安全性評(píng)估流程在現(xiàn)役飛機(jī)維修中的應(yīng)用研究

朱林寰 安磊 韓梁 錢(qián)玉生 汪建華/

1 國(guó)營(yíng)蕪湖機(jī)械廠(chǎng) 2 空軍研究院航空兵研究所 3 中國(guó)航空綜合技術(shù)研究所

0 引言

目前，國(guó)際主流的全壽命周期飛機(jī)安全性評(píng)估流程與方法已經(jīng)成熟并不斷發(fā)展，具體體現(xiàn)在SAE ARP 4754A《民用飛機(jī)和系統(tǒng)研制指南》、SAE ARP 4761《民用機(jī)載系統(tǒng)和設(shè)備安全性評(píng)估過(guò)程指南和方法》、SAE ARP 5150《商用運(yùn)輸飛機(jī)安全性評(píng)估指南》及SAE ARP 5151《商用通用類(lèi)飛機(jī)和旋翼類(lèi)飛機(jī)的安全性評(píng)估指南》等工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，能夠在飛機(jī)研制過(guò)程中識(shí)別飛機(jī)整機(jī)和系統(tǒng)架構(gòu)及詳細(xì)設(shè)計(jì)中存在的缺陷，并反饋給設(shè)計(jì)人員，幫助其完善設(shè)計(jì)[1]。飛機(jī)系統(tǒng)安全評(píng)估是對(duì)系統(tǒng)存在的危險(xiǎn)進(jìn)行定性和定量的分析，得出系統(tǒng)發(fā)生危險(xiǎn)的可能性及對(duì)其程度的評(píng)估，以尋求最低事故率、最少損失和最優(yōu)安全投入收益[2]。這種流程和方法針對(duì)整機(jī)、系統(tǒng)功能和架構(gòu)以及詳細(xì)設(shè)計(jì)待定的對(duì)象，是隨著整機(jī)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段性深入而階梯開(kāi)展工作的。這種方法也可用于在研制階段未應(yīng)用安全性評(píng)估流程和方法設(shè)計(jì)的飛機(jī)維修，其具體的工作項(xiàng)目大致相同，但各個(gè)工作項(xiàng)目的目標(biāo)和輸入、輸出等與研制階段的安全性評(píng)估工作項(xiàng)目存在差異。本文基于飛機(jī)研制過(guò)程中使用的安全性評(píng)估流程與方法，研究提出一種適用于功能、構(gòu)型、系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)均已確定的現(xiàn)役飛機(jī)機(jī)載系統(tǒng)維修質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與防控的思路和方法，可作為維修企業(yè)提升飛機(jī)維修質(zhì)量安全水平的參考。

1 研究背景

現(xiàn)役的部分國(guó)產(chǎn)飛機(jī)在研制階段尚未應(yīng)用國(guó)際主流的安全性評(píng)估流程和方法，且限于研制指標(biāo)等要求，客觀上存在不少因單點(diǎn)故障導(dǎo)致飛行事故、飛行事故征候的問(wèn)題，給維修企業(yè)帶來(lái)了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。尤其是飛機(jī)維修前，維修企業(yè)無(wú)法全面掌握飛機(jī)存在哪些單點(diǎn)故障可能導(dǎo)致飛行事故、飛行事故征候，維修質(zhì)量安全工作難以抓住重點(diǎn)。根據(jù)對(duì)部分歷史事故征候及以上重大問(wèn)題的梳理分析，很多導(dǎo)致事故發(fā)生的故障點(diǎn)是可以通過(guò)科學(xué)評(píng)估方法予以識(shí)別的，如果在飛機(jī)維修前開(kāi)展安全性評(píng)估工作，并充分利用歷史故障及歷史數(shù)據(jù)，可以提前識(shí)別飛機(jī)的維修安全風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，掌握關(guān)鍵部附件修理技術(shù)要求，并在維修中制定防范措施，降低經(jīng)修飛機(jī)發(fā)生不安全事件的概率。

