直升機(jī)可靠性外場(chǎng)評(píng)估方法及應(yīng)用研究

鮮 勇

(海裝駐武漢軍事代表局，湖北 武漢 430064)

0 引言

近年來(lái)，諸多型號(hào)直升機(jī)定型并交付部隊(duì)使用。在型號(hào)研制過(guò)程中，在戰(zhàn)技指標(biāo)中均明確了可靠性指標(biāo)的定量和定性要求。型號(hào)交付部隊(duì)之后，需要通過(guò)持續(xù)的跟蹤、評(píng)估與改進(jìn)來(lái)確保型號(hào)具有較高的可靠性水平，提高其出勤率。因此，如何對(duì)直升機(jī)的各項(xiàng)可靠性要求進(jìn)行全面、科學(xué)合理的驗(yàn)證，已經(jīng)成為當(dāng)前工作的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

實(shí)際使用環(huán)境對(duì)于直升機(jī)可靠性來(lái)說(shuō)有很大的影響，即使是同一架直升機(jī)，當(dāng)處于不同的使用環(huán)境條件下，其所表現(xiàn)出來(lái)的可靠性水平也是不同的。因此，只有在現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)的使用環(huán)境條件下對(duì)直升機(jī)的可靠性進(jìn)行評(píng)估，才能獲得真實(shí)和準(zhǔn)確的可靠性數(shù)據(jù)，從而對(duì)直升機(jī)的可靠性水平做出正確的評(píng)價(jià)[1]。直升機(jī)的可靠性外場(chǎng)評(píng)估能較真實(shí)地反映直升機(jī)的整機(jī)可靠性水平，而且經(jīng)濟(jì)易行。

1 可靠性外場(chǎng)評(píng)估概述

1.1 可靠性外場(chǎng)評(píng)估的基本概念

評(píng)估是指通過(guò)提供客觀證據(jù)證明規(guī)定要求已得到滿足的認(rèn)定。可靠性外場(chǎng)評(píng)估是指在裝備使用階段，通過(guò)采用試驗(yàn)、演示或驗(yàn)證等方法，對(duì)直升機(jī)型號(hào)可靠性定量和定性要求是否滿足“研制總要求”或“研制任務(wù)書”中的規(guī)定，并給出結(jié)論性意見所需進(jìn)行的鑒定或評(píng)價(jià)等認(rèn)定的總稱。

可靠性外場(chǎng)評(píng)估是隨著可靠性工作的深入開展和對(duì)可靠性重要程度的逐步認(rèn)識(shí)提出的，是當(dāng)今我國(guó)可靠性領(lǐng)域熱門的研究方向之一，目前對(duì)可靠性評(píng)估尚無(wú)統(tǒng)一定義。

直升機(jī)可靠性外場(chǎng)評(píng)估屬于統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)的范疇。直升機(jī)可靠性外場(chǎng)評(píng)估具有綜合性、真實(shí)性、經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)點(diǎn)。在直升機(jī)研制的不同階段，直升機(jī)可靠性外場(chǎng)評(píng)估具有不同的目的，本文研究的直升機(jī)可靠性外場(chǎng)評(píng)估的目的是評(píng)估直升機(jī)可靠性水平，為直升機(jī)的改進(jìn)和提升提供依據(jù)。

1.2 直升機(jī)可靠性外場(chǎng)評(píng)估的基本內(nèi)容

直升機(jī)可靠性外場(chǎng)評(píng)估必須明確進(jìn)入評(píng)估的基本條件和時(shí)機(jī)、可靠性參數(shù)和評(píng)估方法、樣本量和評(píng)估強(qiáng)度、環(huán)境條件(包括地域要求、季節(jié)要求和任務(wù)剖面要求)、故障分類；另外，為了控制評(píng)估工作有序進(jìn)行，保證評(píng)估工作順利完成，還必須制定有關(guān)評(píng)估的組織管理內(nèi)容，例如必須制定可靠性外場(chǎng)評(píng)估計(jì)劃，編制可靠性外場(chǎng)評(píng)估大綱，確定可靠性外場(chǎng)評(píng)估程序，建立有效的信息收集處理系統(tǒng)[2]。

