張 柁,張 園,楊兆林,勾利娜
(1.中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所,全尺寸飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜力/疲勞重點試驗室,陜西 西安 710065;2.西安長慶科技工程有限責(zé)任公司,陜西 西安 710021;3.長慶油田勘探開發(fā)研究院,陜西 西安 710021;4.西部機(jī)場集團(tuán)有限公司,陜西 西安 710075)
航空航天飛行器、工業(yè)設(shè)備中存在著大量的機(jī)械運動機(jī)構(gòu),例如飛機(jī)的襟翼、縫翼、副翼、擾流板等操縱機(jī)構(gòu),空間站上用于維修的機(jī)械手臂,汽車生產(chǎn)線進(jìn)行焊接操作的機(jī)械臂等。尤其是飛機(jī)上的操縱機(jī)構(gòu),其可靠性嚴(yán)重影響到飛機(jī)的安全性,因此都是具有極高可靠性要求的重要機(jī)構(gòu)。而設(shè)計高可靠性機(jī)構(gòu)的前提,是要進(jìn)行合理的系統(tǒng)可靠性指標(biāo)分配。
可靠性分配是將規(guī)定的系統(tǒng)可靠度指標(biāo),在構(gòu)成該系統(tǒng)的若干個子系統(tǒng)之間進(jìn)行適當(dāng)?shù)胤峙洌簿褪谴_定各子系統(tǒng)的可靠度指標(biāo),從而保證整個系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)達(dá)到要求。由于機(jī)械產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)與成本、維修費用、重要性、復(fù)雜度、制造技術(shù)等諸多因素有關(guān),故在進(jìn)行可靠度分配時,針對不同的約束目標(biāo),有不同的分配方案。
區(qū)別于電子產(chǎn)品,適用于機(jī)械產(chǎn)品的傳統(tǒng)可靠度分配方法有:相對失效率法、再分配法、評分分配法[1]、因素綜合法[2]、拉格朗日乘數(shù)法、動態(tài)規(guī)劃法、直接錄查法等。近年來,國內(nèi)外學(xué)者嘗試一些新的分配方法。文獻(xiàn)[3]引入了模糊數(shù)學(xué)方法,運用三角模糊法與層次分析法相結(jié)合對機(jī)械系統(tǒng)可靠度進(jìn)行分配,文獻(xiàn)[4-5]從優(yōu)化的角度對復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行分配,文獻(xiàn)[6-7]還提出了運用遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等進(jìn)行可靠性分配。
上面提到的分配方法均是假設(shè)機(jī)械系統(tǒng)的各部件相互獨立,其分配過程就是把系統(tǒng)的整體指標(biāo)值分配給獨立的各個部件,賦予每個部件一個指標(biāo)值。而在實際工程上,根據(jù)機(jī)械系統(tǒng)的特點,其失效模式均為損耗型,失效概率隨時間增長,同一部件一般存在多種失效模式,各失效模式間帶有很大的耦合因素,因此機(jī)械系統(tǒng)各部件均為關(guān)聯(lián)的。
對于一般的簡單機(jī)械系統(tǒng),采用上面提到的傳統(tǒng)分配方法進(jìn)行分配,在一定的誤差范圍內(nèi)可以得到相對有效的分配結(jié)果。但對于含有典型運動機(jī)構(gòu)的機(jī)械系統(tǒng),例如飛機(jī)的襟翼、縫翼、副翼等,其運動機(jī)構(gòu)各部件的關(guān)聯(lián)性比較大,各失效模式間的耦合性也比較大,這時就不能簡單地把運動機(jī)構(gòu)各部件單獨處理,傳統(tǒng)的分配方法就不適用了。
