張大信 郭基聯(lián)

摘要：分析某型飛機(jī)氧氣系統(tǒng)工作原理，根據(jù)其工作特點(diǎn)和過程建立系統(tǒng)失效動(dòng)態(tài)故障樹（DFT），使用馬爾可夫鏈轉(zhuǎn)移公式對(duì)故障樹進(jìn)行定量計(jì)算，求出頂事件發(fā)生概率和底事件概率重要度，找出氧氣系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)，為機(jī)務(wù)維護(hù)工作提供幫助，也可指導(dǎo)工廠對(duì)氧氣系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造。

關(guān)鍵詞：氧氣系統(tǒng)；動(dòng)態(tài)故障樹；頂事件發(fā)生概率；底事件概率重要度

Keywords： oxygen system；dynamic fault tree；top-event occurrence rate；bottom-event probability significance

0 引言

某型飛機(jī)在飛行訓(xùn)練過程中，出現(xiàn)正常氧分壓低故障，系統(tǒng)自動(dòng)接通備用氧源，保證了飛行員正常生理需求。氧氣系統(tǒng)作為飛機(jī)座艙內(nèi)的一個(gè)子系統(tǒng)，是飛行員生命保障系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，也是飛機(jī)進(jìn)行高空安全飛行的重要保障。本文通過故障樹法分析計(jì)算其故障發(fā)生概率，并查找氧氣系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)，為機(jī)務(wù)維護(hù)和工廠技術(shù)改進(jìn)提供參考。

1 氧氣系統(tǒng)工作過程

某型飛機(jī)氧氣系統(tǒng)包括主、備份和應(yīng)急氧氣三部分。

正常情況下，飛行員的用氧由主氧源提供。來自環(huán)控系統(tǒng)的增壓空氣首先經(jīng)過電動(dòng)活門，電動(dòng)活門是控制總引氣管路的開關(guān)，然后進(jìn)入氧氣濃縮器，氧氣濃縮器利用分子篩變壓吸附特性，通過吸附和沖洗再生循環(huán)過程，不斷產(chǎn)生供飛行員呼吸的高品質(zhì)富氧氣體，飛機(jī)座艙高度在8km以下時(shí)，根據(jù)高度向飛行員供給符合生理需求的混合氧。

當(dāng)主氧源喪失或者座艙高度超過8km時(shí)，通過“氧源轉(zhuǎn)換器”切換到備用氧源為飛行員供氧。備用氧源由兩個(gè)額定壓力為21MPa、容積為4L的鋼膽復(fù)合材料氧氣瓶組成，可以保證在氣密巡航高度飛行時(shí)供氧時(shí)間不低于60min。

當(dāng)備用氧也喪失時(shí)，系統(tǒng)會(huì)警告飛行員操作“應(yīng)急手柄”手動(dòng)切換到應(yīng)急氧供氧模式，然后立即下降到安全高度返航。應(yīng)急氧源采用鋼膽復(fù)合材料氧氣瓶，容積為0.5L，額定壓力為21MPa，可提供8～13min應(yīng)急供氧。它同時(shí)也在彈射救生過程中為飛行員供氧。

2 氧氣系統(tǒng)失效動(dòng)態(tài)故障樹

從氧氣系統(tǒng)的工作過程可以看出，主、備份和應(yīng)急氧源的工作呈現(xiàn)出順序性，而傳統(tǒng)的靜態(tài)故障樹（SFT）其底事件邏輯關(guān)系主要是通過“與門”和“或門”兩種靜態(tài)邏輯門來連接，不適用于氧氣系統(tǒng)的分析。

動(dòng)態(tài)故障樹針對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)工作時(shí)底事件的動(dòng)態(tài)特性定義了可以描述系統(tǒng)發(fā)生順序、時(shí)間關(guān)系的動(dòng)態(tài)邏輯門，如順序與門、冷備件門、溫備件門等，動(dòng)態(tài)故障樹即是使用了動(dòng)態(tài)邏輯門的故障樹。根據(jù)本文分析需求，下面僅介紹順序相關(guān)門（Sequence-Enforcing，SEQ）這一動(dòng)態(tài)邏輯門，圖形符號(hào)如圖1所示。

順序相關(guān)門表示其多個(gè)輸入事件A1，A2，…，An必須是以邏輯門下面從左到右排列的順序發(fā)生，輸出事件才會(huì)發(fā)生，否則不發(fā)生。

以飛行員吸不到氧氣為頂事件，使用順序相關(guān)門為頂事件的邏輯門建立動(dòng)態(tài)故障樹，如圖2所示。

3 氧氣系統(tǒng)動(dòng)態(tài)故障樹定量分析

對(duì)動(dòng)態(tài)故障樹的定量分析只需對(duì)故障樹的動(dòng)態(tài)模塊使用復(fù)雜的馬爾可夫鏈轉(zhuǎn)移公式來計(jì)算，其余靜態(tài)模塊依然使用傳統(tǒng)的布爾公式。圖2的氧氣系統(tǒng)失效故障樹可以看作是以T為頂事件、G1、G2、G3為底事件的動(dòng)態(tài)故障樹，其故障失效模式為G1G2G3。其中G1、G2和G3是靜態(tài)子模塊故障樹，T是邏輯門為SEQ的動(dòng)態(tài)故障樹。

