飛機(jī)阻力傘意外打開可靠性分析

馮蘊(yùn)雯, 郝恒, 薛小鋒, 魏宇宏

(1.西北工業(yè)大學(xué) 航空學(xué)院, 陜西 西安 710072; 2.中航飛機(jī) 西安飛機(jī)分公司, 陜西 西安 710089)

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飛機(jī)阻力傘意外打開可靠性分析

馮蘊(yùn)雯1, 郝恒1, 薛小鋒1, 魏宇宏2

(1.西北工業(yè)大學(xué) 航空學(xué)院, 陜西 西安 710072; 2.中航飛機(jī) 西安飛機(jī)分公司, 陜西 西安 710089)

阻力傘通常都設(shè)計(jì)成傘艙門打開阻力傘自動(dòng)放出,針對(duì)飛機(jī)阻力傘艙門意外打開故障,以阻力傘機(jī)構(gòu)工作原理為基礎(chǔ),分析得到導(dǎo)致該故障模式的故障原因分別為動(dòng)力源失效、使用中安全鎖定深度不夠、彈性元件共振和構(gòu)件強(qiáng)度剛度不足等,構(gòu)建了阻力傘意外打開故障樹,提出了相應(yīng)的可靠性分析模型。對(duì)某型飛機(jī)阻力傘意外打開故障開展了可靠性分析,提出了改進(jìn)建議與改進(jìn)方向，為飛機(jī)阻力傘機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供有益參考。

阻力傘;意外打開;故障樹;可靠性分析

阻力傘作為高速飛機(jī)安全著陸的重要結(jié)構(gòu)功能件,意外開傘或不能開傘均是其重要故障,特別是意外開傘更可能引起重大飛行事故。飛機(jī)完成訓(xùn)練和作戰(zhàn)任務(wù)后返場(chǎng)著陸,打開阻力傘,能立即產(chǎn)生很大的減速力,輔助機(jī)輪剎車,使飛機(jī)減速,縮短飛機(jī)著陸滑跑距離[1]。若飛機(jī)在起飛滑跑、正常飛行過程中阻力傘艙門意外打開導(dǎo)致開傘,飛機(jī)阻力會(huì)突然增大從而導(dǎo)致飛機(jī)失去控制,嚴(yán)重威脅飛行安全[2]。

目前針對(duì)阻力傘機(jī)構(gòu)的研究主要集中在實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)功能和確定機(jī)構(gòu)形式的阻力傘機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方面,如文獻(xiàn)[3]對(duì)阻力傘設(shè)計(jì)要求、機(jī)構(gòu)組成及工作原理進(jìn)行了詳細(xì)闡述,文獻(xiàn)[2,4-6]根據(jù)阻力傘使用反饋及故障分析,對(duì)阻力傘機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì),僅有文獻(xiàn)[1]對(duì)阻力傘可靠性評(píng)定時(shí)需要考慮的零部件可靠性、操作可靠性和多次使用可靠性的問題做了簡(jiǎn)單討論。也有一些學(xué)者對(duì)衛(wèi)星、飛船降落傘系統(tǒng)進(jìn)行了可靠性指標(biāo)分配及可靠性評(píng)估方法研究,文獻(xiàn)[7]對(duì)自動(dòng)打開式降落傘進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)時(shí)按照“比例分配法”對(duì)可靠性指標(biāo)進(jìn)行分配;文獻(xiàn)[8-10]對(duì)降落傘系統(tǒng)可靠性評(píng)估方法進(jìn)行了研究,給出了多種形式的降落傘系統(tǒng)可靠性評(píng)估方法,文獻(xiàn)[11]在分析飛船降落傘系統(tǒng)自身特點(diǎn)和冷貯備模型局限性的基礎(chǔ)上,采用事件樹方法,建立了更為精確的飛船降落傘系統(tǒng)的可靠性模型。目前尚未見到通過故障原因及故障機(jī)理對(duì)阻力傘或者降落傘進(jìn)行可靠性分析的相關(guān)報(bào)道,鑒于飛機(jī)阻力傘意外打開會(huì)嚴(yán)重威脅飛行安全的事實(shí),有必要探討飛機(jī)阻力傘艙門意外打開的故障原因,進(jìn)而為高可靠的阻力傘機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論參考。

