胡啟先,王卓健,任帆
(1.空軍工程大學(xué) 研究生院,西安 710038) (2.空軍工程大學(xué) 航空工程學(xué)院,西安 710038) (3.中國人民解放軍93558部隊(duì),石家莊 050000)
現(xiàn)場(chǎng)可更換單元(Line Replaceable Unit,簡(jiǎn)稱LRU)是可在工作現(xiàn)場(chǎng)(基層級(jí))從系統(tǒng)或設(shè)備上拆卸并更換的單元。從作戰(zhàn)和使用保障角度來看,LRU是將各種組件設(shè)備組裝成模塊,該模塊是“更換維修”策略的直接物理載體,在極短時(shí)間內(nèi)就可對(duì)發(fā)生故障的組件進(jìn)行拆裝更換,以達(dá)到快速保障、機(jī)動(dòng)保障和持續(xù)保障的要求。由于LRU的“更換維修”策略,裝備維修保障時(shí)間大幅縮減,從而提高裝備戰(zhàn)備完好性和出動(dòng)強(qiáng)度。
但是,根據(jù)軍用飛機(jī)LRU航空維修保障現(xiàn)狀,在一些新機(jī)型和衍生機(jī)型上出現(xiàn)了一部分故障頻發(fā)、需要經(jīng)常采取維修措施的LRU。如此,即使是“更換維修”,若需要經(jīng)常更換,一方面不僅增加了外場(chǎng)保障人員的工作量,同時(shí)還導(dǎo)致修理廠需要頻繁對(duì)這些更換下來的LRU進(jìn)行故障維修以滿足備件庫儲(chǔ)存量,增加了維修費(fèi)用和周期;另一方面也會(huì)導(dǎo)致因備件頻繁調(diào)度而引起的保障延誤時(shí)間有所增加,對(duì)維修保障質(zhì)量和效率產(chǎn)生極大不利影響。除此之外,這些高故障率LRU會(huì)導(dǎo)致備件庫對(duì)應(yīng)的LRU備件基數(shù)相應(yīng)增大,增加了耗材費(fèi)用和保障費(fèi)用。因此,對(duì)于航空維修中出現(xiàn)的相對(duì)頻繁更換的高故障率LRU,有必要對(duì)其可靠性水平進(jìn)行度量和評(píng)估,以評(píng)價(jià)其可靠性水平是否滿足LRU劃分時(shí)的規(guī)定標(biāo)準(zhǔn),并且需要對(duì)導(dǎo)致其故障的關(guān)鍵部位進(jìn)行有效定位,以便于后期針對(duì)該類LRU的重新劃分或者局部?jī)?yōu)化改進(jìn)提供參考和依據(jù)。
然而,通過查閱國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的文獻(xiàn),發(fā)現(xiàn)目前關(guān)于LRU在以上問題及相關(guān)方面的研究相對(duì)空缺。Xiao liu等[1]提出了一種基于時(shí)變安裝的LRU可靠性分析和備件供應(yīng)的集成框架;Paul F.Schikora[2]針對(duì)F-16C/D型飛機(jī)所特有的各種LRU,以壽命周期成本為主要目標(biāo)函數(shù)開發(fā)了一種更換安裝方案模型,并證明該模型可以應(yīng)用于其他類似裝備;Anwei Shen等[3]對(duì)GJB2072樣本分配方法進(jìn)行改進(jìn),并提出了一種基于LRU的維修操作樣本分配方法;Ahmed Raza等[4]建立了一種基于持續(xù)性和間歇性故障的連續(xù)測(cè)試LRU的優(yōu)化備件數(shù)量準(zhǔn)則;Karl N.Muno等[5]對(duì)F-16航電LRU的故障以及設(shè)計(jì)局限進(jìn)行了檢查和評(píng)估;Donald S.Jackson等[6]提出了一種分析LRU現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的方法,并進(jìn)行了準(zhǔn)確地現(xiàn)場(chǎng)可靠性估計(jì)和預(yù)測(cè);Regina