2 可靠性參數(shù)介紹

可靠性參數(shù)包括基本可靠性參數(shù)和任務(wù)可靠性參數(shù)，當(dāng)前直升機(jī)常用的可靠性參數(shù)及定義如表1所示。

表1 直升機(jī)常用可靠性參數(shù)及定義

一般來(lái)說(shuō)，以上可靠性參數(shù)是我國(guó)直升機(jī)裝備外場(chǎng)使用可靠性評(píng)估工作的主要評(píng)估內(nèi)容，根據(jù)直升機(jī)可靠性外場(chǎng)評(píng)估的主要目的和所要達(dá)到的目標(biāo)，針對(duì)不同的產(chǎn)品層次，按照要求確定具體的一個(gè)或幾個(gè)參數(shù)進(jìn)行評(píng)估，以驗(yàn)證考核直升機(jī)整機(jī)、功能系統(tǒng)或機(jī)載成品的可靠性水平。

本文主要針對(duì)直升機(jī)型號(hào)中最常用的基本可靠性參數(shù)平均故障間隔飛行小時(shí)(MFHBF)進(jìn)行研究。

3 故障分類和故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)原則

在可靠性外場(chǎng)評(píng)估中，并不是所有故障都是有效的，只有責(zé)任故障才可以作為用于可靠性外場(chǎng)評(píng)估統(tǒng)計(jì)的故障[3]。

3.1 故障分類

評(píng)估期間出現(xiàn)的所有故障可參考GJB899A中的4.12故障分類方法，根據(jù)故障是否會(huì)在現(xiàn)場(chǎng)使用中出現(xiàn)，將故障分為非關(guān)聯(lián)故障和關(guān)聯(lián)故障。而關(guān)聯(lián)故障則可以進(jìn)一步分為非責(zé)任故障和責(zé)任故障。圖1為責(zé)任與非責(zé)任故障劃分示意圖。

3.2 故障次數(shù)的統(tǒng)計(jì)原則

在按照故障分類原則完成故障分類后，一般按照下面的故障次數(shù)統(tǒng)計(jì)原則進(jìn)行故障次數(shù)的統(tǒng)計(jì)：

1)在同一次工作過(guò)程中出現(xiàn)的同一設(shè)備或者部件的間歇性故障或者多次虛警，統(tǒng)計(jì)為一次故障；

2)當(dāng)可以證實(shí)不同設(shè)備的多種故障模式是由于同一器件的故障所引起的，整個(gè)事件統(tǒng)計(jì)為一次故障；

3)在多個(gè)零部件或者元器件在評(píng)估的過(guò)程中同時(shí)出現(xiàn)故障的情況下，當(dāng)不能夠證明是因?yàn)橐粋€(gè)故障引起了其它一些故障時(shí)，則每個(gè)零部件或者元器件的故障均需統(tǒng)計(jì)為一次獨(dú)立故障；

4)當(dāng)已經(jīng)統(tǒng)計(jì)過(guò)的故障由于沒(méi)有能夠真正地修復(fù)而又再次復(fù)現(xiàn)的，應(yīng)該和原來(lái)統(tǒng)計(jì)過(guò)的故障合并統(tǒng)計(jì)為一次故障；

5)對(duì)于由于獨(dú)立故障而引起的從屬故障，不計(jì)入受試產(chǎn)品的故障次數(shù)；

6)計(jì)劃內(nèi)的受試產(chǎn)品或其部件拆卸事件，不計(jì)入受試產(chǎn)品的故障次數(shù)；

7)對(duì)于零部件存在的輕微缺陷，如果不會(huì)喪失規(guī)定的功能，并且能夠按照規(guī)定的維修規(guī)程通過(guò)飛行前檢查或者飛行后檢查等予以原位修復(fù)(不會(huì)引起拆卸)的事件，比如部件松動(dòng)、參數(shù)漂移、噪聲、輕微滲漏等，不計(jì)入受試產(chǎn)品的故障次數(shù)；

8)在評(píng)估過(guò)程中，已確認(rèn)為非關(guān)聯(lián)故障的故障不計(jì)入故障次數(shù)。[4]