在對含有運動機(jī)構(gòu)的機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分配時,不能把運動機(jī)構(gòu)的各部件區(qū)分開,而是將機(jī)械系統(tǒng)中的典型運動機(jī)構(gòu)作為一個整體,然后對其分配一個指標(biāo),或者直接對其提出一個需滿足的指標(biāo),這里可以通過參考相似運動機(jī)構(gòu)的可靠度或仿真的方法來確定這個指標(biāo)。
某機(jī)型襟翼運動機(jī)構(gòu)如圖1所示,包括襟翼驅(qū)動連桿(傳動桿和連桿臂)、襟翼托架、滑軌、襟翼支架等部件。
圖1 襟翼運動機(jī)構(gòu)
根據(jù)該機(jī)型襟翼系統(tǒng)故障模式影響分析(FMEA),襟翼故障失效模式主要包括:機(jī)械卡阻、關(guān)鍵件的強(qiáng)度破壞、操縱精度不夠、襟翼開度不一致、其他部件對襟翼性能的影響等模式。其中襟翼運動機(jī)構(gòu)的主要故障失效模式及對應(yīng)部件和故障原因如表1所示。
表1 某機(jī)型襟翼運動機(jī)構(gòu)主要失效模式
由表1可知,襟翼運動機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵件為襟翼驅(qū)動連桿、襟翼托架、滑軌、襟翼支架,主要失效模式為精度不夠、卡阻、強(qiáng)度破壞。其失效模式分析簡圖如圖2所示。
圖2 失效模式分析簡圖
圖2描述了襟翼運動機(jī)構(gòu)失效模式與失效發(fā)生部件及故障原因的對應(yīng)關(guān)系。其中,精度不夠和卡阻失效的一個故障原因均是運動機(jī)構(gòu)部件之間的磨損和變形。例如,襟翼系統(tǒng)中的托架滑軌系統(tǒng),當(dāng)滑軌托架磨損量過大,會導(dǎo)致滑軌軌跡變形,引起襟翼操縱精度不夠。當(dāng)這種變形量過大時,滑軌與托架還將產(chǎn)生卡滯和咬死現(xiàn)象,這是由相互運動的兩部件耦合造成的,而不是由單個部件引起的失效。因此,將襟翼驅(qū)動連桿、整流罩驅(qū)動連桿、襟翼托架滑軌作為運動機(jī)構(gòu)的子部件進(jìn)行失效模式分析。
根據(jù)失效模式與部件的對應(yīng)關(guān)系可知,同一部件一般存在多種失效模式,各部件的部分失效模式相同,相互交叉。因此,各部件之間是相互關(guān)聯(lián)的。根據(jù)失效模式與故障原因的對應(yīng)關(guān)系可知,各失效模式有多個故障原因,且一個故障原因可能引起多種失效模式。因此,部分失效模式存在很大的耦合因素。在圖2中,精度不夠與卡阻失效模式便是相互耦合的。
可靠性分配就是對各部件進(jìn)行指標(biāo)分配,而各部件的可靠性指標(biāo)也可以認(rèn)為是其主要失效模式的指標(biāo)。由于運動機(jī)構(gòu)的各部件是相關(guān)聯(lián)的,各主要失效模式也是相互耦合的,因此在進(jìn)行可靠性指標(biāo)分配時,不能僅僅把運動部件分開以簡單的串聯(lián)形式對各組件分別分配一個指標(biāo),還需要考慮部件之間的耦合因素。這些耦合因素給運動機(jī)構(gòu)的可靠性分配帶來了很大困難,上面提到的常用的可靠性分配方法針對含有運動機(jī)構(gòu)的機(jī)械系統(tǒng)均有一定的局限性。
由運動機(jī)構(gòu)失效模式分析可知,在對運動機(jī)構(gòu)進(jìn)行可靠性指標(biāo)分配時,還要考慮運動機(jī)構(gòu)的耦合性。由于各組件都是相關(guān)聯(lián)的,而這種相關(guān)聯(lián)帶有很大的不確定性,如果要對運動機(jī)構(gòu)的各組件分別分配一個指標(biāo),很難在考慮各組件關(guān)聯(lián)性的前提下用傳統(tǒng)的可靠性分配法對運動機(jī)構(gòu)進(jìn)行指標(biāo)分配。