E.Bonanno[7]給出了用于組裝和安裝LRU及其維護(hù)和升級(jí)相關(guān)過程的概述;付維方等[8]和梁若曦[9]分別采用不同方法進(jìn)行了LRU備件、庫存配置及控制和維修樣本分配等方面的優(yōu)化研究,這些是面向LRU保障流程的研究;周亮等[10]將串件拼修策略運(yùn)用到LRU、SRU備件保障中,并仿真計(jì)算了該維修策略下的時(shí)變可用度;陳然等[11]運(yùn)用基于層次模型的LRU故障注入方法準(zhǔn)確模擬了故障信號(hào),實(shí)現(xiàn)了對(duì)故障的復(fù)現(xiàn);楊其國[12]對(duì)LRU的測(cè)試性進(jìn)行了建模分析。但上述文獻(xiàn)對(duì)已經(jīng)發(fā)生故障的LRU可靠性評(píng)估方面鮮少涉及,也未查到有關(guān)LRU故障組件定位方面的研究。
為此,本文提出一種針對(duì)高故障率的復(fù)雜LRU的可靠性評(píng)估仿真模型,將一些故障率(更換率)較高的LRU進(jìn)行功能結(jié)構(gòu)分解和故障分析,用基于故障樹結(jié)構(gòu)函數(shù)的可靠性數(shù)字仿真方法確定LRU的整體可靠度以及各個(gè)組件的重要度水平,以驗(yàn)證該LRU是否滿足其劃分時(shí)所規(guī)定的維修保障要求(故障率或更換率)和LRU中各個(gè)組件故障是否引起該LRU故障,為確定是否需要對(duì)該LRU重新制定功能設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)劃分或改進(jìn)優(yōu)化方案提供決策支持;將該方法模型用于某型軍用飛機(jī)的一種典型LRU進(jìn)行實(shí)例分析,以驗(yàn)證該仿真評(píng)估模型用于LRU可靠性評(píng)價(jià)的實(shí)用性和可行性。
對(duì)于高故障率LRU,尤其是結(jié)構(gòu)功能復(fù)雜、更換之后難以維修或者維修時(shí)間過長(zhǎng)的LRU,進(jìn)行可靠性評(píng)估時(shí),首先需要重新回歸到將其功能結(jié)構(gòu)分解這一步,其次結(jié)合故障樹進(jìn)行故障分析,然后進(jìn)行LRU可靠性數(shù)字仿真,最后對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行評(píng)估,得出關(guān)于此LRU在改進(jìn)性設(shè)計(jì)和優(yōu)化上的結(jié)論和建議。
模型設(shè)計(jì)如圖1所示。
圖1 LRU可靠性評(píng)估仿真模型Fig.1 Reliability assessment simulation model of LRU
結(jié)構(gòu)功能分析是為了更加明確地體現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部組織關(guān)系,更加清晰地理清內(nèi)部邏輯關(guān)系,以達(dá)到認(rèn)識(shí)和分析系統(tǒng)的目的。為了結(jié)合故障樹對(duì)LRU進(jìn)行可靠性數(shù)字仿真,將LRU的結(jié)構(gòu)功能分析過程分成以下四個(gè)模塊,如圖2所示。
圖2 結(jié)構(gòu)功能分析過程Fig.2 Process of structural-functional analysis
通過LRU的組成結(jié)構(gòu)分析其工作原理,繪制功能框圖和可靠性框圖,可靠性框圖可為進(jìn)行故障樹分析提供依據(jù)。以可靠性框圖為依據(jù),根據(jù)LRU故障現(xiàn)象找出相對(duì)應(yīng)的故障位置,進(jìn)而分析故障的原因,找出可靠性薄弱環(huán)節(jié)。功能結(jié)構(gòu)分析對(duì)于LRU,尤其是一些結(jié)構(gòu)功能復(fù)雜的大型LRU的故障樹繪制,是一個(gè)必不可少的過程。
