直升機(jī)系統(tǒng)基本可靠性分配方法研究

王開(kāi)山，郝宗敏

(中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所可靠性研究室，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

直升機(jī)系統(tǒng)基本可靠性分配方法研究

王開(kāi)山，郝宗敏

(中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所可靠性研究室，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

對(duì)常用可靠性分配方法進(jìn)行研究總結(jié)，針對(duì)直升機(jī)特點(diǎn)闡述各分配方法的選取原則并給出直升機(jī)系統(tǒng)基本可靠性指標(biāo)分配的一般流程，最后結(jié)合具體案例說(shuō)明所提出的分配方法、選取原則和操作流程在直升機(jī)上應(yīng)用的可行性。

可靠性分配;選取原則;一般流程

0 引言

可靠性指標(biāo)分配是將產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)要求，由上到下、由整體到局部逐級(jí)分配到規(guī)定的產(chǎn)品層次(分系統(tǒng)、設(shè)備等)，以此作為可靠性設(shè)計(jì)和提出外協(xié)、外購(gòu)產(chǎn)品可靠性定量要求的依據(jù)［1］。對(duì)于直升機(jī)來(lái)講，可靠性指標(biāo)分配過(guò)低會(huì)增加維護(hù)保障成本甚至影響飛行安全，過(guò)高則會(huì)浪費(fèi)較多研制時(shí)間和經(jīng)費(fèi)，因此選擇合理的分配方法具有十分重要的意義。

為使可靠性分配更加合理，國(guó)內(nèi)外研究人員進(jìn)行了大量研究，主要方法有:綜合分配法［2］、層次分析法［3－4］、重要度法［5］、模糊法［6］、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法［7］等。但這些方法要么需要一定的約束條件，要么在算法上過(guò)于復(fù)雜，應(yīng)用于直升機(jī)系統(tǒng)的可靠性分配可操作性不強(qiáng)。

本文對(duì)已有可靠性分配方法進(jìn)行研究，總結(jié)出幾種可以滿(mǎn)足直升機(jī)研制要求且易于操作的可靠性分配方法，針對(duì)直升機(jī)系統(tǒng)特點(diǎn)闡述各分配方法的選取原則并給出直升機(jī)基本可靠性指標(biāo)分配的一般流程。

1 可靠性分配方法

1．1 等分配法

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期，當(dāng)產(chǎn)品定義并不十分清楚時(shí)，可以采用最簡(jiǎn)單的等分配法進(jìn)行可靠性分配。對(duì)于直升機(jī)研制來(lái)講，即使在設(shè)計(jì)初期，其基本系統(tǒng)組成也比較清晰，一般在整機(jī)分配過(guò)程中不會(huì)使用該方法。但由于直升機(jī)常會(huì)進(jìn)行系統(tǒng)或設(shè)備的冗余設(shè)計(jì)，比如液壓系統(tǒng)往往會(huì)由左、右兩套液壓系統(tǒng)組成，將該類(lèi)系統(tǒng)可靠性指標(biāo)分配到下級(jí)相同的若干子系統(tǒng)的情況下便可使用等分配法;還有些單元是由若干完全相同的子單元組成，比如槳葉單元是由四片或五片完全相同的槳葉片組成，則將槳葉單元可靠性指標(biāo)分給各槳葉片時(shí)可以使用等分配法。等分配方法模型如下:

設(shè)某系統(tǒng)由n個(gè)分系統(tǒng)串聯(lián)組成，若給定系統(tǒng)可靠度指標(biāo)為，則按等分配法分配給各下屬系統(tǒng)或設(shè)備的可靠度指標(biāo)為［8］:

1．2 比例分配法

比例分配法適用于新設(shè)計(jì)的系統(tǒng)與老的系統(tǒng)非常相似的情況，也就是新老系統(tǒng)的各組成單元類(lèi)型相同，對(duì)這個(gè)新系統(tǒng)只是根據(jù)新的情況提出新的可靠性要求，而且有老系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)或老系統(tǒng)各組成單元的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可供使用。直升機(jī)新型號(hào)的研制往往是根據(jù)新的使用需求在之前型號(hào)的基礎(chǔ)上改型而來(lái)，對(duì)于一般改型系統(tǒng)設(shè)備可以認(rèn)為與老系統(tǒng)相似，因此適用該分配方法。比例分配法模型如下:

根據(jù)老系統(tǒng)中各單元的故障率，按新系統(tǒng)可靠性的要求，給新系統(tǒng)的各單元分配故障率。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為［8］:

在現(xiàn)實(shí)中，一般新老系統(tǒng)構(gòu)成不可能完全相同，某些單元可能屬于已定型的“貨架”產(chǎn)品或已單獨(dú)給定可靠性指標(biāo)的產(chǎn)品，即該單元的分配值已確定，那么可以按式(3)進(jìn)行分配:

式中:λc—已定型“貨架”產(chǎn)品的故障率(1/h);—新系統(tǒng)的故障率指標(biāo)(1/h);—分配給新系統(tǒng)中第i個(gè)單元的故障率(1/h);λs老—老系統(tǒng)的故障率(1/h);λi老—老系統(tǒng)中第i個(gè)單元的故障率(1/h)。

如果有老系統(tǒng)中各分系統(tǒng)故障數(shù)占系統(tǒng)故障數(shù)百分比Ki的統(tǒng)計(jì)資料，而且新、老系統(tǒng)又極相似，那么可以按式(4)進(jìn)行分配:

式中:Ki—第i個(gè)分系統(tǒng)故障數(shù)占系統(tǒng)故障數(shù)的百分比。

1．3 評(píng)分分配法

在缺乏系統(tǒng)組成單元可靠性數(shù)據(jù)的情況下，通過(guò)有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)人員或?qū)＜覍?duì)影響可靠性的幾種因素評(píng)分，對(duì)評(píng)分進(jìn)行綜合分析而獲得各單元之間的可靠性相對(duì)比值，根據(jù)評(píng)分情況給每個(gè)分系統(tǒng)或設(shè)備分配可靠性指標(biāo)。應(yīng)用這種方法時(shí)，時(shí)間應(yīng)以系統(tǒng)工作時(shí)間為基準(zhǔn)。在直升機(jī)上，新研系統(tǒng)設(shè)備或改動(dòng)較大的系統(tǒng)設(shè)備肯定沒(méi)有歷史可靠性數(shù)據(jù)，因此適合使用該分配方法。評(píng)分分配法模型如下:

式中:i=1，2，…，n—單元數(shù);Ci—第個(gè)單元的評(píng)分系數(shù)。

式中:ωi—第個(gè)單元評(píng)分?jǐn)?shù);ω—系統(tǒng)的評(píng)分?jǐn)?shù)。

式中:γij—第i個(gè)單元，第j個(gè)因素的評(píng)分?jǐn)?shù);j=1—復(fù)雜度;j=2—技術(shù)發(fā)展水平;j=3—重要度;j=4—工作時(shí)間;j=5—環(huán)境條件。

式中:i=1，2，…，n—單元數(shù)。

2 直升機(jī)可靠性分配流程

直升機(jī)可靠性分配可分為三個(gè)步驟:首先確定產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài);然后根據(jù)產(chǎn)品不同的技術(shù)狀態(tài)選擇相適應(yīng)的可靠性分配方法;最后按照選定的分配模型進(jìn)行計(jì)算得到分配結(jié)果。具體流程如圖1所示。

2．1 確定產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)

研究待分配系統(tǒng)的特點(diǎn)，確定系統(tǒng)組成中各分系統(tǒng)或單元的技術(shù)狀態(tài)，一般直升機(jī)上的產(chǎn)品可分為沿用、改型和新研三種技術(shù)狀態(tài)，這里為了更加合理地選擇分配模型，對(duì)改型產(chǎn)品，根據(jù)其技術(shù)狀態(tài)改變的大小劃分為一般改型和較大改型兩種。

2．2 選擇分配方法

對(duì)于沿用產(chǎn)品，其可靠性指標(biāo)可按以往型號(hào)中的指標(biāo)直接給定，已定型的“貨架”產(chǎn)品，其可靠性指標(biāo)也已固定。除此之外，對(duì)于改動(dòng)較小的一般改型產(chǎn)品應(yīng)選擇比例分配法;對(duì)于較大改型的產(chǎn)品和新研產(chǎn)品應(yīng)選擇評(píng)分分配法;對(duì)于冗余系統(tǒng)設(shè)備或由多個(gè)完全一樣的基本單元組成的單元應(yīng)選擇等分配方法。

2．3 分配計(jì)算

將各單元待分配指標(biāo)按選定的分配方法進(jìn)行分配計(jì)算得到下一級(jí)單元可靠性指標(biāo)分配值，三種分配方法的實(shí)施步驟如圖2(a)、(b)、(c)所示。

3 應(yīng)用案例

某型號(hào)直升機(jī)ZN根據(jù)用戶(hù)需求在老型號(hào)ZO的平臺(tái)基礎(chǔ)上進(jìn)行研制，除少部分新研和較大改型系統(tǒng)之外，其余均為一般改型系統(tǒng)?，F(xiàn)利用上述可靠性分配流程對(duì)該型號(hào)直升機(jī)進(jìn)行基本可靠性指標(biāo)分配。

3．1 確定產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)

