民機起落架安全性分析方法研究

馮蘊雯, 朱錚錚, 姚雄華, 馬萬琪, 薛小鋒

1.西北工業(yè)大學 航空學院, 陜西 西安 710072 2.中國航空工業(yè)集團公司 第一飛機設(shè)計研究院, 陜西 西安 710089

民機起落架安全性分析方法研究

馮蘊雯1, 朱錚錚1, 姚雄華2, 馬萬琪1, 薛小鋒1

1.西北工業(yè)大學 航空學院, 陜西 西安 710072 2.中國航空工業(yè)集團公司 第一飛機設(shè)計研究院, 陜西 西安 710089

以滿足民機起落架全壽命周期的安全使用為目標，結(jié)合結(jié)構(gòu)、機構(gòu)、系統(tǒng)可靠性理論，提出了一套完整的民機起落架安全性分析方法。以某型民機前起落架不能放下或放下未鎖定故障模式為例，進行了安全性分析，當分析結(jié)果不滿足安全性指標要求時，則需通過安全性靈敏度分析，開展民機起落架的安全性設(shè)計改進。該分析方法適用于飛機設(shè)計全過程，可指導起落架設(shè)計優(yōu)化，并可為民機適航取證提供技術(shù)支持。

起落架；失效模式；可靠性分析；風險分析；安全性工程

統(tǒng)計資料顯示，現(xiàn)代民機飛行事故或事故癥候大多發(fā)生在飛機的起飛與著陸階段，這也同時表明了民機起落架在民機安全使用中的重要性越來越高。

起落架的設(shè)計工作均需在保證起落架安全性的前提下開展[1-3]。目前，針對起落架的設(shè)計研究主要集中在局部的結(jié)構(gòu)、機構(gòu)、系統(tǒng)可靠性及對起落架可靠性計算過程中算法的改進等方面。如文獻[4-5]對飛機前起落架液壓收放作動筒缸筒、活塞桿末端的失效形式進行了分析，并給出了優(yōu)化建議；文獻[6]考慮飛機飛行過程中起落架應(yīng)急放機構(gòu)所承受的各種載荷對工作可靠性的影響，并開展了可靠性計算及影響性分析；文獻[7]給出了飛機起落架收放鎖系統(tǒng)的失效模式影響性分析和失效樹分析，并探討了如何確保飛機起落架收放鎖系統(tǒng)的可靠性；文獻[8]為了提高飛機起落架控制系統(tǒng)的安全性能，提出了基于馬爾科夫模型的起落架控制系統(tǒng)可靠性評估方法。但是從起落架全壽命的安全性設(shè)計要求出發(fā)，對起落架系統(tǒng)進行分析、設(shè)計及優(yōu)化的研究卻十分少見。鑒于起落架的安全性直接影響到飛機飛行安全。本文從民機起落架設(shè)計要求、適航條款規(guī)定、事故統(tǒng)計等多方面展開相應(yīng)的研究工作，結(jié)合常用的可靠性分析方法，提出了一套完整的民機起落架系統(tǒng)安全性分析方法，可為民機起落架綜合優(yōu)化與安全性設(shè)計提供技術(shù)支持。

1 民機起落架安全性指標的確定

1.1 主要故障模式及安全性影響分析

民機起落架的故障模式與其所需要完成的功能直接相關(guān)。收集了近20年因起落架故障導致的民機飛行事故[9-10]共計412起。按飛機機型分類統(tǒng)計如下：波音B7XX系列135起、空客系列65起、麥道系列43起、?？讼盗?2起、龐巴迪系列22起、ERJ系列12起、圖系列7起、其他機型106起。不同故障模式導致的事故等級[11]詳細統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。

從統(tǒng)計結(jié)果可看出，起落架不能放下引起的Ⅰ、Ⅱ類事故較多，因此需重點防范；爆胎和坍塌主要導致Ⅱ類事故，占總的Ⅱ類事故的57%，也是起落架安全性分析研究的重點。

