某型航空地平儀日歷壽命延壽分析決策方法

吳宏宇 呂沛?zhèn)? 李琳

摘要：為提升裝備完好率，滿足用戶的使用需求，根據(jù)某型地平儀的相關(guān)技術(shù)資料，結(jié)合近30年的修理經(jīng)驗，分析影響該型地平儀可靠性的主要因素，結(jié)合產(chǎn)品壽命控制及產(chǎn)品使用情況，研究該型航空地平儀延壽的可行性。

關(guān)鍵詞：地平儀；日歷壽命延壽；決策方法

Keywords： gyro horizon instrument；calendar life extension；decision-making method

0 引言

某型航空地平儀日歷壽命控制是影響某系列直升機完好率的突出問題，根據(jù)OEM相關(guān)技術(shù)通報規(guī)定，地平儀規(guī)定總壽命為9000h/20年，而直升機的總?cè)諝v壽命為35～40年，地平儀的日歷壽命遠(yuǎn)低于直升機日歷壽命。目前，國內(nèi)該系列直升機最長使用時間已超過30年，直升機裝配的地平儀已超過或接近規(guī)定總?cè)諝v期，但工作時間僅使用到設(shè)計值的約67%，與直升機機體壽命控制不匹配。到壽更換不僅耗費大量人力物力資源，地平儀的使用潛力也沒有得到充分發(fā)揮，造成資源的嚴(yán)重浪費；同時，該型地平儀采購渠道不暢，國內(nèi)無替代產(chǎn)品，用戶面臨地平儀缺口增加問題，將嚴(yán)重影響直升機的完好率。因此，根據(jù)地平儀運行狀況開展其日歷壽命延長研究，制定相應(yīng)的措施以有效降低其使用成本，具有重要的現(xiàn)實意義。

1 地平儀結(jié)構(gòu)與原理

該型地平儀是一個帶機械式修正器的三自由度陀螺儀，主要由陀螺系統(tǒng)、鎖定裝置、指示系統(tǒng)、故障信號系統(tǒng)、極限傾斜信號裝置以及指令指示系統(tǒng)等組成。地平儀的構(gòu)造組件如圖1所示。

1.1 陀螺系統(tǒng)

陀螺系統(tǒng)由三自由度陀螺儀、機械式修正機構(gòu)組成。陀螺系統(tǒng)工作原理基于三自由度陀螺自轉(zhuǎn)軸在保持空間方向不變（穩(wěn)定性）的特性。為避免一些不利因素（各軸的摩擦力矩、不平衡力矩等）以及因地球旋轉(zhuǎn)和直升機機動飛行所造成的自動偏移，在陀螺儀中設(shè)有由滾珠和導(dǎo)向器組成的修正機構(gòu)；修正機構(gòu)產(chǎn)生的修正力矩可將陀螺儀自轉(zhuǎn)軸控制在當(dāng)?shù)卮咕€方向上。

1.2 鎖定裝置

鎖定裝置能使陀螺儀內(nèi)外框同時迅速回到起始位置，以縮短航空地平儀的準(zhǔn)備時間。鎖定裝置由內(nèi)外框鎖定機構(gòu)、上鎖手柄組成。在鎖定手柄平移運動時，帶滑輪的聯(lián)桿同時移動，松開微動開關(guān)按鈕，同時關(guān)斷故障指示器和故障信號器的電源。

1.3 指示系統(tǒng)

該型地平儀采用人工地平線和模擬小飛機的相對變化來反映直升機的飛行姿態(tài)，傾斜和俯仰指示靠活動球形刻度盤相對固定小飛機的運動來實現(xiàn)，給飛行員提供有關(guān)直升機相對地面的飛行姿態(tài)，以及直升機是否側(cè)滑的直觀信息?？潭缺P與陀螺儀連接并在空間保持平衡，傾斜和俯仰的指示靠儀表殼體與直升機一起相對萬向支架縱橫軸的轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)。根據(jù)與儀表殼體鋼性連接的小飛機的傾斜來確定傾斜方向，俯仰角按傾斜指標(biāo)相對刻度盤零度的位置確定；平飛時，傾斜指標(biāo)應(yīng)正對傾斜刻度盤的零度。按小飛機相對人工地平線的位置來判斷俯仰方向，俯仰角是由俯仰刻度盤相對小飛機固定中心的位置來確定的。