研究新型號(hào)直升機(jī)系統(tǒng)特點(diǎn)，確定各系統(tǒng)技術(shù)狀態(tài)，如表1所示。

3．2 選擇分配方法

根據(jù)2．2節(jié)中可靠性分配方法的選取原則確定各系統(tǒng)所要采用的可靠性分配方法，如表2所示。

表1 ZN直升機(jī)系統(tǒng)技術(shù)狀態(tài)

3．3 分配計(jì)算

沿用系統(tǒng)直接按之前型號(hào)中的可靠性指標(biāo)給定，其余系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)可由整機(jī)指標(biāo)減去前者指標(biāo)之后采用評(píng)分分配法進(jìn)行分配。這里整機(jī)到系統(tǒng)的可靠性分配過(guò)程不做贅述，僅對(duì)兩個(gè)典型系統(tǒng)S1和S9往下一層次的分配過(guò)程進(jìn)行具體說(shuō)明。整機(jī)分配給 S1和 S9的可靠性指標(biāo)分別為 150h和210h。

表2 ZN直升機(jī)系統(tǒng)可靠性分配方法

1)S1系統(tǒng)可靠性指標(biāo)分配

S1系統(tǒng)技術(shù)狀態(tài)為一般改型，選擇的分配方法為比例分配法，因此按公式(2)和圖2(b)流程進(jìn)行可靠性指標(biāo)分配，分配結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 ZN直升機(jī)S1系統(tǒng)可靠性指標(biāo)分配結(jié)果

2)S9系統(tǒng)可靠性指標(biāo)分配

S9系統(tǒng)技術(shù)狀態(tài)為新研，選擇的分配方法為評(píng)分分配法，因此按公式(5)－(8)和圖2(c)流程進(jìn)行可靠性指標(biāo)分配，分配結(jié)果見(jiàn)表4。

單元S92和S93均是由若干完全相同的子單元組成，選擇等分配方法進(jìn)一步分配，按公式(2)和圖2 (a)流程進(jìn)行分配計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表5。

表4 S9系統(tǒng)可靠性指標(biāo)計(jì)算分配結(jié)果

表5 S92和S93單元可靠性指標(biāo)分配結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

本文從直升機(jī)系統(tǒng)研制的工程實(shí)際出發(fā)，研究總結(jié)了常用的幾種可靠性分配方法，針對(duì)直升機(jī)系統(tǒng)特點(diǎn)提出了各方法的選取原則并給出了直升機(jī)基本可靠性指標(biāo)分配的一般流程和具體步驟。

通過(guò)實(shí)際案例證明本文提出的可靠性分配方法、選取原則和操作流程簡(jiǎn)便易行，可以推廣到直升機(jī)研制的實(shí)際工程應(yīng)用中。

［1］ 曾聲奎，趙廷弟，張建國(guó)，等．系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)分析教程［M］．北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2001．

［2］ 張 銳，李 波．無(wú)人機(jī)系統(tǒng)可靠性分配方法［J］．南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2009(41):106－108．

［3］ 張 健，雷雨成．串聯(lián)系統(tǒng)可靠性分配的層次分析方法［J］．機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2000(6):1－3．

［4］ 彭寶華，趙建印，孫權(quán)．復(fù)雜系統(tǒng)可靠性分配的層次分析法［J］．電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)，2005(6):58－ 62．

［5］ 何明禮，向曉東，郭尹亮．基于重要度的系統(tǒng)可靠性分配方法［J］．安全與環(huán)境工程，2009，16(4):62－65．

［6］ 王 浩，莊釗文．基于模糊方法的系統(tǒng)可靠性分配［J］．系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐，2000(8):79－83．

［7］ 徐 勇，侯朝楨，楊國(guó)勝．系統(tǒng)可靠性分配的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型［J］．系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2001，23(1):90－92．

［8］ 龔慶祥，趙 宇，顧長(zhǎng)鴻．型號(hào)可靠性工程手冊(cè)［M］．北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2007:107－110．

Research on Application of Common Reliability Allocation Method in Helicopter

WANG Kaishan，HAO Zongmin
(China Helicopter Research and Development Institute，Jingdezhen 333001，China)

On the basis of studying and summing up common reliability allocation methods，the selection principle of reliability allocation methods was expounded according to helicopter characters．Then the general flow of basic reliability allocation of helicopter was presented．Finally，the feasibility of the application in helicopter of the proposed allocation methods，selection principle and general flow were illustrated with an example．

helicopter;reliability allocation;selection principle;general flow

V215．7;TB114．3

A

1673-1220(2017)02-033-04

2016－10－13

王開(kāi)山(1990－)，男，江蘇徐州人，碩士，助理工程師，主要研究方向:可靠性安全性。