張亞娟，吳敬濤，鄧文亮，王紅斌

（中國飛機強度研究所，西安 710065）

引言

飛機實驗室高溫試驗是以一架可飛行的全狀態(tài)飛機為研究對象，在實驗室內(nèi)模擬極端高溫環(huán)境，考核飛機高溫環(huán)境適應性能力；同時獲取其地面保障設(shè)備耐高溫環(huán)境極限能力信息，并根據(jù)研制要求、失效判據(jù)及試驗數(shù)據(jù)對其高溫環(huán)境適應性進行綜合評價，確定其高溫環(huán)境適應性能力是否滿足設(shè)計要求；發(fā)現(xiàn)飛機與高溫氣候環(huán)境相關(guān)的飛行安全缺陷，可為飛機的設(shè)計優(yōu)化與工藝改進提供支持，從而有效降低飛機試飛風險，提高試飛效率，縮短試飛周期。

試驗系統(tǒng)可靠性是指在要求的試驗條件下和試驗持續(xù)時間內(nèi)，實驗室各環(huán)境模擬系統(tǒng)能完成規(guī)定功能的能力，即實驗室各系統(tǒng)在要求的試驗條件下和試驗持續(xù)時間內(nèi)不出現(xiàn)故障或者能保持正常工作的概率[1]。飛機實驗室高溫試驗系統(tǒng)包括的子系統(tǒng)多，且各子系統(tǒng)關(guān)聯(lián)關(guān)系復雜。在試驗過程中，若有某個系統(tǒng)或設(shè)備出現(xiàn)故障，極可能引起環(huán)境條件超差，造成飛機遭遇超出其設(shè)計指標以外的極端氣候環(huán)境的作用而出現(xiàn)損壞，或環(huán)境條件未達到試驗要求，使得試驗結(jié)果無效。

1 影響高溫試驗系統(tǒng)可靠性的主要系統(tǒng)

1.1 高溫試驗系統(tǒng)工作原理

高溫試驗系統(tǒng)熱量傳輸系統(tǒng)工作原理圖如圖1所示。高溫試驗系統(tǒng)的熱源由室外的幾臺蒸汽鍋爐產(chǎn)生，分別輸送給載冷載熱系統(tǒng)和發(fā)動機補氣系統(tǒng)；載冷載熱系統(tǒng)為閉式循環(huán)系統(tǒng)，將制冷系統(tǒng)產(chǎn)生的冷量和由蒸汽鍋爐輸送的熱量轉(zhuǎn)送給循環(huán)風系統(tǒng)和新風系統(tǒng)；循環(huán)風系統(tǒng)對循環(huán)空氣進行直接溫度和濕度處理，將處理好的空氣再送入環(huán)境室，調(diào)節(jié)環(huán)境室內(nèi)的溫濕度；新風系統(tǒng)將室外空氣進行升溫和除濕，然后再送入循環(huán)風系統(tǒng)，與循環(huán)風系統(tǒng)共同調(diào)節(jié)實驗室濕度，維持實驗室內(nèi)保持微正壓；微正壓系統(tǒng)的主要功能是配合新風系統(tǒng)共同控制室內(nèi)壓力和溫濕度；集成控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)各系統(tǒng)的運行，控制各設(shè)備的開啟和中斷等，以實現(xiàn)環(huán)境室溫濕度環(huán)境[2]。

圖1 高溫試驗系統(tǒng)工作原理圖

1.2 高溫試驗系統(tǒng)可靠性分析

由高溫試驗系統(tǒng)工作原理可知，載冷載熱系統(tǒng)是熱量及冷量傳輸?shù)年P(guān)鍵性系統(tǒng)，同時也是結(jié)構(gòu)復雜，故障率較高的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含3套獨立的子系統(tǒng)：