2 總體研究思路及方案

總體研究思路為：以維修為對(duì)象，應(yīng)用飛機(jī)研制過(guò)程中使用的安全性評(píng)估流程和方法，以飛機(jī)功能、構(gòu)型為基礎(chǔ)，以歷史飛行事故、事故征候和故障數(shù)據(jù)為參考，進(jìn)行全壽命周期的飛機(jī)安全性評(píng)估流程與方法梳理，開(kāi)展飛機(jī)機(jī)載系統(tǒng)安全性關(guān)鍵部附件及關(guān)鍵故障模式識(shí)別流程和方法、安全性關(guān)鍵部附件內(nèi)零組件級(jí)關(guān)鍵故障模式識(shí)別方法、安全性關(guān)鍵部附件的修理技術(shù)要求識(shí)別方法等研究。

總體研究方案為：在飛機(jī)研制階段的安全性評(píng)估流程和方法的基礎(chǔ)上，綜合采用系統(tǒng)級(jí)功能性危險(xiǎn)分析（FHA），考慮系統(tǒng)所有功能、所有功能失效模式、危險(xiǎn)組成部分、具有冗余或者被冗余影響的系統(tǒng)、系統(tǒng)正常或異常工作狀態(tài)、外部因素、人為因素等[3]，采用FTA、FMEA 等分析方法，建立適應(yīng)于維修的安全性評(píng)估方法和流程（見(jiàn)圖1）。

3 研究?jī)?nèi)容

3.1 飛機(jī)機(jī)載系統(tǒng)安全性關(guān)鍵部附件及關(guān)鍵故障模式識(shí)別流程和方法

為有效防范維修質(zhì)量問(wèn)題導(dǎo)致飛行事故征候等不安全事件，首先要識(shí)別出飛機(jī)上存在哪些部附件的哪些故障模式可能導(dǎo)致飛機(jī)發(fā)生飛行事故征候及以上問(wèn)題。參照研制階段的飛機(jī)安全性評(píng)估流程和方法，對(duì)各個(gè)工作項(xiàng)目的目標(biāo)和輸入、輸出進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整。例如，研制階段的“飛機(jī)級(jí)初步安全性評(píng)估工作（PASA）”是一項(xiàng)用于評(píng)估飛機(jī)級(jí)功能分解的合理性，初步判斷功能架構(gòu)設(shè)計(jì)能否滿(mǎn)足整機(jī)級(jí)安全性要求，并向各相關(guān)系統(tǒng)分解傳遞安全性要求的工作[4]。而對(duì)于已經(jīng)定型的飛機(jī)，該項(xiàng)工作的目的是識(shí)別各個(gè)系統(tǒng)中存在的可能導(dǎo)致I類(lèi)和II 類(lèi)飛機(jī)級(jí)功能失效的有關(guān)系統(tǒng)功能失效狀態(tài)，將其稱(chēng)為“飛機(jī)級(jí)故障樹(shù)分析（AFTA）”更為合適。

圖1 適用于維修的安全性評(píng)估方法和思路研究流程圖

圖2 全壽命周期的飛機(jī)安全性評(píng)估流程

因此，需要研究制定一個(gè)流程和方法，針對(duì)功能、構(gòu)型均已確定的飛機(jī)，全面、準(zhǔn)確地識(shí)別出存在哪些部附件的哪些故障模式可能導(dǎo)致飛機(jī)發(fā)生飛行事故征候及以上問(wèn)題，并在此基礎(chǔ)上采取措施。這些部附件稱(chēng)為“安全性關(guān)鍵部附件”，其可能導(dǎo)致飛行事故征候及以上問(wèn)題的故障模式稱(chēng)為“安全性關(guān)鍵部附件的關(guān)鍵故障模式”。

基本的研究流程是以飛機(jī)研制階段的安全性評(píng)估流程和方法為基礎(chǔ)，逐一分析其中各工作項(xiàng)目的目的、輸入和輸出以及采用的方法等要素，對(duì)比已經(jīng)確定功能、構(gòu)型和系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)飛機(jī)的情況，研究提出針對(duì)在役飛機(jī)的機(jī)載系統(tǒng)安全性關(guān)鍵部附件及關(guān)鍵故障模式識(shí)別流程和方法。

