可靠性設計在民用飛機設計中的應用

中航飛機研發(fā)中心結構所 陳 磊 張云文 陳永利

可靠性設計在民用飛機設計中的應用

中航飛機研發(fā)中心結構所 陳 磊 張云文 陳永利

飛機的可靠性彰顯飛機的質量，飛機效能、壽命周期、費用都由飛機可靠性決定。運用飛機的可靠性相關理論，可為民用飛機的設計提供技術與思想指導。民用飛機可靠性設計的宗旨在于提升飛機的可靠度，降低運營費用，保證飛機的經(jīng)濟適用性以及市場競爭能力。隨著我國綜合國力的發(fā)展，我國民航運輸業(yè)也得到了空前的發(fā)展，民用飛機的制造與生產(chǎn)面臨著新的發(fā)展機遇。民用飛機在設計中運用了三種設計方法，即冗雜設計、成熟技術及標準化設計。從而為飛機飛行的安全性和可靠性提供保障。為了使飛機平均故障間隔時間與簽派可靠度達到民用飛機設計要求，我們可以通過可靠性分析來進行求證，希望能為處于設計階段的民用飛機各系統(tǒng)可靠性指標的定量預計提供借鑒與指導。

飛機可靠性；民用飛機設計；飛機平均故障間隔時間；簽派可靠度

20世紀70年代,我國民用飛機的可靠性工程開始萌芽,在90年代開始全面發(fā)展。在此期間,民用飛機可靠性工程發(fā)展緩慢。近年來,國際間民用航空業(yè)的合作加強、競爭加劇,我國航空工業(yè)取得了一定的發(fā)展。飛機的可靠性逐漸受到人們的重視,但由于國內(nèi)缺乏從事可靠性研究的專業(yè)工作人員,航空公司在數(shù)據(jù)收集方面的欠缺等原因,我國可靠性研究水平還比較低,同發(fā)達國家相比還存在很大的差距。在我國的民用飛機可靠性研究方面,還需要進行更加全面和深入的探索?？煽啃詰醚芯磕軌虮ＷC飛機安全運行,并推動航空公司經(jīng)濟效益的實現(xiàn)。當今社會,國、內(nèi)外航空市場的競爭日益激烈,開展“可靠性設計在民用飛機中的應用”這一課程研究具有重大的現(xiàn)實意義和廣闊的應用前景。

1 概述可靠性

可靠性指在規(guī)定的時間和條件內(nèi),產(chǎn)品完成規(guī)定功能的效力。它包括三大要素：規(guī)定時間、規(guī)定條件、規(guī)定功能?？煽啃允钱a(chǎn)品耐久性、維修性、無故障性、經(jīng)濟性以及有效性的體現(xiàn)。規(guī)定時間指產(chǎn)品規(guī)定的任務時間。同一產(chǎn)品使用時間范圍不同,產(chǎn)品的可靠性水平也不同。它取決于產(chǎn)品的特性。規(guī)定條件指產(chǎn)品使用時的環(huán)境條件、維修條件與工作條件等,如濕度、溫度。同一產(chǎn)品規(guī)定的條件不同,可靠性水平也不同。規(guī)定功能指產(chǎn)品規(guī)定的必備的功能和技術指標。產(chǎn)品可靠性指標的高低與其功能的多少、技術指標的高低成正比。

2 可靠性設計目標與方法

目標：民用飛機可靠性設計目標是提高飛機運行效率與飛機質量,減少航空公司運營成本。方法：①冗雜設計：民用飛機安全性影響大的設備通常有多套備份,在一套設備出現(xiàn)故障的情況下,其他的備份設備可以保障飛機各項功能的正常,從而避免航空公司的運營受其影響。②成熟技術：民用飛機設備運用了許多國內(nèi)外民用飛機的技術和貨架產(chǎn)品,在其性能、安全性、外形等達到要求的情況下,能夠有效提高系統(tǒng)的可靠性。③標準化設計：為提高飛機設備的可靠性和安全性,民用飛機在設計時采用成熟的標準零件、材料和加工工藝。

