民用飛機(jī)的設(shè)計(jì)提供技術(shù)與思想指導(dǎo)。民用飛機(jī)可靠性設(shè)計(jì)的宗旨在于提升飛機(jī)的可靠度，降低運(yùn)營(yíng)費(fèi)用，保證飛機(jī)的經(jīng)濟(jì)適用性以及市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。隨著我國(guó)綜合國(guó)力的發(fā)展，我國(guó)民航運(yùn)輸業(yè)也得到了空前的發(fā)展，民用飛機(jī)的制造與生產(chǎn)面臨著新的發(fā)展機(jī)遇。民用飛機(jī)在設(shè)計(jì)中運(yùn)用了三種設(shè)計(jì)方法，即冗雜設(shè)計(jì)、成熟技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。從而為飛機(jī)飛行的安全性和可靠性提供保障。為了使飛機(jī)平均故障間隔時(shí)間與簽派可靠度達(dá)到民用飛機(jī)設(shè)計(jì)要求，我們可以通過(guò)可靠性分析來(lái)進(jìn)行求證，希望能為處于設(shè)計(jì)階段的民用飛機(jī)各系統(tǒng)可靠性指標(biāo)的定量預(yù)計(jì)提供借鑒與指導(dǎo)。

飛機(jī)可靠性；民用飛機(jī)設(shè)計(jì)；飛機(jī)平均故障間隔時(shí)間；簽派可靠度

20世紀(jì)70年代,我國(guó)民用飛機(jī)的可靠性工程開(kāi)始萌芽,在90年代開(kāi)始全面發(fā)展。在此期間,民用飛機(jī)可靠性工程發(fā)展緩慢。近年來(lái),國(guó)際間民用航空業(yè)的合作加強(qiáng)、競(jìng)爭(zhēng)加劇,我國(guó)航空工業(yè)取得了一定的發(fā)展。飛機(jī)的可靠性逐漸受到人們的重視,但由于國(guó)內(nèi)缺乏從事可靠性研究的專業(yè)工作人員,航空公司在數(shù)據(jù)收集方面的欠缺等原因,我國(guó)可靠性研究水平還比較低,同發(fā)達(dá)國(guó)家相比還存在很大的差距。在我國(guó)的民用飛機(jī)可靠性研究方面,還需要進(jìn)行更加全面和深入的探索?？煽啃詰?yīng)用研究能夠保證飛機(jī)安全運(yùn)行,并推動(dòng)航空公司經(jīng)濟(jì)效益的實(shí)現(xiàn)。當(dāng)今社會(huì),國(guó)、內(nèi)外航空市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)日益激烈,開(kāi)展“可靠性設(shè)計(jì)在民用飛機(jī)中的應(yīng)用”這一課程研究具有重大的現(xiàn)實(shí)意義和廣闊的應(yīng)用前景。

1 概述可靠性

可靠性指在規(guī)定的時(shí)間和條件內(nèi),產(chǎn)品完成規(guī)定功能的效力。它包括三大要素：規(guī)定時(shí)間、規(guī)定條件、規(guī)定功能。可靠性是產(chǎn)品耐久性、維修性、無(wú)故障性、經(jīng)濟(jì)性以及有效性的體現(xiàn)。規(guī)定時(shí)間指產(chǎn)品規(guī)定的任務(wù)時(shí)間。同一產(chǎn)品使用時(shí)間范圍不同,產(chǎn)品的可靠性水平也不同。它取決于產(chǎn)品的特性。規(guī)定條件指產(chǎn)品使用時(shí)的環(huán)境條件、維修條件與工作條件等,如濕度、溫度。同一產(chǎn)品規(guī)定的條件不同,可靠性水平也不同。規(guī)定功能指產(chǎn)品規(guī)定的必備的功能和技術(shù)指標(biāo)。產(chǎn)品可靠性指標(biāo)的高低與其功能的多少、技術(shù)指標(biāo)的高低成正比。

2 可靠性設(shè)計(jì)目標(biāo)與方法

目標(biāo)：民用飛機(jī)可靠性設(shè)計(jì)目標(biāo)是提高飛機(jī)運(yùn)行效率與飛機(jī)質(zhì)量,減少航空公司運(yùn)營(yíng)成本。方法：①冗雜設(shè)計(jì)：民用飛機(jī)安全性影響大的設(shè)備通常有多套備份,在一套設(shè)備出現(xiàn)故障的情況下,其他的備份設(shè)備可以保障飛機(jī)各項(xiàng)功能的正常,從而避免航空公司的運(yùn)營(yíng)受其影響。②成熟技術(shù)：民用飛機(jī)設(shè)備運(yùn)用了許多國(guó)內(nèi)外民用飛機(jī)的技術(shù)和貨架產(chǎn)品,在其性能、安全性、外形等達(dá)到要求的情況下,能夠有效提高系統(tǒng)的可靠性。③標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)：為提高飛機(jī)設(shè)備的可靠性和安全性,民用飛機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)采用成熟的標(biāo)準(zhǔn)零件、材料和加工工藝。

3 可靠性設(shè)計(jì)指標(biāo)