3.2 安全性關(guān)鍵部附件內(nèi)零組件級(jí)關(guān)鍵故障模式識(shí)別方法

在識(shí)別出安全性關(guān)鍵部附件可能導(dǎo)致飛行事故、事故征候問(wèn)題的關(guān)鍵故障模式基礎(chǔ)上，研究識(shí)別可能導(dǎo)致這些故障模式的部附件內(nèi)零組件故障模式的方法。這些零組件級(jí)故障模式稱(chēng)為“零組件級(jí)關(guān)鍵故障模式”。

基本的研究流程是采用故障模式及影響分析（FMEA）方法，以安全性關(guān)鍵部附件的關(guān)鍵故障模式為目標(biāo)，以部附件的功能、工作原理和詳細(xì)構(gòu)造為對(duì)象，分析哪些零組件的哪些參數(shù)、工藝等偏差因素可能導(dǎo)致這些結(jié)果，形成一個(gè)完整的零組件級(jí)關(guān)鍵故障模式識(shí)別方法。

本項(xiàng)研究工作結(jié)合上述第3.1 節(jié)中的研究?jī)?nèi)容，可建立起零組件級(jí)故障模式與部附件故障模式，直至與飛機(jī)頂層功能失效發(fā)生飛行事故征候及以上問(wèn)題的邏輯關(guān)系，為正向提出部附件修理技術(shù)要求、準(zhǔn)確有效地防控維修質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)奠定基礎(chǔ)。

例如，影響起落架收放系統(tǒng)工作性能的關(guān)鍵產(chǎn)品包括控制輸入部件起落架收放手柄、液壓電磁開(kāi)關(guān)、兩用活門(mén)以及收放作動(dòng)筒等，影響這些關(guān)鍵產(chǎn)品性能的因素包括收放手柄的積炭、電磁開(kāi)關(guān)插頭斷針、轉(zhuǎn)換閥芯磨損卡死、兩用活門(mén)內(nèi)部彈簧失效、活門(mén)不密封，以及收放作動(dòng)筒無(wú)法開(kāi)鎖等。需要自上而下地正向維修分析，系統(tǒng)性地識(shí)別零組件故障模式和導(dǎo)致故障的根本原因。

3.3 安全性關(guān)鍵部附件的修理技術(shù)要求識(shí)別方法

在識(shí)別安全性關(guān)鍵部附件的零組件級(jí)關(guān)鍵故障模式的基礎(chǔ)上，研究提出相關(guān)技術(shù)方法，以全面準(zhǔn)確地識(shí)別出部附件維修中的哪些參數(shù)、工藝等環(huán)節(jié)有可能造成這些故障模式，并形成部附件維修關(guān)鍵技術(shù)要求。

基本的研究流程是，系統(tǒng)梳理機(jī)載系統(tǒng)部附件內(nèi)部機(jī)械零部件、電氣部件的修理技術(shù)要求以及部附件、系統(tǒng)組裝和試驗(yàn)的技術(shù)要求，形成比較完整、詳盡的修理技術(shù)要求要素框架。以該框架為基礎(chǔ)，對(duì)不同的部附件進(jìn)行適用性分析，針對(duì)其各個(gè)關(guān)鍵故障模式逐項(xiàng)梳理形成關(guān)鍵修理技術(shù)要求。

3.4 機(jī)載系統(tǒng)修理質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與防控應(yīng)用

在研究完成上述流程、方法的基礎(chǔ)上，以某型飛機(jī)某系統(tǒng)為對(duì)象進(jìn)行應(yīng)用研究。主要的應(yīng)用研究工作如下。

一是針對(duì)待研究某系統(tǒng)，采用研究制定的飛機(jī)機(jī)載系統(tǒng)安全性關(guān)鍵部附件及關(guān)鍵故障模式識(shí)別流程和方法，應(yīng)用相關(guān)的軟件工具，識(shí)別出系統(tǒng)中存在的可能導(dǎo)致飛行事故征候及以上問(wèn)題的安全性關(guān)鍵部附件及關(guān)鍵故障模式。

