基于TEAMS的旋轉(zhuǎn)部件測(cè)試性建模與分析

張 嬌， 范志芳， 封錦琦

(航空工業(yè)北京長(zhǎng)城航空測(cè)控技術(shù)研究所，北京 101111)

測(cè)試性作為裝備的一種設(shè)計(jì)特性，具有與可靠性、維修性、保障性同等重要的地位，是構(gòu)成武器裝備質(zhì)量特性的組成部分[1]。目前整個(gè)測(cè)試性體系包括測(cè)試性設(shè)計(jì)、建模、分析與驗(yàn)證等幾個(gè)主要部分[2]，其中，測(cè)試性建模與分析與測(cè)試性設(shè)計(jì)密不可分，一個(gè)系統(tǒng)的測(cè)試性好壞是由開發(fā)人員在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)之初通過對(duì)系統(tǒng)的功能和結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析之后進(jìn)行可測(cè)性設(shè)計(jì)決定的，由于研發(fā)人員的水平、觀點(diǎn)不一，導(dǎo)致測(cè)試性設(shè)計(jì)的結(jié)果千差萬別，需要通過一定的方法來客觀公正地對(duì)系統(tǒng)或設(shè)備的測(cè)試性設(shè)計(jì)進(jìn)行統(tǒng)一衡量，這就是測(cè)試性建模與分析的目的。測(cè)試性模型采用標(biāo)準(zhǔn)化形式對(duì)系統(tǒng)或機(jī)載設(shè)備的測(cè)試性設(shè)計(jì)要素進(jìn)行描述，然后用計(jì)算機(jī)進(jìn)行輔助分析，并按分析結(jié)果生成測(cè)試方法與故障模式之間的依存關(guān)系及診斷測(cè)試策略，找出產(chǎn)品的測(cè)試性設(shè)計(jì)薄弱環(huán)節(jié)，評(píng)估產(chǎn)品的故障檢測(cè)率和故障隔離率，為測(cè)試性設(shè)計(jì)優(yōu)化提供依據(jù)，同時(shí)為測(cè)試性試驗(yàn)和測(cè)試性綜合評(píng)價(jià)提供支持和依據(jù)[3]。

直升機(jī)因其良好的機(jī)動(dòng)性和靈活性、快速反應(yīng)能力和不受地形限制的特點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用。隨著直升機(jī)在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的作用及地位的日益提高，直升機(jī)的可靠性和安全性問題引起各發(fā)達(dá)國(guó)家的高度重視，其中旋轉(zhuǎn)部件的可靠性、維修性和保障性是重中之重[4-7]。一方面，因?yàn)橹鄙龣C(jī)需要依靠旋轉(zhuǎn)部件來實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的提供與傳遞以及基本的控制功能；另一方面，它的許多旋轉(zhuǎn)部件因其獨(dú)有特性，不能實(shí)現(xiàn)余度設(shè)計(jì)，一旦發(fā)生故障往往會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性的后果，特別是軸承、轉(zhuǎn)軸、齒輪的磨損、裂紋、剝落等故障。在2000年的直升機(jī)事故中，包涵發(fā)動(dòng)機(jī)故障/失去動(dòng)力32起，主尾旋翼故障32起。在最近的伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)中，美軍也有數(shù)架直升機(jī)因機(jī)械故障墜毀。研究表明，直升機(jī)的旋轉(zhuǎn)部件故障率高。轉(zhuǎn)軸、軸承和齒輪是直升機(jī)旋轉(zhuǎn)部件的重要組成部分，作為承受載荷和傳遞動(dòng)力的載體，往往最容易發(fā)生各種故障[8-9]。因此本文以旋翼系統(tǒng)為例開展旋轉(zhuǎn)部件的故障模式影響分析，研究產(chǎn)品測(cè)試性建模層級(jí)結(jié)構(gòu)信息、端口信息、測(cè)點(diǎn)信息、故障模式信息等，建立基于TEAMS(Testability Engineering and Maintenance System)軟件的測(cè)試性模型并進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品測(cè)試性設(shè)計(jì)的合理和不足之處，指導(dǎo)直升機(jī)旋轉(zhuǎn)部件測(cè)試性設(shè)計(jì)，提高直升機(jī)自檢測(cè)能力，為機(jī)械系統(tǒng)故障診斷提供技術(shù)支持。

1 旋翼系統(tǒng)的組成和功能[10]