1.4 故障信號系統(tǒng)

該系統(tǒng)是一個電子設(shè)備，由故障檢查電子組件、終點微動開關(guān)、指示器和故障信號電路轉(zhuǎn)換、繼電器信號旗、濾波器板和分壓器組成，為飛行員提供儀表故障信息，包括陀螺電動機轉(zhuǎn)速減小，沒有36V、400Hz電源，電源電壓斷相，陀螺儀鎖定，CKT沒有電源電壓等。

1.5 極限傾斜信號系統(tǒng)

該系統(tǒng)由電子組件、極限傾斜信號電路轉(zhuǎn)換繼電器組成。電子組件為一印刷電路板，用于接收和處理傾斜角傳感器的信號；繼電器給故障旗和地平儀傾斜故障信號燈輸出極限傾斜信號，根據(jù)外部信號將極限傾斜角范圍從“航行”狀態(tài)轉(zhuǎn)換到“著陸”狀態(tài)，為飛行員提供達(dá)到極限傾斜角±15°和±32°的信息。

1.6 指令顯示系統(tǒng)

該系統(tǒng)顯示航跡控制系統(tǒng)提供的直升機傾斜和俯仰的控制指令，由電磁指令指示器和轉(zhuǎn)換繼電器組成。磁電指令指示器將航跡控制計算器的電信號轉(zhuǎn)換成指令指標(biāo)的角位移，繼電器用于將各指標(biāo)的偏移狀態(tài)轉(zhuǎn)換到工作狀態(tài)。

1.7 傾斜、俯仰和遠(yuǎn)距信號發(fā)送系統(tǒng)

該系統(tǒng)由安裝在萬向支架內(nèi)外框軸上的傾斜和俯仰同步器CKT-250組成，將傾斜和俯仰信號發(fā)送到自動駕駛儀、氣象雷達(dá)、多普勒導(dǎo)航系統(tǒng)等，并實現(xiàn)陀螺儀遠(yuǎn)距偏轉(zhuǎn)信息發(fā)送。

2 延壽可行性分析

目前決策飛機有壽件的延壽方法，主要是通過RCM理論判斷設(shè)備作為有壽件控制的必要性，對于有必要進行延壽的設(shè)備，需按照壽命指標(biāo)的原則選取合適的指標(biāo)。根據(jù)地平儀的結(jié)構(gòu)特點、失效模式、全壽命使用環(huán)境和延壽方法的適用性，選取等效加速試驗對其進行延壽，能夠較好地解決地平儀延壽問題。

2.1 失效模式

根據(jù)地平儀的結(jié)構(gòu)原理、工作狀態(tài)，識別受日歷期、工作時間影響的零組件，從振動因子、溫度因子和濕度因子分析其失效模式，見表1。

2.2 全壽命周期使用環(huán)境分析

1）外部環(huán)境

我國幅員遼闊、經(jīng)緯度跨度大，地表特征明顯；北方低溫、干燥、多風(fēng)沙等，東南沿海高溫、高濕、高鹽，北方低溫、干燥、多風(fēng)沙等。該系列直升機在我國南方的主要使用地區(qū)為江蘇、福建、廣東一帶，夏季氣溫高、濕度大。直升機地面停放狀態(tài)下，地平儀主要受溫度、濕度、大氣污染物等各種地面自然環(huán)境因素的影響（極限停放環(huán)境溫度可達(dá)-40℃～+70℃）；直升機飛行狀態(tài)下，則主要經(jīng)受溫度（由大氣環(huán)境溫度、駕駛艙溫度和地平儀工作發(fā)熱疊加產(chǎn)生）、濕度、振動（由機體振動導(dǎo)致，振動頻率約為14～40Hz，振動加速度為0.3g～0.4g）等誘發(fā)環(huán)境因素的影響。