1）30 %乙二醇常溫載冷系統(tǒng)，載冷劑為30 %乙二醇水溶液，簡稱為乙二醇系統(tǒng)；

2）LM-8中高溫載冷載熱系統(tǒng)，載冷劑為LM-8，簡稱為LM-8系統(tǒng)；

3）二氯甲烷低溫載冷系統(tǒng)，載冷劑為二氯甲烷，簡稱為二氯甲烷系統(tǒng)。

由載冷載熱系統(tǒng)的組成可知，乙二醇系統(tǒng)和二氯甲烷系統(tǒng)負責冷量的傳輸，其子系統(tǒng)LM-8中高溫載冷載熱系統(tǒng)主要負責熱量的傳輸，LM-8中溫載冷載熱系統(tǒng)包括載冷劑泵、氣動閥門、定壓罐、電加熱器等，這些設(shè)備的正確操作和檢查維護是高溫試驗正常運行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文以LM-8中溫載冷載熱系統(tǒng)為結(jié)構(gòu)重要度，構(gòu)建實驗室高溫試驗系統(tǒng)可靠性框圖見圖2。

圖2 實驗室高溫試驗系統(tǒng)可靠性框圖

2 高溫試驗系統(tǒng)典型故障統(tǒng)計分析

統(tǒng)計分析實驗室高溫試驗系統(tǒng)故障模式、故障原因分析及采取措施如表1所示。

通過學習藝術(shù)教育的授課方式，由起初的主題式教學，激發(fā)學生去切身體驗感受繪畫主題與生活的結(jié)合；也慢慢的加入不同的教學方式。藝術(shù)教育對于教學方法的研究很完備，從而我們在課程中運用了滲透式的教學方式，即在繪畫的同時滲透到孩子們所學習到的其他的學科門類，例如我們在繪畫以“海底世界”為主題的課程時，結(jié)合孩子們所學的數(shù)學圖形，讓孩子們自行想象添加幾何圖形的元素繪畫；我們作為引導者，最后再進行技巧的教學，使得孩子們本身的生動畫面更加豐富完整。

從表1可以看出，以上故障發(fā)生的原因主要有三方面：

表1 高溫試驗可能出現(xiàn)的故障特征和采取措施

1）設(shè)備故障，比如混溫調(diào)節(jié)閥故障、溫度傳感器故障、回風口格柵堵塞、冷卻水閥門故障；

2）操作失誤，這主要與操作人員經(jīng)驗不足，對閥門的開度大小控制不當，比如蒸汽閥開度過大過小、載冷劑溫度過低或過高；

3）管理失誤，設(shè)備沒有嚴格按要求檢查維護，比如Y型過濾器堵塞、回風口格柵堵塞等。

3 基于故障樹法的高溫試驗系統(tǒng)典型故障分析

3.1 故障樹分析法（FTA）

針對系統(tǒng)故障問題，把系統(tǒng)的故障癥狀或不正常工作情況都定義為故障事件。一般把所研究系統(tǒng)發(fā)生的故障設(shè)置在故障樹頂端，稱為頂事件；把故障樹分析中得到的結(jié)果事件，設(shè)置在故障樹底端，稱為底事件；把引起各級故障事件發(fā)生的所有原因事件，設(shè)置在故障樹中間，稱為中間事件，故障樹分析方法就是把頂事件、中間事件和底事件之間的因果關(guān)系按樹狀逐級細化關(guān)聯(lián)的分析方法[3]。

故障樹分析法主要包括如下步驟：

1）構(gòu)建故障樹；

2）建立故障樹的數(shù)學模型；

3）分析系統(tǒng)可靠性故障樹。

分析方法包括定性分析和定量分析，定性方法是分析故障樹中所有引發(fā)頂事件的最小割集（即故障模式）；定量方法是確定底事件的故障分布及其參數(shù)、底事件發(fā)生的概率等，進而求出頂事件發(fā)生的概率。

3.2 故障樹的構(gòu)建

通過故障樹的建立，能夠充分了解系統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)型，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運行中的薄弱點，為系統(tǒng)的改進、使用和維護提供技術(shù)支持，同時提高系統(tǒng)的可靠性、可維護性和安全性[4]。

由于實驗室高溫試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜、設(shè)備眾多，故需要通過分析高溫試驗系統(tǒng)的工作原理及各設(shè)備關(guān)聯(lián)關(guān)系，統(tǒng)計分析系統(tǒng)中設(shè)備故障次數(shù)和故障模式等資料，來構(gòu)建高溫系統(tǒng)可靠性總分式故障樹。設(shè)置高溫試驗系統(tǒng)工作異常為總故障樹頂事件，總分式故障樹見圖3～9。