二是針對(duì)各個(gè)安全性關(guān)鍵部附件及關(guān)鍵故障模式，應(yīng)用研究確定的零組件級(jí)關(guān)鍵故障模式識(shí)別方法，識(shí)別出可能導(dǎo)致安全性關(guān)鍵部附件關(guān)鍵故障模式的零組件級(jí)關(guān)鍵故障模式。這樣，就建立起了零組件級(jí)關(guān)鍵故障模式與部附件關(guān)鍵故障模式、直至飛機(jī)頂層功能失效發(fā)生飛行事故征候及以上問(wèn)題的邏輯關(guān)系，準(zhǔn)確識(shí)別出維修質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。

三是針對(duì)這些維修質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，應(yīng)用部附件修理技術(shù)要求識(shí)別方法，逐一識(shí)別出這些部附件維修的關(guān)鍵技術(shù)要求。

四是對(duì)比分析。在前述工作的基礎(chǔ)上，將所識(shí)別出的部附件維修關(guān)鍵技術(shù)要求與原有的部附件維修關(guān)鍵技術(shù)要求進(jìn)行對(duì)比，分析其共性和差異，評(píng)估其作用及效果，為后續(xù)將分析結(jié)果納入相關(guān)部附件的修理技術(shù)要求、提升維修質(zhì)量安全水平奠定基礎(chǔ)。

4 研究技術(shù)路線(xiàn)

4.1 全壽命周期的飛機(jī)安全性評(píng)估流程與方法梳理

全壽命周期的飛機(jī)安全性評(píng)估流程可以分為型號(hào)研制階段和型號(hào)使用階段。兩個(gè)階段的安全性評(píng)估工作與型號(hào)研制和使用的關(guān)系如圖2 所示[5-7]。

研制階段的安全性評(píng)估工作，主要用以評(píng)估飛機(jī)功能和機(jī)載系統(tǒng)設(shè)計(jì)的完整性和正確性，反饋給飛機(jī)設(shè)計(jì)。通過(guò)安全性評(píng)估，對(duì)系統(tǒng)構(gòu)架和詳細(xì)設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)估，發(fā)現(xiàn)可能存在的隱患問(wèn)題，推動(dòng)設(shè)計(jì)方案的不斷完善。研制階段的安全性評(píng)估流程與飛機(jī)功能和系統(tǒng)設(shè)計(jì)活動(dòng)的關(guān)系如圖3 所示[8]。研制過(guò)程各階段的安全性評(píng)估工作流程如圖4 所示。安全性評(píng)估過(guò)程始于概念設(shè)計(jì)階段并得出其安全性要求。

隨著設(shè)計(jì)的推進(jìn)會(huì)不斷有更改產(chǎn)生，對(duì)這些更改的設(shè)計(jì)必須重新進(jìn)行評(píng)估。這種重新評(píng)估可能產(chǎn)生新的設(shè)計(jì)要求，新的設(shè)計(jì)要求又可能需要更進(jìn)一步的設(shè)計(jì)更改來(lái)滿(mǎn)足。這種安全性評(píng)估過(guò)程要持續(xù)到驗(yàn)證表明設(shè)計(jì)已經(jīng)滿(mǎn)足安全性要求為止。