表1 民機起落架不同故障模式導致的事故等級分布情況

1.2 安全性指標的確定

中國民用航空規(guī)章CCAR25-R4[12]中對起落架的設(shè)計做出了明確的規(guī)定和要求，例如：§25.1309a.b.c.d對起落架系統(tǒng)進行了說明；§25.729b.c.d.e對起落架收放機構(gòu)做了說明；§25.731、25.733對起落架機輪和輪胎做了說明。由于起落架系統(tǒng)復(fù)雜，適航條款的規(guī)定較多，以起落架收放機構(gòu)失效的主要故障模式、故障等級及其指標要求為例進行說明，具體情況如表2所示。(備注：適航條款是民機設(shè)計過程中需滿足的最低標準)

表2 民機起落架收放機構(gòu)主要故障模式及安全性指標要求

2 民機起落架安全性分析設(shè)計方法

2.1 民機起落架安全性分析

民機起落架安全性分析是在確定起落架主要故障模式、故障等級及對應(yīng)的安全性指標基礎(chǔ)上展開的分析研究工作，主要內(nèi)容包括：

1) 根據(jù)起落架設(shè)計指導性文件，進行系統(tǒng)的功能危險性分析(FHA)。在分析起落架工作原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合FHA分析得到的起落架系統(tǒng)災(zāi)難性、危險性及較大影響的主要故障模式，確定故障樹所需要的頂事件；

2) 對不同的故障模式、故障等級和指標開展不同的工作，例如：對故障等級為Ⅰ和Ⅱ的，需開展故障模式影響性分析(FMEA)、故障樹分析(FTA)及共因故障分析(CCA)方面的工作，其中CCA主要包含區(qū)域安全性分析(ZSA)、特定風險分析(PRA)和共模故障分析(CMA)；對故障等級為Ⅲ的，只需開展故障模式影響性分析(FMEA)和故障樹分析(FTA)；

3) 將計算的失效概率與安全性指標進行對比。若滿足指標要求，則無需調(diào)整；如不滿足指標要求，則需開展參數(shù)靈敏度分析，確定對失效概率影響較大的參數(shù)并進行調(diào)整，直到滿足安全性指標要求。

2.2 民機起落架可靠性模型的構(gòu)建和求解方法

可靠性模型的建立，需根據(jù)不同底事件的特點，建立對應(yīng)的可靠性分析模型。可靠性模型的建立主要包含參數(shù)的分布形式、參數(shù)的確定、可靠性安全邊界方程的建立、可靠性計算方法的選用等工作。

進行可靠性模型求解計算的同時，還需分類分析影響起落架可靠性安全邊界方程所涉及的各個參數(shù)及其分散性大小，確定各參數(shù)及分散性大小對起落架可靠性的影響程度，即進行可靠性靈敏度分析(主要進行局部靈敏度分析)，指出哪些參數(shù)變化導致可靠性急劇下降，并給出傾向性改進建議。

3 算 例

本文以某型民機前起落架不能放下或放下未鎖定典型故障模式為例，開展起落架安全性分析研究。某型民機前起落架主要結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。具體分析過程如下：

圖1 某型民機前起落架主要結(jié)構(gòu)示意圖

3.1 民機前起落架不能放下或放下未鎖定FHA分析

起落架收放系統(tǒng)主要完成的功能為：在飛行中按要求收起和放下起落架。對某型民機起落架收放系統(tǒng)進行FHA分析，其主要功能故障形式包含：a.起落架收起功能失效；b.起落架放下功能失效；c.起落架非指令收起；d.起落架非指令放下?，F(xiàn)將起落架收放系統(tǒng)FHA中關(guān)于前起落架不能放下或放下未鎖定的FHA分析結(jié)果匯總在表3中。

