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        基于多種數(shù)據(jù)源的直升機(jī)系統(tǒng)基本可靠性預(yù)計(jì)方法

        2021-06-17 08:39:16王開山胡雪明郝宗敏
        直升機(jī)技術(shù) 2021年2期
        關(guān)鍵詞:失效率類產(chǎn)品元器件

        王開山,胡雪明,郝宗敏

        (中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所,江西 景德鎮(zhèn) 333001)

        0 引言

        可靠性預(yù)計(jì)是產(chǎn)品可靠性指標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)的基本保證。通過(guò)自下而上地預(yù)計(jì)產(chǎn)品各層次的可靠性水平,實(shí)施“預(yù)計(jì)-改進(jìn)設(shè)計(jì)-再預(yù)計(jì)”的循環(huán),找出產(chǎn)品薄弱環(huán)節(jié),不斷優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì),最終使產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)。因此,開展可靠性預(yù)計(jì)是確保設(shè)計(jì)、生產(chǎn)出具備規(guī)定可靠性指標(biāo)產(chǎn)品的指導(dǎo)性和基礎(chǔ)性的工作。

        對(duì)直升機(jī)來(lái)講,基本可靠性是影響其戰(zhàn)備完好性和任務(wù)成功性的基本參數(shù),通常是直升機(jī)研制中的一項(xiàng)必備的重要技術(shù)指標(biāo)。然而,直升機(jī)系統(tǒng)組成單元中存在大量自制非標(biāo)準(zhǔn)件,其可靠性數(shù)據(jù)無(wú)法從標(biāo)準(zhǔn)中查得,從而導(dǎo)致直升機(jī)基本可靠性預(yù)計(jì)變得異常困難。為此,找到一種合理且高效的可靠性預(yù)計(jì)方法具有十分重要的意義。

        在可靠性預(yù)計(jì)理論方法方面,國(guó)內(nèi)外研究人員進(jìn)行了大量研究,現(xiàn)比較前沿的方法有:基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)預(yù)計(jì)法、基于失效物理預(yù)計(jì)法、模糊數(shù)學(xué)預(yù)計(jì)法、基于隨機(jī)進(jìn)程代數(shù)預(yù)計(jì)法等。但這些方法計(jì)算過(guò)于繁瑣,在直升機(jī)系統(tǒng)研制中可操作性不強(qiáng)。

        本文對(duì)已有可靠性預(yù)計(jì)方法進(jìn)行研究,總結(jié)出幾種可以滿足直升機(jī)研制要求且易于操作的基本可靠性預(yù)計(jì)方法,針對(duì)直升機(jī)系統(tǒng)各組成單元特點(diǎn)闡述各預(yù)計(jì)方法的選取原則并給出直升機(jī)系統(tǒng)基本可靠性預(yù)計(jì)的一般流程。

        1 基本可靠性預(yù)計(jì)方法

        1.1 基于標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的預(yù)計(jì)方法

        標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)主要依據(jù)GJB299C和MIL-HDBK-217F兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn),前者為國(guó)產(chǎn)元器件可靠性預(yù)計(jì)數(shù)據(jù)源,后者為進(jìn)口元器件可靠性預(yù)計(jì)數(shù)據(jù)源?;跇?biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的基本可靠性預(yù)計(jì)方法主要分為元器件計(jì)數(shù)可靠性預(yù)計(jì)法和元器件應(yīng)力分析可靠性預(yù)計(jì)法兩種。

        元器件計(jì)數(shù)可靠性預(yù)計(jì)法適用于產(chǎn)品研制的初步設(shè)計(jì)階段,其計(jì)算模型見公式(1)。

        (1)

        式中:

        λ

        —設(shè)備總失效率;

        λ

        —第

        i

        種元器件的通用失效率;

        π

        —第

        i

        種元器件的通用質(zhì)量系數(shù);

        N

        —第

        i

        種元器件的數(shù)量;

        n

        —設(shè)備所用元器件的種類數(shù)目。

        元器件應(yīng)力分析可靠性預(yù)計(jì)法適用于產(chǎn)品已具備詳細(xì)的元器件清單并已確定了元器件所承受應(yīng)力的設(shè)備研制階段,其計(jì)算模型見公式(2)。