圖3 研制階段的安全性評(píng)估流程

圖4 研制各階段的安全性評(píng)估流程

圖5 使用階段的安全性評(píng)估流程

圖6 使用階段的詳細(xì)安全性評(píng)估流程

使用階段的安全性評(píng)估流程包括5個(gè)步驟，如圖5 所示。詳細(xì)的使用階段安全性評(píng)估流程見(jiàn)圖6。圖6 對(duì)圖5 中5 個(gè)步驟中每一個(gè)步驟進(jìn)行了細(xì)化。概括地講，使用階段的安全性評(píng)估流程，以研制階段建立的安全性評(píng)估模型為基礎(chǔ)，通過(guò)收集使用、維修中的相關(guān)參數(shù)和事件信息，進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，并根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)水平制定相應(yīng)的行動(dòng)措施，予以實(shí)施并持續(xù)監(jiān)控效果。從技術(shù)上講，使用階段的安全性評(píng)估流程還能用以證實(shí)或修正研制階段安全性評(píng)估中采用的相關(guān)假設(shè)和判斷，對(duì)功能危險(xiǎn)分析等工作的完整性和準(zhǔn)確性予以證實(shí)或修正，從而不斷提升研制階段的安全性評(píng)估工作水平。

不難看出，上述研制階段的安全性評(píng)估和使用階段的安全性評(píng)估可以有效地協(xié)助從設(shè)計(jì)上提升飛機(jī)安全性水平，在使用中監(jiān)控、發(fā)現(xiàn)和解決安全性問(wèn)題，但沒(méi)有明確指出對(duì)于一型沒(méi)有在研制階段開(kāi)展安全性評(píng)估工作的既定飛機(jī)應(yīng)采用什么樣的流程和方法以及如何識(shí)別其中存在的安全性隱患問(wèn)題，這一問(wèn)題急需研究解決。

4.2 適用于在役飛機(jī)的飛機(jī)機(jī)載系統(tǒng)安全隱患識(shí)別流程和方法研究

基于飛機(jī)研制階段的安全性評(píng)估流程，借鑒飛機(jī)使用階段安全性評(píng)估工作中收集、分析數(shù)據(jù)和事件信息的思想，針對(duì)功能、構(gòu)型已經(jīng)確定的現(xiàn)役飛機(jī)，初步提出飛機(jī)機(jī)載系統(tǒng)安全性隱患識(shí)別流程，以識(shí)別出可能導(dǎo)致飛機(jī)發(fā)生飛行事故征候及以上問(wèn)題的部附件相關(guān)故障模式，如圖7 所示。該流程包括8個(gè)主要工作項(xiàng)目：飛機(jī)級(jí)功能危險(xiǎn)分析（AFHA），飛機(jī)級(jí)初步故障樹(shù)分析（APFTA），系統(tǒng)級(jí)功能危險(xiǎn)分析（SFHA），系統(tǒng)級(jí)初步故障樹(shù)分析（SPFTA），部附件故障模式及影響分析/概要（FMEA/FMES），系統(tǒng)級(jí)故障樹(shù)分析（SFTA），飛機(jī)級(jí)故障樹(shù)分析（AFTA）以及共因分析（CCA）。在這些分析工作過(guò)程中均需要應(yīng)用待分析機(jī)型及同類(lèi)機(jī)型的事故、事故征候、故障數(shù)據(jù)和案例等信息。

4.3 適用于在役飛機(jī)的安全性關(guān)鍵部附件內(nèi)零組件級(jí)關(guān)鍵故障模式識(shí)別方法和修理技術(shù)要求識(shí)別方法研究

圖7 適用于在役飛機(jī)的飛機(jī)機(jī)載系統(tǒng)安全隱患識(shí)別流程和方法

飛機(jī)維修工作面對(duì)的是部附件及組成的零組件維修。因此，必須在識(shí)別出“安全性關(guān)鍵部附件的關(guān)鍵故障模式”的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步識(shí)別可能導(dǎo)致這些故障模式的部附件內(nèi)零組件故障模式，稱(chēng)之為“零組件級(jí)關(guān)鍵故障模式”。將采用故障模式及影響分析（FMEA）方法，分析哪些零組件的哪些參數(shù)、工藝等偏差因素可能導(dǎo)致這些結(jié)果，并形成一個(gè)完整的零組件級(jí)關(guān)鍵故障模式識(shí)別方法。該方法也需要應(yīng)用大量的部附件故障案例數(shù)據(jù)、關(guān)鍵部附件維修故檢數(shù)據(jù)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以及有關(guān)系統(tǒng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為參考。