3.2 民機前起落架不能放下或放下未鎖定FMEA分析

為實現(xiàn)民機前起落架的正常放下或放下鎖定功能，對該前起落系統(tǒng)功能進行分析。限于篇幅，現(xiàn)將前起落架不能放下或放下未鎖定部分零組件FMEA分析結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表3 起落架收放系統(tǒng)中關(guān)于前起落架不能放下或放下未鎖定的FHA分析表

(備注：F4——進場；L——著陸)

表4 前起落架不能放下或放下未鎖定部分零組件FMEA分析結(jié)果

3.3 民機前起落架不能放下或放下未鎖定定性FTA分析

根據(jù)前述故障原因，假設(shè)各底事件相互獨立，可以建立某型民機前起落架不能放下或放下未鎖定故障樹如圖2和圖3所示。

對故障樹進行定性分析，可以得到前起落架不能放下或放下未鎖定的全部最小割集

K1={X1}; K2={X2}; K3={X3}; K4={X4};

K5={X5,X10};K6={X5,X11};K7={X5,X12};

K8={X5,X13};K9={X5,X14};K10={X6,X10};

K11={X6,X11};K12={X6,X12};K13={X6,X13};

K14={X6,X14};K15={X7,X10};K16={X7,X11};

K17={X7,X12};K18={X7,X13};K19={X7,X14};

K20={X8,X10};K21={X8,X11};K22={X8,X12};

K23={X8,X13};K24={X8,X14};K25={X9,X10};

K26={X9,X11};K27={X9,X12};K28={X9,X13};

K29={X9,X14};K30={X15};K31={X16};

K32={X17};K33={X18};K34={X19};

K35={X20};K36={X21};K37={X22};

K38={X23};K39={X24};K40={X25};

K41={X26};K42={X27};K43={X28};

K44={X29};K45={X30};

K46={X31};K47={X32}

假設(shè)頂事件、底事件及最小割集的概率分別表示為PT2、PXi、…、PKi。由最小割集可知,頂事件發(fā)生的概率為最小割集之和,即

圖2 某型民機起落架不能放下或放下未鎖定故障樹(1)

圖3 某型民機起落架不能放下或放下未鎖定故障樹(2)

3.4 民機前起落架不能放下或放下未鎖定定量FTA分析

為了獲得各底事件準確的失效概率,針對不同的失效情況,需建立合適的可靠性模型、確定模型參數(shù)(均值、方差、系數(shù)等)、分布形式,最后采用合理的可靠性求解方法,進行求解。需要說明的是:電機、控制單元(單片機)等成品件由供應(yīng)商提供產(chǎn)品的失效概率。該型民機前起落架不能放下或放下未鎖定底事件典型可靠性模型如表5所示。

表5 某型民機前起落架不能放下或放下未鎖定底事件典型可靠性模型說明

因篇幅有限,本文以前起落架下位鎖上鎖不到位為例給出詳細的求解過程。下位鎖機構(gòu)由鎖搖臂、鎖連桿和前撐桿上臂組成一套四連桿機構(gòu)。下位鎖上鎖原理是搖臂和連桿過中心形成自鎖。當起落架下位鎖需要上鎖時,鎖搖臂必須通過中心位置(圖4中位置B),下位鎖才能上鎖成功。由機構(gòu)運動精度可靠性模型可知,θ0>0 時表示該機構(gòu)滿足運動精度要求;θ0<0時表示該機構(gòu)不滿足運動精度要求,則有:

機構(gòu)運動精度失效概率為

Pf=P{θ0=θ-θ*<0}=φ(-βθ)

(1)

機構(gòu)運動精度可靠性系數(shù)為

(2)