        (2)

        式中:

        λ

        —設(shè)備總失效率;

        λ

        —第

        i

        種元器件的基本失效率;

        π

        —第

        i

        種元器件的質(zhì)量系數(shù);

        π

        —第

        i

        種元器件的環(huán)境系數(shù);

        π

        —第

        i

        種元器件的其它各項(xiàng)系數(shù);

        N

        —第

        i

        種元器件的數(shù)量;

        n

        —設(shè)備所用元器件的種類數(shù)目。

        1.2 基于外場(chǎng)飛行數(shù)據(jù)的預(yù)計(jì)方法

        直升機(jī)型號(hào)研制通常有很大的繼承性,很多產(chǎn)品是直接沿用其它在役型號(hào)的成品。這些沿用產(chǎn)品若已經(jīng)隨在役型號(hào)飛行了一定的樣本量,便可利用該產(chǎn)品的外場(chǎng)飛行數(shù)據(jù)評(píng)估其可靠性水平。評(píng)估計(jì)算模型通常采用指數(shù)分布λ的單側(cè)置信下限估計(jì),見公式(3)。

        (3)

        式中:

        T

        —產(chǎn)品總工作時(shí)間(樣本量);

        r

        —責(zé)任故障次數(shù);

        α

        —顯著性因子(

        α

        =1-置信度)。

        1.3 基于相似產(chǎn)品數(shù)據(jù)的預(yù)計(jì)方法

        對(duì)于新研改型產(chǎn)品,若存在與其在功能性能、結(jié)構(gòu)組成、制造工藝和使用過(guò)程方面均相似的產(chǎn)品,則可以采用基于相似產(chǎn)品數(shù)據(jù)的可靠性預(yù)計(jì)方法,見公式(4)。該方法的核心是確定兩個(gè)產(chǎn)品的相似系數(shù)。相似系數(shù)的計(jì)算模型見公式(5)至公式(6)。

        λ

        =

        K

        ·

        λ

        (4)

        式中:

        K

        —相似系數(shù);

        λ

        —相似產(chǎn)品的故障率;

        λ

        —本產(chǎn)品的故障率。

        K

        =

        ω/ω

        (5)

        式中:

        ω

        —相似產(chǎn)品的評(píng)分?jǐn)?shù);

        ω

        —本產(chǎn)品的評(píng)分?jǐn)?shù)。

        (6)

        2 直升機(jī)系統(tǒng)可靠性預(yù)計(jì)流程

        直升機(jī)系統(tǒng)基本可靠性預(yù)計(jì)操作流程可分為如下四個(gè)步驟:

        第一步,根據(jù)系統(tǒng)各組成單元特點(diǎn)將其分成四個(gè)組類。Ⅰ類為轉(zhuǎn)承包研制的外協(xié)成品;Ⅱ類為自研沿用產(chǎn)品;Ⅲ類為自研新研改型電子產(chǎn)品;Ⅳ類為自研新研改型機(jī)械產(chǎn)品。

        第二步,根據(jù)組成單元所屬類型選擇相對(duì)應(yīng)的可靠性預(yù)計(jì)方法。Ⅰ類產(chǎn)品直接采用廠家提供的可靠性預(yù)計(jì)數(shù)據(jù);Ⅱ類產(chǎn)品選擇基于外場(chǎng)飛行數(shù)據(jù)的預(yù)計(jì)方法;Ⅲ類產(chǎn)品選擇基于標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的預(yù)計(jì)方法;Ⅳ類產(chǎn)品選擇基于相似產(chǎn)品數(shù)據(jù)的預(yù)計(jì)方法。

        第三步,按照選定的預(yù)計(jì)方法進(jìn)行計(jì)算得到各組成單元的預(yù)計(jì)結(jié)果。

        第四步,匯總各組成單元預(yù)計(jì)結(jié)果計(jì)算得到系統(tǒng)可靠性指標(biāo)。

        3 應(yīng)用案例

        某型號(hào)直升機(jī)旋翼系統(tǒng)各組成單元技術(shù)狀態(tài)信息見表1。現(xiàn)利用上述基本可靠性預(yù)計(jì)方法和流程對(duì)該旋翼系統(tǒng)進(jìn)行基本可靠性預(yù)計(jì)。