1 阻力傘機(jī)構(gòu)放傘工作原理

阻力傘安裝在機(jī)身尾部,打開機(jī)構(gòu)工作原理如圖1所示。

在飛機(jī)著陸時(shí),駕駛員操縱放傘按鈕,阻力傘機(jī)構(gòu)的放傘爆燃管爆炸,推動(dòng)頂桿將鎖定拉桿從拉桿槽中頂出,阻力傘艙門打開,阻力傘靠自重從傘艙掉下打開。

彈簧的作用是在艙門鎖定狀態(tài)給拉桿提供鎖定力,使拉桿保持在鎖定位置;標(biāo)志桿的作用是在艙門關(guān)閉鎖定狀態(tài)下從外部目視艙門是否鎖定到位;定位銷在艙門打開關(guān)閉時(shí)起到限制拉桿位置的作用;卡環(huán)打有通孔,拉桿從通孔中穿過,卡環(huán)的作用是約束拉桿運(yùn)動(dòng)軌跡,使拉桿只能沿直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

2 阻力傘艙門意外打開故障原因分析

結(jié)合阻力傘放出機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)組成和工作原理,分析得到阻力傘艙門意外打開的故障原因,將故障原因按照失效模式不同分為以下4類:

1) 動(dòng)力源失效

阻力傘放出機(jī)構(gòu)的動(dòng)力源為爆燃管,動(dòng)力源失效指爆燃管在起飛滑跑或空中飛行過程中意外啟動(dòng),推動(dòng)頂桿將鎖定拉桿從拉桿槽中頂出,導(dǎo)致阻力傘艙門意外打開。

2) 使用中安全鎖定深度不夠

飛機(jī)正常飛行過程中,向前的航向過載會(huì)使拉桿向后運(yùn)動(dòng),導(dǎo)致拉桿鎖定深度減小;飛機(jī)在飛行過程中會(huì)受到發(fā)動(dòng)機(jī)和氣流動(dòng)壓帶來的隨機(jī)振動(dòng),拉桿在隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境下會(huì)在拉桿鎖定方向產(chǎn)生往復(fù)位移,導(dǎo)致拉桿鎖定深度減小;放出機(jī)構(gòu)尺寸公差也會(huì)影響拉桿鎖定的實(shí)際深度。

在實(shí)際使用過程中,過載、隨機(jī)振動(dòng)、尺寸公差3個(gè)因素之間相互耦合,共同導(dǎo)致拉桿鎖定深度減小。當(dāng)鎖定深度減小到小于安全鎖定深度時(shí),阻力傘艙門鎖定處于不安全狀態(tài),艙門極易意外打開。

3) 彈性元件共振

當(dāng)拉桿與彈簧組成的彈簧質(zhì)量系統(tǒng)的固有頻率與阻力傘艙受到的外激勵(lì)頻率一致時(shí)會(huì)產(chǎn)生共振,共振增大了阻力傘艙門意外打開的可能。阻力傘艙受到的外激勵(lì)有阻力傘艙附近振源和傘艙所在位置機(jī)體的振動(dòng)。

4) 構(gòu)件強(qiáng)度剛度不夠

構(gòu)件強(qiáng)度剛度不夠包括彈簧疲勞破壞、拉桿失穩(wěn)、定位銷屈服及拉桿沖擊失效,這些失效模式都會(huì)導(dǎo)致拉桿鎖定失效,阻力傘艙門意外打開。

將上述阻力傘艙門意外打開故障原因匯總?cè)绫?所示。

表1 阻力傘艙門意外打開故障原因

3 阻力傘艙門意外打開可靠性建模

3.1 阻力傘艙門意外打開故障樹構(gòu)建

考慮阻力傘意外打開故障模式作為故障樹的頂事件,根據(jù)上文分析的失效原因及各失效因素之間的邏輯關(guān)系,得到了阻力傘艙門意外打開故障樹如圖2所示。

圖2 阻力傘艙門意外打開故障樹

該故障樹共有8個(gè)底事件,各底事件之間可認(rèn)為是相互獨(dú)立的。

3.2 阻力傘艙門意外打開多模式可靠性分析模型

運(yùn)用最小割集分析方法,由阻力傘艙門意外打開故障樹可以得到該故障樹的全部最小割集:

各最小割集發(fā)生概率分別為P(K1)、P(K2)、……、P(K8),頂事件發(fā)生的概率為PT1,為各最小割集發(fā)生概率之和。

則頂事件阻力傘艙門意外打開的發(fā)生概率

3.3 阻力傘艙門意外打開故障樹底事件可靠性建模

在所有底事件中,爆燃管作為成品件,其故障率PX1可以由供應(yīng)商提供,但其他由設(shè)計(jì)部門所研制的拉桿機(jī)構(gòu)、彈簧、定位銷等部件的失效概率需通過合理的可靠性建模并求解得到。具體模型參數(shù)(均值、方差、分布形式)可依據(jù)阻力傘機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案、規(guī)范或前期工作積累的數(shù)據(jù)來確定。

該阻力傘艙門意外打開故障樹各底事件可靠性模型及功能函數(shù)構(gòu)建如表2所示。

表2 阻力傘艙門意外打開故障樹底事件可靠性模型

4 飛機(jī)阻力傘艙門意外打開可靠性分析

以某型飛機(jī)阻力傘艙門系統(tǒng)為例,開展相應(yīng)的可靠性分析。該阻力傘機(jī)構(gòu)故障樹如前述圖2所示,構(gòu)建的各底事件可靠性分析模型見表2。

這里以拉桿鎖定失效可靠性分析為例給出具體的計(jì)算分析過程,限于篇幅,其他底事件可靠性模型求解過程可參考相關(guān)可靠性計(jì)算方法,這里不再贅述。

拉桿鎖定失效的功能函數(shù)為δ=H-δmax-S-δS,公式中各尺寸變量符號(hào)含義見表2,功能函數(shù)中各隨機(jī)變量的確定如下。

1) 含公差的拉桿鎖定深度H

拉桿鎖定深度H可以通過拉桿機(jī)構(gòu)的定位關(guān)系和尺寸傳遞關(guān)系計(jì)算得到,拉桿鎖定示意圖如圖3所示。

圖3 拉桿鎖定示意圖

當(dāng)拉桿兩端有一端從拉桿槽中脫出時(shí)即認(rèn)為拉桿鎖定失效,經(jīng)計(jì)算,拉桿右端鎖定深度較小,拉桿鎖定深度取右端鎖定深度,即

H=L3+L2+X-L=12mm

2) 過載導(dǎo)致的彈簧變形增量δmax

設(shè)計(jì)采用的拉桿彈簧剛度k=3.29 N/mm,拉桿質(zhì)量m=0.63 kg,彈簧原長(zhǎng)L=75 mm,阻力傘艙門鎖定時(shí)彈簧長(zhǎng)度L1=57 mm,飛機(jī)正航向最大過載為1.5 g,所以艙門鎖定時(shí)彈簧力F=k(L-L1)=59.22 N,飛機(jī)最大過載時(shí)彈簧受到向后的慣性力F慣=ma=9.45 N,小于鎖定時(shí)彈簧支持力59.22 N,所以δmax=0。

3) 隨機(jī)振動(dòng)下拉桿的位移響應(yīng)S

阻力傘艙受到的隨機(jī)振動(dòng)是均值為0的平穩(wěn)隨機(jī)過程,因而拉桿的隨機(jī)振動(dòng)位移響應(yīng)均值為0[12]。

阻力傘艙受到的加速度功率譜密度值為0.05 g2/Hz,頻率范圍為15～2 000 Hz。通過振動(dòng)有限元軟件分析[13],可得到拉桿在隨機(jī)振動(dòng)下的位移標(biāo)準(zhǔn)差σS=0.92 mm。