如果考慮運動機(jī)構(gòu)的耦合性,就不能僅僅把運動部件分開以簡單的串聯(lián)形式對各部件分別分配一個指標(biāo),而是將運動機(jī)構(gòu)作為一個整體進(jìn)行指標(biāo)分配,也就是對運動機(jī)構(gòu)的主要失效模式分配一個指標(biāo),這包含了運動機(jī)構(gòu)內(nèi)部的相關(guān)性,而不必去量化這種不確定的相關(guān)性。
經(jīng)研究分析,針對含有典型運動機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)可采用的幾種可靠性指標(biāo)分配方法如下:
(1)直接分配法。將典型運動機(jī)構(gòu)作為一個整體,即子系統(tǒng),并運用合適的分配方法對運動機(jī)構(gòu)分配一個整體指標(biāo),這只需要將襟翼系統(tǒng)的運動機(jī)構(gòu)各部件合成一個子系統(tǒng)組件(襟翼運動機(jī)構(gòu))。其合成之后的可靠性基本方框圖如圖3所示,進(jìn)行合適的指標(biāo)分配后就可得到襟翼運動機(jī)構(gòu)的指標(biāo)值,即襟翼運動機(jī)構(gòu)主要失效模式的失效概率。
圖3 可靠性方框圖
(2)仿真確定法。通過運用運動學(xué)和動力學(xué)仿真軟件LMS建立典型運動機(jī)構(gòu)的仿真模型,然后根據(jù)典型運動機(jī)構(gòu)的失效模式影響分析(FMEA),選取幾個主要的失效模式為仿真對象。運動機(jī)構(gòu)的CATIA模型結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)、LMS分析模型中的結(jié)構(gòu)驅(qū)動運動副參數(shù)以及外部載荷參數(shù)等均可以作為可靠性計算機(jī)仿真的仿真輸入,按照運動機(jī)構(gòu)可靠性典型失效模式進(jìn)行隨機(jī)變量的選擇,將與失效模式相關(guān)的參數(shù)作為仿真模型的隨機(jī)變量參數(shù),即仿真輸入;對模型中隨機(jī)變量參數(shù)進(jìn)行計算機(jī)隨機(jī)抽樣,抽取足夠的隨機(jī)數(shù),同時在LMS分析模型中進(jìn)行仿真運行設(shè)置,完成運動機(jī)構(gòu)可靠性典型失效模式的模擬試驗;按照運動機(jī)構(gòu)可靠性典型失效模式選擇相關(guān)的模擬試驗結(jié)果作為仿真計算的輸出,并利用這些輸出結(jié)果數(shù)據(jù)完成對運動機(jī)構(gòu)典型失效模式的可靠性仿真計算分析。
在運動機(jī)構(gòu)的仿真過程中,可選取幾個主要的失效模式作為仿真對象,同時考慮其中的一個或幾個,這要取決于各失效模式的關(guān)聯(lián)性。如果各失效模式是相互獨立的,便可以單獨考慮;如果各失效模式中有相關(guān)聯(lián)的,便可將相關(guān)聯(lián)的失效模式同時考慮進(jìn)行仿真分析。對于襟翼運動機(jī)構(gòu),精度不夠和卡阻失效可同時考慮,強(qiáng)度破壞失效可單獨考慮。在完成所有可靠性仿真計算分析后,就可得到主要失效模式的失效概率,作為襟翼運動機(jī)構(gòu)的可靠性指標(biāo)值。在襟翼運動機(jī)構(gòu)可靠性指標(biāo)值已知的前提下,再根據(jù)圖3可靠性方框圖對襟翼系統(tǒng)其他組件進(jìn)行指標(biāo)分配,保證系統(tǒng)滿足可靠性指標(biāo)要求。