圖1 責(zé)任與非責(zé)任故障劃分示意圖

4 平均故障間隔飛行小時(shí)(MFHBF)外場(chǎng)評(píng)估方法

平均故障間隔飛行小時(shí)(MFHBF)是用于度量軍用直升機(jī)整機(jī)和機(jī)上可修復(fù)產(chǎn)品使用可靠性的一種參數(shù)，用于使用效果評(píng)估。該指標(biāo)是指在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，產(chǎn)品累計(jì)總飛行小時(shí)與同期間內(nèi)的故障總數(shù)之比。

4.1 評(píng)估模型

對(duì)于平均故障間隔飛行小時(shí)(MFHBF)的點(diǎn)估計(jì)，計(jì)算公式：

(1)

對(duì)于壽命服從指數(shù)分布的產(chǎn)品，其置信度為1-α的區(qū)間估計(jì)為：

(2)

式中：θL—MFHBF的區(qū)間估計(jì)的置信下限；θU—MFHBF的區(qū)間估計(jì)的置信上限；T—累積飛行小時(shí)數(shù)，h；r—在驗(yàn)證時(shí)間期間內(nèi)統(tǒng)計(jì)出的關(guān)聯(lián)故障總數(shù)；α—選定的顯著度水平。

查χ2函數(shù)表，可按公式(2)計(jì)算得出MFHBF的置信下限和置信上限。

置信度為1-α的單側(cè)置信下限估計(jì)為：

(3)

式中：T—累積飛行小時(shí)數(shù)，h；r—在驗(yàn)證時(shí)間期間內(nèi)統(tǒng)計(jì)出的關(guān)聯(lián)故障總數(shù)，α—選定的顯著度水平。

查χ2函數(shù)表，可按公式(3)計(jì)算得出MFHBF的單側(cè)置信下限。

當(dāng)存儲(chǔ)貨物質(zhì)量較大、貨架重心較高，存在安全隱患時(shí)，可采用結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性原則占主導(dǎo)的復(fù)合貨位優(yōu)先級(jí)，即在符合結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性原則的前提下，同行貨位根據(jù)其出庫(kù)時(shí)間、按照存儲(chǔ)效率優(yōu)先原則設(shè)定優(yōu)先級(jí)，圖2d所示為結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性原則占主導(dǎo)的復(fù)合貨位優(yōu)先級(jí)示例圖。

4.2 信息及來(lái)源

驗(yàn)證期間，應(yīng)用事先制定的故障信息表，按要求詳細(xì)記錄故障和飛行小時(shí)等信息。

驗(yàn)證結(jié)束時(shí)，應(yīng)根據(jù)事先確定的故障判據(jù)對(duì)記錄的每條故障信息進(jìn)行判定確認(rèn)，整理出如下數(shù)據(jù)：

1)評(píng)估對(duì)象累計(jì)的總飛行時(shí)間T；

2)相應(yīng)時(shí)間區(qū)間內(nèi)用于統(tǒng)計(jì)計(jì)算的關(guān)聯(lián)故障總數(shù)r。

利用公式(1)-(3)進(jìn)行評(píng)估計(jì)算，得到估計(jì)值。

4.3 結(jié)果及判定

1)對(duì)直升機(jī)整機(jī)及功能系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，評(píng)估輸出結(jié)果為現(xiàn)場(chǎng)使用條件下直升機(jī)、功能系統(tǒng)的MFHBF點(diǎn)估計(jì)值；

2)對(duì)機(jī)載設(shè)備來(lái)說(shuō)，評(píng)估結(jié)果為MFHBF的點(diǎn)估計(jì)、區(qū)間估計(jì)值或單側(cè)置信下限估計(jì)值；

4.4 使用說(shuō)明

1)對(duì)該參數(shù)進(jìn)行評(píng)估計(jì)算時(shí)，故障判據(jù)和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)原則直接影響評(píng)估結(jié)果，為此，必須在驗(yàn)證大綱中進(jìn)行規(guī)定，評(píng)估計(jì)算前應(yīng)組織對(duì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的審查。