4) 最小安全鎖定深度δs

取名義鎖定深度的30%,即δS=0.3，H=3.6 mm,σδS=0.03 mm。

依據(jù)實(shí)際情況,與拉桿鎖定失效有關(guān)的各隨機(jī)變量均可視作正態(tài)分布,在確定了功能函數(shù)中各隨機(jī)變量的均值和標(biāo)準(zhǔn)差后,依據(jù)可靠性一次二階矩法求解可獲得拉桿鎖定失效的可靠性系數(shù)[14]

拉桿鎖定失效的概率

阻力傘艙門意外打開故障樹下的其他6個(gè)底事件的失效概率分析結(jié)果如表3所示。

表3 阻力傘艙意外打開各底事件失效概率

阻力傘艙門意外打開頂事件的發(fā)生概率為

考慮飛機(jī)阻力傘艙門意外打開會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的事故等級(jí),通常要求其發(fā)生事故的概率小于10-5/飛行小時(shí),本例中阻力傘艙門意外打開的概率為6.51×10-3,不滿足可靠性指標(biāo)要求,需要對(duì)失效概率較大的爆燃管意外啟動(dòng)、定位銷失效2個(gè)底事件進(jìn)行改進(jìn)。

具體改進(jìn)建議如下:

1) 針對(duì)爆燃管意外啟動(dòng)概率較大,建議更換意外啟動(dòng)概率更低的爆燃管。

2) 針對(duì)定位銷失效概率較大,可以選用屈服強(qiáng)度更大的定位銷材料,如38Cr2Mo2VA(1 470 MPa),重新計(jì)算后定位銷失效概率為4.63×10-17;或者增大定位銷直徑,考慮定位銷為標(biāo)準(zhǔn)件,選取定位銷直徑為8 mm(原設(shè)計(jì)為6 mm),重新計(jì)算后定位銷失效概率為2.39×10-19,滿足可靠性指標(biāo)要求。

5 結(jié) 論

1) 本文以飛機(jī)阻力傘機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象,結(jié)合機(jī)構(gòu)可靠性分析方法,針對(duì)阻力傘艙門意外打開故障模式,建立了一種飛機(jī)阻力傘機(jī)構(gòu)可靠性分析方法,該方法可為飛機(jī)阻力傘機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供有益參考;

2) 以阻力傘機(jī)構(gòu)工作原理為基礎(chǔ),分析得到導(dǎo)致該故障模式的故障原因分別為動(dòng)力源失效、使用中安全鎖定深度不夠、彈性元件共振和構(gòu)件強(qiáng)度剛度不足等,構(gòu)建了阻力傘意外打開故障樹,提出了相應(yīng)的可靠性分析模型及求解方法;

3) 以某型機(jī)阻力傘機(jī)構(gòu)為例進(jìn)行具體可靠性計(jì)算,得到不滿足可靠性要求的底事件有2個(gè),即爆燃管意外啟動(dòng)和定位銷失效;并提出了具體的改進(jìn)建議與方案。

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Airplane Drag Chute Accidental Open Reliability Analysis

Feng Yunwen1, Hao Heng1, Xue Xiaofeng1, Wei Yuhong2

1.School of Aeronautics, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710072, China 2.AVIC Aircraft Xi′an Aircraft Branch,Xi′an 710089,China

Airplane drag chute opens automatically when the door opens. Based on working principle, failure causes of the accidental open of an airplane drag chute include failure of power source, lack of safe lock depth, resonance of elastic element, and lack of strength and stiffness. Then the article builds the fault tree and raises relevant reliability analysis model. Citing airplane drag chute system of a certain plane as an example, we do the accidental open reliability analysis and raise improving suggestions. The work can provide reference on the mechanism design for airplane drag chute system.

drag chute; accidental open; fault tree; reliability analysis

2016-04-12

國(guó)家自然科學(xué)基金(10577015)與民用飛機(jī)專項(xiàng)科研技術(shù)研究項(xiàng)目(MJZ-2014-F-06)資助

馮蘊(yùn)雯(1968—),女,西北工業(yè)大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師,主要從事飛行器結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)與分析研究。

V226

A

1000-2758(2016)05-0761-06