圖4 起落架收起和放下機構(gòu)運動形式

由數(shù)?？傻脤嶋H尺寸如表6所示。

代入三角形余弦公式,運用蒙特卡羅法計算得到θ的均值為172.757°,標準差Sθ為0.0499°,由模型可知θ*的均值為180°,標準差Sθ*取0.2°。

表6 模型實際尺寸和標準差

將所求結(jié)果代入公式(1)、(2)可得起落架放不到位的失效概率為:PX4=5.02×10-22。

同樣,其他底事件的失效概率,可應(yīng)用表4中所述的可靠性模型和求解方法進行計算,所有底事件計算結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表7 全部底事件失效概率匯總

由于各底事件與頂事件通過邏輯門連接,將底事件失效概率代入最小割集,可求得前起落架不能放下或放下未鎖定的失效概率為

3.5 民機前起落架不能放下或放下未鎖定CCA分析

ZSA分析方面，該前起落架所在區(qū)域內(nèi)無影響其工作的相關(guān)危險源，可確保飛機前起落架的正常工作。PRA分析方面，前起落架主要包含機械系統(tǒng)、輔助電子指示系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)，所在區(qū)域遠離可能的火源、高能設(shè)備等因素的影響，因此，這些因素很難造成前起落架不能放下或放下未鎖定的事故。CMC分析方面，該前起落架不能放下或放下未鎖定故障樹中“前起落架上位鎖應(yīng)急解鎖失效”和“上位鎖正常解鎖失效”之間存在“與門”關(guān)系。這2個事件的共模故障來源，主要考慮共同的結(jié)構(gòu)傳力路線和電子路線，由于應(yīng)急解鎖機構(gòu)和正常解鎖機構(gòu)分別由機械和液壓系統(tǒng)完成，2個事件之間相互獨立，所以由共模類型引起的事件不會導致前起落架不能放下或者放下未鎖定。

綜合以上分析，該前起落架故障模式發(fā)生概率不大于所要求的前起落架不能放下或放下未鎖定可靠性指標10-7/飛行小時，計算結(jié)果符合安全性指標要求，因此無需開展可靠性靈敏度分析。

4 結(jié) 論

1)本文以民機起落架為研究對象，以結(jié)構(gòu)、機構(gòu)及系統(tǒng)可靠性分析方法為基礎(chǔ)，以滿足起落架安全性指標要求為目標，形成了一套民機起落架安全性分析方法，該方法可用于指導民機起落架機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，并能為民機適航取證提供技術(shù)支持；

2)可靠性模型的建立和求解方法的選擇，是定量計算故障模式失效概率的關(guān)鍵因素。必須基于合理的基本數(shù)據(jù)，建立易于求解的可靠性模型，同時根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗、工程實踐等方式選擇合適的可靠性解析方法。在安全性建模分析過程中，對于不能精確求解的底事件，工程經(jīng)驗和試驗數(shù)據(jù)就顯得尤為重要，需充分利用設(shè)計參數(shù)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)或工程經(jīng)驗；

3)以某型民機起落架不能放下或放下未鎖定故障模式為例，進行了具體的安全性分析，得到該故障模式下發(fā)生失效的概率，計算結(jié)果滿足相應(yīng)的安全性指標要求，驗證了該方法的可行性。

[1] 聶宏，魏小輝. 大型民用飛機起落架關(guān)鍵技術(shù)[J]. 南京航空航天大學學報,2008,40(4):427-432 Nie Hong, Wei Xiaohui. Key Technologies for Landing Gear of Large Civil Aircrafts[J]. Journal of Nanjing University of Aeronautics & Astronautics, 2008,40(4):427-432 (in Chinese)

[2] Zio E. Reliability Engineering: Old Problems and New Challenges[J]. Reliability Engineering and System Safety, 2009,94:125-141

[3] Ossa E A. Failure Analysis of a Civil Aircraft Landing Gear[J]. Engineering Failure Analysis, 2006,13: 1177-1183

[4] Leea Hongchul, Hwanga Youngha, Kimb Taegu. Failure Analysis of Nose Landing Gear Assembly[J]. Engineering Failure Analysis, 2003,10:77-84