(3)參考相似系統(tǒng)。參照相似機(jī)型典型運動機(jī)構(gòu)的可靠性水平,再根據(jù)我國目前的生產(chǎn)水平和經(jīng)驗直接對運動機(jī)構(gòu)提出一個整體指標(biāo)。襟翼運動機(jī)構(gòu)作為飛機(jī)典型運動機(jī)構(gòu)之一,可以參照相似機(jī)型襟翼運動機(jī)構(gòu)的可靠性水平給新研襟翼運動機(jī)構(gòu)提出一個指標(biāo),然后根據(jù)襟翼系統(tǒng)整體的可靠性指標(biāo)再對襟翼系統(tǒng)其他組件進(jìn)行分配指標(biāo),保證整個襟翼系統(tǒng)達(dá)到指標(biāo)要求。相似機(jī)型襟翼運動機(jī)構(gòu)的可靠性指標(biāo)可以直接通過調(diào)研相似機(jī)型襟翼運動機(jī)構(gòu)的故障率統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析得到。
工程中常用的可靠性分配方法有比例分配法、評分分配法、重要度及復(fù)雜度分配法、拉格朗日乘數(shù)法、動態(tài)規(guī)劃法、直接錄查法。根據(jù)目前對各部件失效情況的掌握,這里采用了比較現(xiàn)實的評分分配法。
基本思想:在缺乏可靠性數(shù)據(jù)的情況下,根據(jù)經(jīng)驗對影響因素評分并進(jìn)行分配。
主要考慮的因素:(1)復(fù)雜度,(2)技術(shù)水平,(3)工作時間,(4)重要度,(5)故障率,(6)環(huán)境條件。在考慮部件故障率的情況下同時考慮其他5個因素,這樣考慮的因素更加全面,使得分配結(jié)果更加準(zhǔn)確。
數(shù)學(xué)模型如下:
(1)
其中:
(2)
(3)
傳統(tǒng)分配方法關(guān)于評分的規(guī)定是:各因素的分?jǐn)?shù)在1~10之間,共分10級,每級1分。這一規(guī)定不能完全反映產(chǎn)品各單元的有關(guān)因素之間的差異性。為了評分的合理,分?jǐn)?shù)不必限制在1~10之間,視情況而定。關(guān)于這一問題,下面將針對復(fù)雜度進(jìn)行具體的分析。
復(fù)雜度是根據(jù)組成功能單元的基本構(gòu)件的大致數(shù)量以及組裝難易程度來評定。
評分步驟:
(1)評估各單元的基本構(gòu)件數(shù)量ni;
(2)選擇基本構(gòu)件數(shù)量最少(nmin)的單元為基本單元,評分為1分;
(3)按下式計算其他各單元的評分:
(4)
從原理上講,將ni當(dāng)作評分亦可,用上面公式計算,是為了規(guī)范化,組裝難易程度可以在評估基本構(gòu)件數(shù)量時統(tǒng)一考慮。這一評分方法要比“最簡單的評1分,最復(fù)雜的評10分”更合理,特別是當(dāng)ni/nmin>10時更是如此。
假設(shè)襟翼系統(tǒng)整體失效概率指標(biāo)F=10-6,在襟翼運動機(jī)構(gòu)的可靠性指標(biāo)未知的情況下,將其作為一個整體,按照上述評分分配方法,直接對襟翼系統(tǒng)進(jìn)行指標(biāo)分配。得到襟翼系統(tǒng)各組件的可靠性分配值,如表2所示。
表2 襟翼系統(tǒng)可靠性分配
通過以上的可靠性分配,就可得到襟翼運動機(jī)構(gòu)的一個整體可靠性指標(biāo)值,依據(jù)這個指標(biāo)值便可對襟翼運動機(jī)構(gòu)進(jìn)行整體可靠性設(shè)計。
本文只對直接分配法進(jìn)行了算例分析,在相關(guān)數(shù)據(jù)支持的條件下,也可以采用仿真確定法和參考相似系統(tǒng)。前者是在缺乏運動機(jī)構(gòu)可靠性數(shù)據(jù)的時候適用,而后者充分利用了已知的運動機(jī)構(gòu)信息,結(jié)果更加準(zhǔn)確,但需要大量的信息。將襟翼運動機(jī)構(gòu)作為一個整體,其各部件的相關(guān)性作為整體的一部分,而不必去量化這種帶有很大不確定性的相關(guān)性,可以快速得到一個更加準(zhǔn)確的整體可靠性指標(biāo)值,其結(jié)果更加符合工程實際。依據(jù)這個指標(biāo)值,可以方便地對運動機(jī)構(gòu)進(jìn)行整體可靠性設(shè)計。