主旋翼位于直升機(jī)機(jī)身頂部，通過主槳轂中央件及大螺母等連接零件與主旋翼軸固定在一起，為直升機(jī)提供飛行所需的升力和主要操縱力。

主旋翼由主槳轂、主槳葉組件和自動(dòng)傾斜器3個(gè)現(xiàn)場(chǎng)可更換單元或模塊(Line Replaceable Unit/Module，LRU/LRM)組成，其中主槳葉組件包含6個(gè)車間可更換單元(Shop Replaceable Unit，SRU)，具體組成清單見表1。主槳葉翼型段與空氣形成相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生升力，形成主旋翼升力和主要操縱力。主槳轂在主旋翼軸的帶動(dòng)下繞槳轂軸線旋轉(zhuǎn)，通過主槳轂與主旋翼軸的連接零件傳遞升力。自動(dòng)傾斜器可改變槳葉攻角和直升機(jī)姿態(tài)。

表1 主旋翼組成

2 TEAMS模型建立

TEAMS是基于多信號(hào)流模型的測(cè)試性分析與評(píng)估軟件平臺(tái)，以多層次有向圖表示組成單元(故障源)、獨(dú)立信號(hào)流和故障模式之間的相連關(guān)系，并通過定義獨(dú)立信號(hào)與組成單元(故障源)、測(cè)試與信號(hào)之間的關(guān)聯(lián)性來表征目標(biāo)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能、故障和測(cè)試之間的相關(guān)性[11]。旋轉(zhuǎn)部件的測(cè)試性建模工作包括建模數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和模型建立兩部分，測(cè)試性建?？傮w框架如圖1所示。

圖1 測(cè)試性建?？傮w框架圖

2.1 建模數(shù)據(jù)準(zhǔn)備[12]

根據(jù)主旋翼系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理，結(jié)合產(chǎn)品故障模式影響及危害性分析(Failure Mode Effects and Criticality Analysis，F(xiàn)MECA)外場(chǎng)使用維護(hù)中實(shí)際發(fā)生的各種故障，梳理系統(tǒng)機(jī)械、電氣等各個(gè)模塊已發(fā)生和可能發(fā)生的故障模式，得到建模需要的故障模式信息、層次結(jié)構(gòu)及端口信息、工作模式和測(cè)點(diǎn)信息等。

(1) 層次結(jié)構(gòu)信息。

對(duì)主旋翼系統(tǒng)各組成進(jìn)行功能結(jié)構(gòu)劃分，具體見表2。各個(gè)組成間相互作用如下。

表2 主旋翼系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)信息

主槳葉通過兩個(gè)快捷銷與主槳轂連接件連接，在主槳轂的帶動(dòng)下繞槳轂軸線旋轉(zhuǎn)。主槳葉大梁為主承力構(gòu)件，改變后緣調(diào)整片的折彎角度，可以調(diào)整主槳葉的氣動(dòng)性能，實(shí)現(xiàn)主槳葉的動(dòng)平衡調(diào)整。改變平衡配重實(shí)現(xiàn)主槳葉靜、動(dòng)平衡調(diào)整。

主槳轂中央件的花鍵傳遞扭矩，上下錐面?zhèn)鬟f彎矩，通過主槳轂與主旋翼軸的連接零件傳遞升力。球面推力彈性軸承，實(shí)現(xiàn)槳葉的揮舞、擺振和變距運(yùn)動(dòng)，液壓阻尼器為槳葉擺振運(yùn)動(dòng)提供阻尼，防止出現(xiàn)“地面共振”。

自動(dòng)傾斜器主要由動(dòng)環(huán)、不動(dòng)環(huán)和球鉸等組成。動(dòng)環(huán)和不動(dòng)環(huán)之間用軸承連接，動(dòng)環(huán)通過邊距拉桿與槳葉的變距搖臂相連。不動(dòng)環(huán)與操縱線相連，球鉸可以沿旋翼軸上下滑動(dòng)但不轉(zhuǎn)動(dòng)。

(2) 端口信息。

端口信息分為外部端口信息和內(nèi)部端口信息，具體如表3和表4所示。

表3 外部端口信息

表4 內(nèi)部端口信息

外部端口信息分析了主旋翼系統(tǒng)所有輸入和輸出端口，包括端口名稱、端口連接對(duì)象和信號(hào)連接類型；內(nèi)部端口信息給出了主旋翼系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)模塊的輸出端口或雙向端口的名稱、功能及對(duì)應(yīng)模塊的輸入端口或雙向端口的名稱。

(3) 測(cè)點(diǎn)信息。

為監(jiān)測(cè)主旋翼工作狀態(tài)，安裝有轉(zhuǎn)速傳感器、振動(dòng)傳感器、軌跡傳感器。表5為主旋翼測(cè)點(diǎn)信息，包括系統(tǒng)每個(gè)測(cè)點(diǎn)的名稱、測(cè)試對(duì)象和測(cè)試功能等。