        表1 旋翼系統(tǒng)各組成單元技術(shù)狀態(tài)信息

        3.1 確定單元所屬類別

        根據(jù)表1中旋翼系統(tǒng)各組成單元技術(shù)狀態(tài)信息,確定各組成單元所屬類別,類別劃分見表2。

        表2 旋翼系統(tǒng)各組成單元類別劃分

        3.2 選擇預(yù)計(jì)方法

        根據(jù)第2章第二步中可靠性預(yù)計(jì)方法的選取原則確定各組成單元所適用的可靠性預(yù)計(jì)方法,見表3。

        表3 各組成單元可靠性預(yù)計(jì)方法選取

        3.3 單元基本可靠性預(yù)計(jì)計(jì)算

        3.3.1 Ⅰ類產(chǎn)品的可靠性預(yù)計(jì)計(jì)算

        折疊子系統(tǒng)為Ⅰ類產(chǎn)品,其下級(jí)組成單元均為外協(xié)成品,直接采用廠家提供數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)計(jì)計(jì)算。計(jì)算過(guò)程見表4。

        表4 Ⅰ類產(chǎn)品可靠性預(yù)計(jì)計(jì)算

        3.3.2 Ⅱ類產(chǎn)品的可靠性預(yù)計(jì)計(jì)算

        主槳葉和自動(dòng)傾斜器為Ⅱ類產(chǎn)品,采用基于外場(chǎng)飛行數(shù)據(jù)的預(yù)計(jì)方法進(jìn)行可靠性預(yù)計(jì)。計(jì)算過(guò)程見表5。

        表5 Ⅱ類產(chǎn)品可靠性預(yù)計(jì)計(jì)算

        3.3.3 Ⅲ類產(chǎn)品的可靠性預(yù)計(jì)計(jì)算

        加熱組件為Ⅲ類產(chǎn)品,采用基于標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的預(yù)計(jì)方法進(jìn)行可靠性預(yù)計(jì)。該產(chǎn)品由加熱元件、電連接器和焊點(diǎn)組成,按GJB299C中的應(yīng)力分析法計(jì)算模型,查取基本故障率和各項(xiàng)系數(shù)。計(jì)算過(guò)程見表6至表9。

        表6 加熱元件工作失效率預(yù)計(jì)表

        表7 電連接器工作失效率預(yù)計(jì)表

        表8 焊接點(diǎn)工作失效率預(yù)計(jì)表

        表9 加熱組件失效率預(yù)計(jì)表

        3.3.4 Ⅳ類產(chǎn)品的可靠性預(yù)計(jì)計(jì)算

        主槳轂為Ⅳ類產(chǎn)品,采用基于相似產(chǎn)品數(shù)據(jù)的預(yù)計(jì)方法進(jìn)行可靠性預(yù)計(jì)。計(jì)算過(guò)程見表10。

        表10 Ⅳ類產(chǎn)品可靠性預(yù)計(jì)計(jì)算

        3.4 系統(tǒng)基本可靠性預(yù)計(jì)計(jì)算

        匯總旋翼系統(tǒng)各組成單元預(yù)計(jì)結(jié)果計(jì)算得到旋翼系統(tǒng)可靠性指標(biāo),見表11。

        表11 旋翼系統(tǒng)失效率預(yù)計(jì)表

        最終得到旋翼系統(tǒng)的故障率為0.005587次/h,MTBF為178.98h。

        4 結(jié)束語(yǔ)

        本文從直升機(jī)系統(tǒng)研制所遇到的實(shí)際問(wèn)題出發(fā),歸納總結(jié)了幾種容易獲取的數(shù)據(jù)源及對(duì)應(yīng)的預(yù)計(jì)方法。針對(duì)直升機(jī)系統(tǒng)常見組成單元特點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行分類,闡述不同類別單元需選擇的預(yù)計(jì)方法并給出了直升機(jī)系統(tǒng)基本可靠性預(yù)計(jì)的一般流程和具體步驟。

        通過(guò)實(shí)際案例證明本文提出的基于多種數(shù)據(jù)源的基本可靠性預(yù)計(jì)方法合理可行且操作流程簡(jiǎn)便,可以推廣至工程中進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。

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