圖3 高溫試驗系統(tǒng)總故障樹

3.3 故障樹模型分析

FTA是安全系統(tǒng)工程領(lǐng)域最重要的分析方法，分為定性分析和定量分析，定性分析主要是找出故障樹頂事件的所有最小割集[5]，定量分析又可分為兩種方法：第一種是計算頂部事件的發(fā)生概率，依據(jù)底事件的失效概率來推算；第二種是求出底事件的結(jié)構(gòu)重要度、概率重要度和關(guān)鍵重要度，根據(jù)重要度的大小排序得出故障診斷結(jié)果和修理先后順序。

由于氣候?qū)嶒炇腋邷卦囼炏到y(tǒng)剛剛開始運行，不能夠采集到足夠的數(shù)據(jù)，無法估算底事件失效概率，即定量分析數(shù)據(jù)不足，故暫且進行故障樹的定性分析。對圖3～9事件進行編號，得出高溫試驗系統(tǒng)故障樹的主要事件見表2。

表2 故障樹事件表

圖4 升溫過程中升溫速率偏慢分支故障樹

圖5 升溫過程中升溫速率偏快分支故障樹

4 故障樹模型的數(shù)值分析

實驗室高溫測試系統(tǒng)故障樹中共有19個最小割集，每個最小割集都為一階，對應實驗室高溫試驗系統(tǒng)分支故障樹的底事件，是確?？傁到y(tǒng)高可靠性的先決條件，因此針對底事件進行試驗前檢查和平時維護是系統(tǒng)可靠性的基礎(chǔ)。

圖6 回溫過程中降溫速率偏慢分支故障樹

圖7 回溫過程中降溫速率偏快分支故障樹

圖8 穩(wěn)態(tài)低溫送風溫度波動超過3 ℃分支故障樹

圖9 回風溫度波動較大分支故障樹

式中：

T—為頂事件發(fā)生概率；

Yi—為中間事件（i=1～6）發(fā)生概率；

Xi—為底事件（i=1～19）發(fā)生概率。

根據(jù)實驗室高溫試驗系統(tǒng)設(shè)計過程中的數(shù)據(jù)手冊，以及實驗室高溫試驗系統(tǒng)實際運行中故障統(tǒng)計分析，例如設(shè)定的事件概率值見表3。

從表3可以發(fā)現(xiàn)每一個底事件發(fā)生概率P(Xi) 都小于0.1，則19個最小割集可以看作獨立小事件。根據(jù)統(tǒng)計計算，得到實驗室高溫試驗系統(tǒng)的失效率P（T）和可靠度R如下：

表3 故障樹底事件概率值選取表

根據(jù)以上計算結(jié)果，可計算實驗室高溫試驗故障樹最小割集的概率重要度和關(guān)鍵重要度，得知X2、X4、X8、X17底事件為引發(fā)故障樹頂事件的主要事件，分析主要事件的中間事件故障模式，確定高溫試驗系統(tǒng)需要重點監(jiān)測和維護設(shè)備有混溫調(diào)節(jié)閥、載冷劑供液控制閥以及送風溫度傳感器。

5 結(jié)束語

本文以實驗室高溫試驗的工作原理及系統(tǒng)運行故障統(tǒng)計信息為基礎(chǔ)，采用總分式故障樹分析法（FTA）對氣候?qū)嶒炇腋邷卦囼炏到y(tǒng)進行可靠性分析，分析結(jié)果表明FTA與高溫試驗系統(tǒng)實際運行故障吻合度高；以“高溫試驗系統(tǒng)工作異?！?作為頂層事件，建立了高溫試驗系統(tǒng)的總分式故障樹模型，并進行了定性和半定量分析；根據(jù)最小割集的概率重要度和臨界重要度，得到導致故障樹頂事件的主要事件；可為實驗室高溫試驗系統(tǒng)的定期檢測、維護提供參考意見，確保實驗室高溫試驗系統(tǒng)的正常運行。