可靠性指標(biāo)主要分為平均故障間隔時(shí)間(MTBF)與簽派可靠度(DR)指標(biāo)兩部分。平均故障間隔時(shí)間也稱作基本可靠性指標(biāo),是用來(lái)描述系統(tǒng)、分系統(tǒng)和設(shè)備、零部件可靠性的一種參數(shù)。在民用飛機(jī)可靠性設(shè)計(jì)中,作為基本可靠性指標(biāo)的平均故障間隔時(shí)間是系統(tǒng)、分系統(tǒng)和設(shè)備進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)時(shí)關(guān)注度最高的指標(biāo),其度量方法為：在規(guī)定的時(shí)間內(nèi),產(chǎn)品飛行小時(shí)的累計(jì)數(shù)除以同一時(shí)間內(nèi)故障發(fā)生次數(shù)的總數(shù),也可用其倒數(shù)()表示。簽派可靠度又稱為派遣可靠度,是民用可靠性設(shè)計(jì)中最重要的指標(biāo)之一。指在飛機(jī)運(yùn)營(yíng)時(shí)間內(nèi),未取消航班或因技術(shù)原因延誤航班而運(yùn)營(yíng)離站的百分?jǐn)?shù)。技術(shù)延誤指當(dāng)飛機(jī)的設(shè)備或部件出現(xiàn)工作異常時(shí),因必要的檢查或修理延遲了飛機(jī)最后離站的時(shí)間,一般超過(guò)預(yù)定的離站時(shí)間是15min。簽派可靠度=1-出勤延誤率。

4 可靠性基本模型

在對(duì)民用飛機(jī)可靠性指標(biāo)進(jìn)行預(yù)計(jì)時(shí),需在飛機(jī)與其各個(gè)系統(tǒng)之間和各系統(tǒng)與設(shè)備之間的故障建立邏輯關(guān)系模型。通常情況下使用可靠性串聯(lián)模型。其數(shù)學(xué)模型關(guān)系式如下：

其中：

Ri(t)——產(chǎn)品可靠度;

Ri(t)——第i個(gè)單元的可靠度。

假設(shè)產(chǎn)品各單元的故障時(shí)間服從指數(shù)分布,其可靠度計(jì)算方法如下

5 可靠性設(shè)計(jì)指標(biāo)分配方法

將飛機(jī)整體的設(shè)計(jì)要求、航空公司運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)作為依據(jù),計(jì)算飛機(jī)各系統(tǒng)可靠性分配值在飛機(jī)可靠性指標(biāo)中所占的比重,分配各系統(tǒng)的可靠性指標(biāo),以部件制造商提交的數(shù)據(jù)為參考修正分配值,確定各系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)。若飛機(jī)和全機(jī)各系統(tǒng)的故障率與指數(shù)分布相符,其公式如下：

6 可靠性分析

6.1 系統(tǒng)MTBT分析

系統(tǒng)MTBT以各系統(tǒng)部件故障率代數(shù)和的倒數(shù)表示,運(yùn)營(yíng)公司統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)決定了成熟的貨架飛機(jī)各系統(tǒng)部件的MTBF值。在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)與條件下,產(chǎn)品累計(jì)飛行時(shí)間除以同一時(shí)間內(nèi)的故障總數(shù)表示系統(tǒng)部件MTBF值,如表1所示。設(shè)計(jì)的新產(chǎn)品,部件的MTBF值應(yīng)借鑒類件的故障率進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。

表1 系統(tǒng)MTBF統(tǒng)計(jì)表

6.2 簽派可靠度分析

簽派可靠度(DR)等于系統(tǒng)內(nèi)各部件簽派可靠度的乘積,如以下公式所示,部件的簽派可靠度與其維修更換時(shí)間、部件MTBF、部件出現(xiàn)故障時(shí)飛機(jī)能否繼續(xù)派遣等因素有關(guān)。

DR系統(tǒng)=DR部件1×DR部件1×部件1×...×DR部件N

7 結(jié)束語(yǔ)

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,我國(guó)民用航空業(yè)飛速發(fā)展。中國(guó)由航空大國(guó)發(fā)展為航空強(qiáng)國(guó),由民用飛機(jī)的采購(gòu)大國(guó)發(fā)展為民用飛機(jī)制造大國(guó),幾代航天人的夢(mèng)想得以實(shí)現(xiàn),人們對(duì)民用飛機(jī)可靠性的關(guān)注度越來(lái)越高。民用飛機(jī)可靠性指標(biāo)的分析能夠檢測(cè)設(shè)計(jì)要求能否達(dá)到可靠性指標(biāo),還能為可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)提供相關(guān)數(shù)據(jù),并為安全性評(píng)估提供定量計(jì)算依據(jù),幫助計(jì)算。簽派可靠度,能夠直接反應(yīng)其市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)狀況,影響飛機(jī)的可靠性水平,是民用飛機(jī)可靠性設(shè)計(jì)中最核心的指標(biāo)之一。本文從可靠性的概念、設(shè)計(jì)目標(biāo)、方法等相關(guān)理論出發(fā),提出了一系列飛機(jī)可靠性設(shè)計(jì)指標(biāo)、可靠性基本模型與指標(biāo)分配方法,希望能夠在民用飛機(jī)設(shè)計(jì)階段對(duì)飛機(jī)各系統(tǒng)的可靠度建設(shè)發(fā)揮指導(dǎo)性作用。

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