故障樹分析方法(FTA)是可靠性和安全性分析中的一種簡(jiǎn)單有效、最有發(fā)展前途的分析方法[13],準(zhǔn)確全面地對(duì)LRU進(jìn)行故障樹分析是本文進(jìn)行可靠性分析的關(guān)鍵。
故障樹分析的一般流程主要包括建立故障樹,定性分析和定量分析三個(gè)步驟。
在該模型中,故障樹的建立需要在分析LRU結(jié)構(gòu)和工作原理的基礎(chǔ)上,結(jié)合功能框圖和可靠性框圖進(jìn)行繪制;對(duì)于LRU故障樹的定性分析主要為了得到故障樹的所有最小割集以及故障樹的結(jié)構(gòu)函數(shù);而定量分析是利用合適的可靠性數(shù)字仿真方法計(jì)算LRU的可靠度及其各組件的概率重要度和模式重要度。
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展,以蒙特卡洛為基礎(chǔ)的數(shù)字仿真方法廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程領(lǐng)域,用來定量描述大型復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性[14]。本文LRU可靠性評(píng)估仿真模型中采用的就是基于故障樹結(jié)構(gòu)函數(shù)的可靠性數(shù)字仿真方法。
將該方法用于LRU可靠性評(píng)估仿真模型的原因,主要是考慮到該方法能動(dòng)態(tài)刻畫LRU在全任務(wù)時(shí)間內(nèi)的可靠性特性,具有較高的分析精度。并且該方法不用考慮所研究對(duì)象的可修性,即沒有將可修復(fù)后繼續(xù)工作的因素納入到仿真過程中。這一點(diǎn)對(duì)于本文所研究的在機(jī)務(wù)現(xiàn)場(chǎng)保障時(shí)直接采用“更換維修”策略的LRU來說,具有良好的適用度和契合度。
1.3.1 仿真數(shù)學(xué)模型
設(shè)系統(tǒng)S由n個(gè)基本部件組成,分別記為z1,z2,…,zi,…,zn,即
S={z1,z2,…,zi,…,zn}
(1)
式中:zi(i=1,2,…,n)為系統(tǒng)的第i個(gè)基本部件。
每一個(gè)基本事件的失效分布函數(shù)設(shè)為Fi(t),i=1,2,…,n。
在明確了系統(tǒng)組成之后,需要設(shè)定和構(gòu)造可靠性仿真邏輯關(guān)系。LRU故障樹即為上述系統(tǒng)S中各基本事件的邏輯關(guān)系圖,并用LRU故障樹表示仿真邏輯關(guān)系,即故障樹的頂事件為系統(tǒng)S的失效事件,底事件為基本部件zi的失效事件。
在引入時(shí)間參量的情況下,用xi(t),i=1,2,…,n表示底事件i在t時(shí)刻所處的狀態(tài),針對(duì)LRU來說,不涉及到其零部件的修復(fù)性維修,故其組件只存在失效或者不失效兩種狀態(tài),可以用兩點(diǎn)式分布表示變量X(t),即
(2)
同理,由于頂事件只存在更換與不更換兩種維修狀態(tài),也可以用兩點(diǎn)式分布表示頂事件在t時(shí)刻的狀態(tài),用變量φ(X)表示,即
(3)
若故障樹有k個(gè)最小割集,記為K=(K1,K2,…,Kk),每個(gè)最小割集表示為
(4)
故在任意時(shí)刻t,故障樹的結(jié)構(gòu)函數(shù)φ(X)可表示為
(5)
因?yàn)楣收蠘浣Y(jié)構(gòu)函數(shù)是只能取0或1的二值函數(shù),即式(3)定義的兩點(diǎn)式分布函數(shù),根據(jù)故障樹最小割集與頂事件的邏輯關(guān)系,可以將頂事件發(fā)生的概率表示為
(6)
1.3.2 仿真流程