2)在設(shè)計(jì)定型試飛驗(yàn)證過(guò)程中，對(duì)參試直升機(jī)的數(shù)量、批次以及其編號(hào)應(yīng)做出說(shuō)明。由于直升機(jī)的技術(shù)狀態(tài)發(fā)生變化，是可靠性增長(zhǎng)過(guò)程，因此，用該階段的全部數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證并不能完全反映直升機(jī)真實(shí)的可靠性水平，因此，應(yīng)剔除早期故障，同時(shí)也應(yīng)防止數(shù)據(jù)丟失。

3)對(duì)于整機(jī)來(lái)說(shuō)，可僅進(jìn)行平均故障間隔飛行小時(shí)(MFHBF)的點(diǎn)估計(jì)，由飛行記錄數(shù)據(jù)直接得到評(píng)估對(duì)象累計(jì)的總工作時(shí)間T。

4)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的累積工作小時(shí)數(shù)T應(yīng)該是發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作的時(shí)間，包括地面和空中開車的時(shí)間。

5)若采用區(qū)間估計(jì)或單側(cè)下限估計(jì)，應(yīng)實(shí)現(xiàn)明確置信度。如果研制總要求中給出了區(qū)間估計(jì)的置信度要求，則應(yīng)按照要求的置信度；如果沒(méi)有給出區(qū)間估計(jì)的置信度要求，一般來(lái)說(shuō)，推薦置信度1-α取80%以上。

5 某型直升機(jī)可靠性外場(chǎng)評(píng)估

5.1 評(píng)估內(nèi)容

根據(jù)某型機(jī)研制總要求，該型機(jī)可靠性指標(biāo)要求為：

平均故障間隔飛行小時(shí)(MFHBF)：整機(jī)規(guī)定值不小于4fh；整機(jī)最低可接受值3fh。

5.2 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

評(píng)估期間內(nèi)，該型直升機(jī)累計(jì)飛行1189h32min(1189.53h)，發(fā)生故障295起，其中責(zé)任故障241起。

5.3 點(diǎn)估計(jì)值

根據(jù)公式：

(4)

已知，T=1189.53h，r=241。

其平均故障間隔飛行小時(shí)的點(diǎn)估計(jì)值為：

(5)

從點(diǎn)估計(jì)值的結(jié)果來(lái)看，該型號(hào)已經(jīng)滿足研制總要求中規(guī)定的平均故障間隔飛行小時(shí)(MFHBF)規(guī)定值不小于4飛行小時(shí)的要求。

5.4 區(qū)間估計(jì)的置信下限

根據(jù)公式：

(6)

已知，T=1189.53h，r=241。

取置信度為80%，則α=1-0.8=0.2，因此χ2(α/2,2r+2)=χ2(0.1,484)=524.2762。

由此計(jì)算可得平均故障間隔飛行小時(shí)單側(cè)置信下限為：

θL=4.5

(7)

從區(qū)間估計(jì)的結(jié)果來(lái)看，該型號(hào)已經(jīng)滿足研制總要求中規(guī)定的平均故障間隔飛行小時(shí)(MFHBF)規(guī)定值不小于4飛行小時(shí)的要求。

6 結(jié)論

本文根據(jù)我國(guó)直升機(jī)可靠性外場(chǎng)評(píng)估工作的需要，在充分吸收國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的驗(yàn)證和評(píng)估技術(shù)并總結(jié)、分析、歸納可靠性驗(yàn)證和評(píng)估的工程技術(shù)方法的基礎(chǔ)上，以統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以解決現(xiàn)有驗(yàn)證理論在外場(chǎng)操作中存在的工程化問(wèn)題為目的，進(jìn)行直升機(jī)使用階段的可靠性綜合評(píng)估的方法研究及技術(shù)適用性、工程化、規(guī)范化的應(yīng)用研究。對(duì)型號(hào)研制中常用的可靠性參數(shù)指標(biāo)的外場(chǎng)評(píng)估進(jìn)行了研究，建立起適合直升機(jī)研制和使用特點(diǎn)的可靠性外場(chǎng)驗(yàn)證評(píng)估方法，能夠有效指導(dǎo)型號(hào)使用階段的可靠性外場(chǎng)評(píng)估。