表5 測(cè)點(diǎn)信息

通過安裝振動(dòng)傳感器監(jiān)測(cè)振動(dòng)信號(hào)判斷旋翼系統(tǒng)機(jī)械部件是否異常，安裝轉(zhuǎn)速傳感器監(jiān)測(cè)旋翼轉(zhuǎn)速是否在正常范圍內(nèi)，安裝軌跡傳感器測(cè)量各片槳葉的轉(zhuǎn)動(dòng)軌跡實(shí)現(xiàn)對(duì)主槳轂工作狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，保證旋翼系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

(4) 故障模式信息[13]。

需給出旋翼系統(tǒng)每個(gè)零部件的故障模式、所屬單元、故障原因、故障率、對(duì)各層級(jí)影響、檢測(cè)方法等信息。旋翼系統(tǒng)故障模式信息示意見表6，故障模式分析時(shí)考慮外圍交聯(lián)設(shè)備均正常工作，激勵(lì)和驅(qū)動(dòng)都在有效范圍內(nèi)。

表6 旋翼系統(tǒng)故障模式信息示意表

主旋翼系統(tǒng)故障模式及影響分析依據(jù)和數(shù)據(jù)來源如下。

① 故障模式是通過對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和原理進(jìn)行分析，再考慮相似產(chǎn)品在使用或者試驗(yàn)過程中出現(xiàn)的故障進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析、預(yù)測(cè)等。

② 故障原因是從導(dǎo)致產(chǎn)品發(fā)生功能故障或潛在故障的那些物理變化過程等方面查找故障模式發(fā)生的直接原因。除產(chǎn)品自身原因外，也要從外部因素(如其他產(chǎn)品的故障、使用、環(huán)境和人為因素等)尋找產(chǎn)品發(fā)生故障的間接原因。

③ 分析故障影響時(shí)，不考慮多個(gè)因素共同作用或相互作用的影響，即假定該故障是規(guī)定任務(wù)時(shí)間內(nèi)唯一發(fā)生的故障，分析其發(fā)生時(shí)對(duì)產(chǎn)品在使用、功能或狀態(tài)方面的影響。

④ 檢測(cè)方法包括機(jī)內(nèi)測(cè)試設(shè)備(Built-in Test Equipment，BITE)檢測(cè)和人工檢測(cè)。BITE這里解釋為：通過直升機(jī)健康與使用監(jiān)控系統(tǒng)(Health and Use Monitoring System，HUMS)進(jìn)行的檢測(cè)；人工檢測(cè)指的是借助必要的儀器、設(shè)備等進(jìn)行的檢測(cè)。

⑤ 故障率一般由供貨商提供，或參考《非電子設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)手冊(cè)》。

2.2 模型建立

基于TEAMS的模型建立步驟如下[14]。

① 建立系統(tǒng)及內(nèi)部結(jié)構(gòu)。建立系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，按照自頂向下的方式把系統(tǒng)的層次劃分、模塊劃分、模塊內(nèi)部的輸入輸出信號(hào)、模塊間的信號(hào)傳遞關(guān)系用圖形的形式表現(xiàn)。

② 建立故障模式。本項(xiàng)目為零部件級(jí)故障模式建模，因此需在每個(gè)零部件模塊內(nèi)建立故障模式，并設(shè)置故障模式的屬性(故障率、檢測(cè)方式、對(duì)上級(jí)的影響及影響的功能等)。

③ 建立信號(hào)流。依據(jù)內(nèi)外部輸入/輸出端口，在模塊內(nèi)部進(jìn)行信號(hào)交聯(lián)。

④ 建立測(cè)點(diǎn)信息。在模型中依據(jù)檢測(cè)傳感器的安裝位置設(shè)置測(cè)點(diǎn)，并在測(cè)點(diǎn)屬性中選擇測(cè)點(diǎn)可測(cè)試的功能。

依據(jù)主旋翼組成、端口信息、測(cè)點(diǎn)信息和故障模式等建立主旋翼系統(tǒng)模型如圖2所示。圖中綠色粗線為由傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞過來的動(dòng)力；綠色細(xì)線為防扭臂提供防扭力；粉色虛線為由操縱系統(tǒng)傳遞過來的操縱力；棕色細(xì)線為傳遞到下一個(gè)LRU的力，包括但不限于扭力等；紫色虛線為最終傳感器接收數(shù)據(jù)的傳遞關(guān)系，即LRU輸出端到測(cè)試點(diǎn)的連線。為真實(shí)顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成關(guān)系，相應(yīng)模塊均按照實(shí)際數(shù)量進(jìn)行添加顯示，且模塊間的連接關(guān)系僅代表故障傳遞關(guān)系，不代表實(shí)際的物理連接關(guān)系。