例如，起落架收放控制電磁開(kāi)關(guān)內(nèi)油針卡滯故障，可以導(dǎo)致三個(gè)起落架全部放不下，屬于“安全性關(guān)鍵部附件的關(guān)鍵故障模式”。根據(jù)電磁開(kāi)關(guān)的功能，除了相應(yīng)加工尺寸和硬度的金屬雜質(zhì)可能導(dǎo)致油針卡滯以外，油針的直徑、同軸度，與配合面之間的間隙值，表面和各個(gè)凸臺(tái)的加工毛刺等參數(shù)/工藝偏差達(dá)到一定值時(shí)，均有可能導(dǎo)致實(shí)際使用中發(fā)生油針卡滯，這些具體參數(shù)/工藝等偏差過(guò)大問(wèn)題就是零組件級(jí)關(guān)鍵故障模式。通過(guò)該步驟工作，建立了零組件級(jí)故障模式與部附件故障模式、直至飛機(jī)頂層功能失效發(fā)生飛行事故征候及以上問(wèn)題的邏輯關(guān)系。而識(shí)別出的這些零組件級(jí)故障模式、部附件故障模式、系統(tǒng)級(jí)功能失效模式、飛機(jī)級(jí)功能失效模式正是維修過(guò)程中需要提升維修質(zhì)量、重點(diǎn)防范安全風(fēng)險(xiǎn)的對(duì)象 所在。

在識(shí)別安全性關(guān)鍵部附件的零組件級(jí)關(guān)鍵故障模式的基礎(chǔ)上，研究提出相關(guān)技術(shù)方法，以全面準(zhǔn)確地識(shí)別出部附件維修的哪些參數(shù)、工藝等環(huán)節(jié)有可能造成這些故障模式，例如，針對(duì)液壓油中相應(yīng)尺寸和硬度的金屬雜質(zhì)可能導(dǎo)致起落架電磁開(kāi)關(guān)卡滯、導(dǎo)致三個(gè)起落架放不下來(lái)的問(wèn)題，不僅在電磁開(kāi)關(guān)修理技術(shù)要求中需要明確如何在零組件維修中消除可能存在的毛刺等，還應(yīng)在整個(gè)液壓系統(tǒng)涉及的部附件修理技術(shù)要求中明確相同要求以預(yù)防類(lèi)似問(wèn)題，另外，在液壓系統(tǒng)部附件安裝、清洗和聯(lián)試等過(guò)程中也需要明確各個(gè)環(huán)節(jié)的污染物、外來(lái)物的防控措施。這就涉及零組件、部附件（含管路）、系統(tǒng)三個(gè)層級(jí)的修理技術(shù)要求，涉及維修、組裝、部件試驗(yàn)、系統(tǒng)試驗(yàn)各個(gè)環(huán)節(jié)，在綜合考慮上述因素之后才能完整形成部附件修理關(guān)鍵技術(shù)要求[9-10]。

5 結(jié)論

隨著一部分在研制階段未采用安全性評(píng)估流程和方法研制的現(xiàn)役國(guó)產(chǎn)飛機(jī)日益使用老舊，機(jī)載系統(tǒng)部附件的損耗也隨之增大，之前未發(fā)生過(guò)的問(wèn)題也將陸續(xù)暴露，同時(shí)飛機(jī)使用強(qiáng)度持續(xù)增加，飛行性能邊界不斷逼近，對(duì)現(xiàn)役國(guó)產(chǎn)飛機(jī)質(zhì)量安全水平提出了更為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，需要尋求科學(xué)的思路和方法來(lái)保障此類(lèi)飛機(jī)使用安全。本文借鑒飛機(jī)研制階段的安全性評(píng)估流程和方法，提出在功能、構(gòu)型、系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)均已確定的飛機(jī)上開(kāi)展機(jī)載系統(tǒng)維修質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與防控的思路和方法，可應(yīng)用于正向補(bǔ)充完善飛機(jī)修理技術(shù)要求，提升飛機(jī)維修質(zhì)量，防控質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)。