通過分析，氧氣系統(tǒng)故障樹可以轉(zhuǎn)化為一條鏈長為3的馬爾可夫轉(zhuǎn)移鏈，如圖3所示。

3.1 頂事件發(fā)生概率

假設(shè)氧氣系統(tǒng)底事件的失效率分別為：

計(jì)算得出頂事件發(fā)生概率為2.6058×10-4，意為氧氣系統(tǒng)正常工作1000h出現(xiàn)飛行員吸不到氧氣的概率約為0.00026。從計(jì)算結(jié)果可知，采用了備份氧源和應(yīng)急氧源的某型飛機(jī)氧氣系統(tǒng)出現(xiàn)飛行員吸不到氧氣的故障率較低，符合使用需求。

3.2 底事件概率重要度

底事件概率重要度表示第i個(gè)底事件發(fā)生概率引起的變化導(dǎo)致頂事件發(fā)生概率的程度。通過對(duì)每個(gè)底事件概率重要度的對(duì)比，可以找出可為系統(tǒng)帶來最大改進(jìn)的部件。本文用減支法來計(jì)算底事件概率重要度，減支法的思路為：令底事件的發(fā)生概率Ei=l和0，分別代入馬爾可夫鏈概率公式，求出整個(gè)系統(tǒng)的故障概率PT（Ei=l）和PT（Ei=0），兩數(shù)相減即為該底事件的概率重要度。

這種使用復(fù)雜的馬爾可夫鏈轉(zhuǎn)移公式求底事件概率重要度的方法其計(jì)算過程較復(fù)雜，為節(jié)省空間，本文使用Matlab軟件對(duì)公式進(jìn)行編程，代入數(shù)據(jù)后計(jì)算底事件概率重要度，如表1所示。

對(duì)表1進(jìn)行排序，可以準(zhǔn)確得出概率重要度最大的前三個(gè)底事件是E3（氧源轉(zhuǎn)換器故障）、E4（應(yīng)急手柄失效）和E5（應(yīng)急儲(chǔ)氣瓶漏氣），這就是需要機(jī)務(wù)重點(diǎn)維護(hù)和檢查的部件。通過降低事件E3、E4和E5的故障概率即可在一定程度上降低頂事件的發(fā)生概率，從而減小系統(tǒng)的故障率。

尤其應(yīng)重點(diǎn)提高概率重要度最大的E3故障的可靠性，此型飛機(jī)主氧源采用的是先進(jìn)的分子篩變壓吸附技術(shù)，其可靠性不如傳統(tǒng)的用氧氣瓶儲(chǔ)存氧氣的方法。飛行過程中，如果正常氧分壓突然低于報(bào)警值時(shí)，系統(tǒng)將由氧源轉(zhuǎn)換器自動(dòng)轉(zhuǎn)為備用氧。本文開頭提到的飛行中出現(xiàn)的氧氣系統(tǒng)故障問題正是這種情況?？梢?，氧源轉(zhuǎn)換器是整個(gè)氧氣系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，降低其故障率可以有效避免飛行員發(fā)生“無法呼吸”的危險(xiǎn)狀況。

若將λE3的故障率由原來的5×10-5h-1提高到1×10-5h-1，代入公式計(jì)算，求得頂事件發(fā)生概率為5.264×10-5，頂事件發(fā)生概率縮小為原來的1/5，有效降低了整個(gè)系統(tǒng)的故障率。

3.3 動(dòng)態(tài)故障樹定量分析的特點(diǎn)

1）可以分析靜態(tài)故障樹不能處理的一些問題。對(duì)于具有動(dòng)態(tài)性、冗余性、相關(guān)性的復(fù)雜問題，動(dòng)態(tài)邏輯門能更加清楚地表示故障發(fā)生的順序和原因，故障邏輯清晰準(zhǔn)確。

4 總結(jié)

本文對(duì)某型飛機(jī)氧氣系統(tǒng)工作情況進(jìn)行了分析，以飛行員吸不到氧氣為頂事件選用順序相關(guān)門為邏輯門畫出動(dòng)態(tài)故障樹，對(duì)故障樹進(jìn)行了定量分析；使用馬爾科夫轉(zhuǎn)移鏈概率計(jì)算公式，求解頂事件發(fā)生概率；選用減支法計(jì)算底事件概率重要度，準(zhǔn)確找出系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)，有針對(duì)性地提出改進(jìn)方案。動(dòng)態(tài)故障樹可以準(zhǔn)確分析復(fù)雜系統(tǒng)故障模式，其定量分析的計(jì)算結(jié)果精確，可作為機(jī)務(wù)維護(hù)保養(yǎng)和例行檢查的參考數(shù)據(jù)，也可為飛機(jī)研制、生產(chǎn)和大修的廠所提供第一手分析數(shù)據(jù)。

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作者簡介

張大信，碩士研究生，研究方向：航空裝備作戰(zhàn)運(yùn)用與保障。