圖2 主旋翼TEAMS模型

主旋翼系統(tǒng)各個(gè)LRU/LRM的TEAMS模型如圖3～圖5所示，系統(tǒng)各個(gè)輸入端口的力經(jīng)過自動(dòng)傾斜器的變距拉桿傳遞到主槳轂，再分別經(jīng)過主槳轂傳遞到各個(gè)槳葉。以主槳葉為例，零部件級(jí)的測(cè)試性模型如圖6所示。

圖3 主槳轂TEAMS模型

圖4 自動(dòng)傾斜器TEAMS模型

圖5 主槳葉組件TEAMS模型

圖6 主槳葉零部件級(jí)TEAMS模型

3 TEAMS模型分析

測(cè)試性模型建完后，TEAMS針對(duì)系統(tǒng)可進(jìn)行靜態(tài)分析和動(dòng)態(tài)分析。靜態(tài)分析可以確定模型中的模糊組、不可檢測(cè)故障、隱藏故障、冗余測(cè)試、反饋回路等；動(dòng)態(tài)分析可以得到相關(guān)性矩陣、模糊組動(dòng)態(tài)分析結(jié)果、故障診斷樹、故障檢測(cè)率和故障隔離率等測(cè)試性參數(shù)預(yù)計(jì)值[15-16]。

① 模糊組指一組具有相同可觀測(cè)特征的故障模式集合；

② 不可檢測(cè)故障指利用可用測(cè)試不能檢測(cè)的故障模式；

③ 隱藏故障是系統(tǒng)中的一種或多種故障集的表征，會(huì)被另一種故障掩蓋；

④ 冗余測(cè)試指具有相同特征(即檢測(cè)同一個(gè)故障模式集)的測(cè)試；

⑤ 反饋回路即電路中的閉環(huán)設(shè)計(jì)，它將導(dǎo)致不可解決的故障模式模糊集合；

⑥ 相關(guān)性矩陣是表示各模塊之間相關(guān)性關(guān)系的數(shù)學(xué)矩陣，又稱D矩陣；

⑦ 故障診斷樹是對(duì)被測(cè)設(shè)備進(jìn)行故障檢測(cè)和隔離的測(cè)試順序及診斷分支的組合表示，通常是以二叉樹的形式來表示。

某型直升機(jī)主旋翼系統(tǒng)的測(cè)試性指標(biāo)報(bào)告如圖7所示，采用近優(yōu)測(cè)試算法，設(shè)定測(cè)試成本和測(cè)試時(shí)間權(quán)重各占50%，每小時(shí)的測(cè)試費(fèi)用為10 美元，隔離到LRU 級(jí)別。經(jīng)統(tǒng)計(jì)本系統(tǒng)共有故障模式219個(gè)，測(cè)試點(diǎn)4個(gè)，故障檢測(cè)率91.11%，故障隔離率90.20%，各個(gè)LRU模塊的故障檢測(cè)和隔離統(tǒng)計(jì)信息見表7。

圖7 主旋翼TEAMS模型分析報(bào)告

表7 主旋翼故障檢測(cè)率/隔離率統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)束語

測(cè)試性建模是裝備產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試性仿真、設(shè)計(jì)、分析、評(píng)估等的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，良好的測(cè)試性設(shè)計(jì)，可以提高裝備的戰(zhàn)備完好性、任務(wù)成功性和安全性，減少維修人力及其他保障資源，降低壽命周期費(fèi)用[17-18]。目前電子產(chǎn)品的測(cè)試性設(shè)計(jì)及分析相對(duì)成熟，但是機(jī)械設(shè)備不具備自身故障檢測(cè)能力，可通過安裝各類傳感器進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)，以建模分析的方式驗(yàn)證產(chǎn)品的故障診斷能力。

本文提出基于TEAMS的旋轉(zhuǎn)部件測(cè)試性建模與分析方法，以旋轉(zhuǎn)部件主旋翼系統(tǒng)為對(duì)象，通過分析產(chǎn)品組成、交聯(lián)關(guān)系，結(jié)合故障模式及影響分析、測(cè)點(diǎn)信息等，進(jìn)行模型建立和動(dòng)態(tài)分析，評(píng)估了產(chǎn)品測(cè)試性指標(biāo)，驗(yàn)證了產(chǎn)品模型和測(cè)試性設(shè)計(jì)的一致性，提出機(jī)械設(shè)備可通過外部設(shè)備進(jìn)行傳感器信號(hào)采集與處理分析的故障診斷方法，極大地提高了產(chǎn)品的健康監(jiān)測(cè)，具有重要的推廣和應(yīng)用價(jià)值。