3 可靠性設計指標

可靠性指標主要分為平均故障間隔時間(MTBF)與簽派可靠度(DR)指標兩部分。平均故障間隔時間也稱作基本可靠性指標,是用來描述系統(tǒng)、分系統(tǒng)和設備、零部件可靠性的一種參數(shù)。在民用飛機可靠性設計中,作為基本可靠性指標的平均故障間隔時間是系統(tǒng)、分系統(tǒng)和設備進行可靠性設計時關注度最高的指標,其度量方法為：在規(guī)定的時間內(nèi),產(chǎn)品飛行小時的累計數(shù)除以同一時間內(nèi)故障發(fā)生次數(shù)的總數(shù),也可用其倒數(shù)()表示。簽派可靠度又稱為派遣可靠度,是民用可靠性設計中最重要的指標之一。指在飛機運營時間內(nèi),未取消航班或因技術原因延誤航班而運營離站的百分數(shù)。技術延誤指當飛機的設備或部件出現(xiàn)工作異常時,因必要的檢查或修理延遲了飛機最后離站的時間,一般超過預定的離站時間是15min。簽派可靠度=1-出勤延誤率。

4 可靠性基本模型

在對民用飛機可靠性指標進行預計時,需在飛機與其各個系統(tǒng)之間和各系統(tǒng)與設備之間的故障建立邏輯關系模型。通常情況下使用可靠性串聯(lián)模型。其數(shù)學模型關系式如下：

其中：

Ri(t)——產(chǎn)品可靠度;

Ri(t)——第i個單元的可靠度。

假設產(chǎn)品各單元的故障時間服從指數(shù)分布,其可靠度計算方法如下

5 可靠性設計指標分配方法

將飛機整體的設計要求、航空公司運營數(shù)據(jù)作為依據(jù),計算飛機各系統(tǒng)可靠性分配值在飛機可靠性指標中所占的比重,分配各系統(tǒng)的可靠性指標,以部件制造商提交的數(shù)據(jù)為參考修正分配值,確定各系統(tǒng)的可靠性指標。若飛機和全機各系統(tǒng)的故障率與指數(shù)分布相符,其公式如下：

6 可靠性分析

6.1 系統(tǒng)MTBT分析

系統(tǒng)MTBT以各系統(tǒng)部件故障率代數(shù)和的倒數(shù)表示,運營公司統(tǒng)計數(shù)據(jù)決定了成熟的貨架飛機各系統(tǒng)部件的MTBF值。在設定的時間內(nèi)與條件下,產(chǎn)品累計飛行時間除以同一時間內(nèi)的故障總數(shù)表示系統(tǒng)部件MTBF值,如表1所示。設計的新產(chǎn)品,部件的MTBF值應借鑒類件的故障率進行相關計算。

表1 系統(tǒng)MTBF統(tǒng)計表

6.2 簽派可靠度分析

簽派可靠度(DR)等于系統(tǒng)內(nèi)各部件簽派可靠度的乘積,如以下公式所示,部件的簽派可靠度與其維修更換時間、部件MTBF、部件出現(xiàn)故障時飛機能否繼續(xù)派遣等因素有關。

DR系統(tǒng)=DR部件1×DR部件1×部件1×...×DR部件N

7 結束語

隨著現(xiàn)代科學技術的進步,我國民用航空業(yè)飛速發(fā)展。中國由航空大國發(fā)展為航空強國,由民用飛機的采購大國發(fā)展為民用飛機制造大國,幾代航天人的夢想得以實現(xiàn),人們對民用飛機可靠性的關注度越來越高。民用飛機可靠性指標的分析能夠檢測設計要求能否達到可靠性指標,還能為可靠性增長試驗提供相關數(shù)據(jù),并為安全性評估提供定量計算依據(jù),幫助計算。簽派可靠度,能夠直接反應其市場運營狀況,影響飛機的可靠性水平,是民用飛機可靠性設計中最核心的指標之一。本文從可靠性的概念、設計目標、方法等相關理論出發(fā),提出了一系列飛機可靠性設計指標、可靠性基本模型與指標分配方法,希望能夠在民用飛機設計階段對飛機各系統(tǒng)的可靠度建設發(fā)揮指導性作用。

[1]劉曉東,張恒喜．飛機可靠性與研制費用相關關系研究[J]．空軍工程大學學報(自然科學版),2000,1(1):63-66．

[2]何鐘武．某型飛機可靠性外場驗證評估與分析[J]．洪都科技,2002,(3):18-21．

[3]何鐘武,姜同敏．飛機大系統(tǒng)及機載設備可靠性外場驗證分析[C]．航空可靠性工程進展暨可靠性工程專業(yè)委員會第9屆學術年會論文集．2003:431-435．

[4]王超,閆永剛,劉清饒等．可靠性分析及其在飛機零件分布中的應用[J]．電腦知識與技術,2012,8(25):6149-6151．

[5]姬長法,李國豐,張海周等．軍用飛機開展可靠性工作的工程方法研究[J]．洪都科技,2010,(4):71-74．