[5] Osman Asi ,Onder Yesil. Failure Analysis of An Aircraft Nose Landing Gear Piston Rod End[J]. Engineering Failure Analysis, 2013,32: 283-291

[6] 趙勁彪，鄭香偉，馮蘊雯,等. 飛機起落架應(yīng)急放機構(gòu)可靠性分析[J]. 機械設(shè)計與制造,2014,(8):31-33 Zhao Jinbiao, Zheng Xiangwei, Feng Yunwen, et al. Reliability Analysis of Landing Gear Mechanism during Emergency Extending[J]. Machinery Design Manufacture, 2014,(8): 31-33 (in Chinese)

[7] 馮蘊雯, 國志剛, 宋筆鋒. 如何確保飛機起落架收放鎖系統(tǒng)的可靠性[J]. 西北工業(yè)大學學報，2005，23(2):171-175 Feng Yunwen, Guo Zhigang, Song Bifeng. Exploring How to Ensure Reliability of Lock System of Retracting-Lowering Landing Gear[J]. Journal of Northwestern Polytechnical University, 2005,23(2): 171-175 (in Chinese)

[8] 高志, 雷建和，張丹，等. 應(yīng)用馬爾科夫模型分析起落架的可靠性[J]. 自動化與儀器儀表, 2014,5:146-149 Gao Zhi, Lei Jianhe, Zhang Dan, et al. Using Markov Model to Analysis the Reliability of Landing Gear[J]. Automation and Instrumentation, 2014,(5):146-149 (in Chinese)

[9] 民航安全科學研究所. 世界民航事故數(shù)據(jù)庫[EB/OL]. (2014-12-12). http∥www.air-safety.net

[10] Flight Safety Foundation. Aviation Safe Network[EB/OL]. (2014-12-12). http∥www.aviation-safety.net

[11] SAE ARP4761.Guidelines and Methods for Conducting the Safety Assessment Process on Airborne Systems and Equipments[S]. America:The Engineering Society For Advancing Mobility Land Sea Air and Space，1996

[12] CCAR-25-4,中國民用航空規(guī)章第25部運輸類飛機適航標準[S]. 中國民用航空局，2011 CCAR-25-4, China Civil Avation Regulations Part 25: Transport Aircraft Airworthiness Standards[S]. Civil Aviation Administration of China, 2011 (in Chinese)

收稿日期：2016-04-18 基金項目：國家自然科學基金(11402208)與中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金項目(310201401JCQ01002)資助

作者簡介：付鵬(1989—)，西北工業(yè)大學博士研究生，主要從事微小型飛行器總體設(shè)計、風洞實驗研究。

An Effective Safety Analysis Method of Civil Aircraft Landing Gear

Feng Yunwen1, Zhu Zhengzheng1, Yao Xionghua2, Ma Wanqi1, Xue Xiaofeng1

1.School of Aeronautics, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710072, China 2.The First Aircraft Institute, Aviation Industry Corporation of Chain, Xi′an 710089, China

The goal of this paper is to meet the safe use of the whole life cycle of civil aircraft landing gear. Based on the theory of structure, mechanism and system reliability, a complete analysis method of safety of civil aircraft landing gear is given. Taking the nose landing gear failure to extend and down-lock as an example, the safety analysis is performed. When the results do not meet the requirements of the safety indicators, improved safety design of civil aircraft landing gear need to be made using sensitivity analysis. This method is application to the whole process of aircraft design. The method can guide the optimal design of landing gear and provide support for airworthiness.

landing gear; failure modes; reliability analysis; risk analysis; safety engineering

2016-06-18

國家自然科學基金(10577015)與民用飛機專項科研技術(shù)研究項目(MJZ-2014-F-06)資助

馮蘊雯(1968—)，女，西北工業(yè)大學教授、博士生導師，主要從事飛機結(jié)構(gòu)安全性及可靠性研究。

V226

A

1000-2758(2016)06-0969-07