依據(jù)所構(gòu)造的仿真數(shù)學(xué)模型,設(shè)計(jì)出針對(duì)LRU可靠性數(shù)字仿真的流程圖,如圖3所示。
圖3 LRU可靠性數(shù)字仿真的流程圖Fig.3 Reliability digital simulation flow chart of LRU
仿真運(yùn)行流程主要有以下兩個(gè)關(guān)鍵步驟:
(1) 獲取仿真所需要的關(guān)鍵數(shù)據(jù)
在仿真運(yùn)行之前,需要獲取主要包括對(duì)所有底事件的發(fā)生時(shí)間進(jìn)行隨機(jī)抽樣的隨機(jī)數(shù)、總仿真次數(shù)以及LRU的最大工作時(shí)間等基本數(shù)據(jù)。其中,底事件發(fā)生時(shí)間隨機(jī)數(shù)通過對(duì)底事件的失效分布函數(shù)采用蒙特卡洛隨機(jī)抽樣產(chǎn)生;總仿真次數(shù)及LRU的最大工作時(shí)間主要影響到仿真精度和效果,可以在仿真之前假定一個(gè)合理值,然后再仿真過程中進(jìn)行不斷調(diào)試來確定其最優(yōu)值。因此,在隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生之前,需要獲取故障樹所有底事件的失效分布函數(shù)。
此后,利用蒙特卡洛方法,對(duì)n個(gè)底事件壽命(發(fā)生時(shí)間)進(jìn)行隨機(jī)抽樣,獲得每個(gè)底事件的故障時(shí)間樣本。若第j次抽樣時(shí),第i個(gè)底事件發(fā)生時(shí)間抽樣值為tij,則
(7)
式中:ηij為第j次抽樣中底事件i失效分布函數(shù)Fi(x)的隨機(jī)數(shù),由計(jì)算機(jī)自動(dòng)生成。
(2) 通掃故障樹獲取LRU的故障時(shí)間
對(duì)于第j仿真,抽樣產(chǎn)生第i個(gè)底事件的失效時(shí)間為tij,i=1,2,…,n,結(jié)合式(2)可以確定各個(gè)底事件在時(shí)刻t的狀態(tài):
(8)
(9)
按照上述過程進(jìn)行N次仿真運(yùn)行,則一共可以得到N個(gè)該LRU的失效時(shí)間:tk1,tk2,…,tkj,…,tkN。
1.3.3 統(tǒng)計(jì)仿真結(jié)果并計(jì)算可靠性指標(biāo)
用區(qū)間統(tǒng)計(jì)法[15]統(tǒng)計(jì)LRU失效數(shù)的分布情況:將該LRU的最大工作時(shí)間Tmax分成m個(gè)區(qū)間,則LRU在(tr-1,tr)區(qū)間內(nèi)的失效數(shù)為
(10)
在t≤tr范圍內(nèi)的LRU失效數(shù)為
(11)
LRU的不可靠度(累積失效概率)FS(t)為
(12)
結(jié)合式(11),可得
(13)
LRU的可靠度RS(t)為
(14)
LRU的失效概率分布PS(tr)為
(15)
結(jié)合式(10),可得
(16)
LRU的平均壽命MTBF為
(17)
底事件重要度W(Zi):
(18)
底事件的模式重要度WN(Zi):
(19)
通過對(duì)仿真計(jì)算得到的可靠性指標(biāo)的分析,判斷所研究的LRU是否滿足其劃分時(shí)所規(guī)定的可靠性要求,并給出導(dǎo)致該LRU故障的組件定位,以便于在該LRU需要重新進(jìn)行功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或者優(yōu)化時(shí)提供重點(diǎn)改進(jìn)或優(yōu)化部位。
以某型軍用飛機(jī)液壓系統(tǒng)中應(yīng)急排油排氣活門為例,對(duì)上述LRU可靠性評(píng)估仿真模型進(jìn)行實(shí)例分析。
該活門主要由蓋子、殼體、螺母、大活門、小活門、彈簧座、小彈簧座、彈簧、小手柄、頂桿等組成,如圖4所示。
圖4 活門剖面圖Fig.4 Section plan of the valve