2）內(nèi)部環(huán)境

地平儀各零部件裝配完好，封裝在產(chǎn)品外殼中，且頭部和尾部均安裝有封嚴(yán)膠圈，密封膠圈隨翻修一律換新，對防潮、防塵和防腐蝕有一定的作用。

2.3 可靠性分析

根據(jù)上述地平儀全壽命使用環(huán)境可以看出，其整個過程受外界溫度、濕度、振動影響。由于日歷期延壽的地平儀工作時間剩余較多，結(jié)合工廠近30年的修理經(jīng)驗，未發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品內(nèi)部受濕度影響產(chǎn)生的腐蝕、生銹、元器件老化等現(xiàn)象，因此產(chǎn)品內(nèi)部受環(huán)境濕度因子影響很小。本次延壽分析影響地平儀工作可靠性的因素，僅選取溫度因子。

3 延壽方法

根據(jù)原國防科工委第1325號文件《航空技術(shù)裝備壽命和可靠性工作暫行規(guī)定》，產(chǎn)品延壽應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品特點及直升機的使用情況來選擇延壽方式，確定產(chǎn)品的使用期限，常用的方法有廠內(nèi)壽命試驗法、領(lǐng)先使用法、外場信息法和相似法。領(lǐng)先使用法是在內(nèi)場確定壽命初始值的基礎(chǔ)上，通過外場領(lǐng)先使用，不斷將壽命延長到一定水平，適用于改型、沿用以及新研產(chǎn)品。相似法是與相似產(chǎn)品進行比較，然后根據(jù)相似產(chǎn)品壽命確定或延長壽命，適用于國產(chǎn)化部件。

3.1 廠內(nèi)壽命試驗法

19世紀(jì)阿倫尼斯研究了溫度因子激發(fā)的物理化學(xué)變化過程，在機電、電子類產(chǎn)品加速壽命試驗中得到了廣泛應(yīng)用，因此本次方案采用阿倫尼斯模型進行分析研究，得出地平儀延壽的可靠性。阿倫尼斯模型反映的是產(chǎn)品特性與激活能和施加應(yīng)力的關(guān)系，本方案考核產(chǎn)品通過高溫試驗到常溫試驗的過程，根據(jù)地平儀全壽命周期環(huán)境可知，工作狀態(tài)和停放貯存狀態(tài)均不受低溫結(jié)冰影響，產(chǎn)品高溫帶電工作狀態(tài)才是加速老化的因素，因此選取高溫因子進行試驗。

通過三件樣件進行溫度因子的選取。根據(jù)地平儀使用維護手冊，該型地平儀在（-40℃～+60℃）溫度范圍內(nèi)可正常工作，因此可選取初始溫度因子t0=65℃為初始溫度，直至最高溫度達(dá)到85℃（參考地平儀內(nèi)部電路系統(tǒng)全部由獨立分立元器件組成，其中電容、繼電器、PN結(jié)、漆包線絕緣層、觸點膠液等受高溫會損壞，一般工程試驗中不超過100℃，此處為保證產(chǎn)品試驗通過率，選取保險值85℃），在該溫度下保溫24h，冷卻至常溫后進行性能試驗，試驗結(jié)束。選取到總?cè)諝v期的地平儀，通過一系列試驗，認(rèn)為總?cè)諝v期可延長至25年。

3.2 領(lǐng)先使用法

根據(jù)對地平儀各零組件失效因子的分析及地平儀全壽命周期環(huán)境剖面分析，制定環(huán)境加速試驗方案，對經(jīng)過延壽修理的地平儀開展壽命加速試驗，由此確定經(jīng)延壽修理的地平儀能否進行日歷期延壽及日歷期延長年限，并根據(jù)試驗情況給出裝機領(lǐng)先使用指導(dǎo)壽命。開展裝機領(lǐng)先使用，并制定相關(guān)技術(shù)監(jiān)控措施，驗證延壽研究結(jié)論的正確性。然后根據(jù)外場領(lǐng)先使用情況，給出延壽結(jié)論。以5件樣本進入領(lǐng)先使用。領(lǐng)先試用期間定期收集用戶意見，若無故障發(fā)生，領(lǐng)先使用一年后做簡單目測和性能測試，未見異常。領(lǐng)先使用的樣本總?cè)諝v期為5年。因此，認(rèn)為總?cè)諝v期可延長至25年。

3.3 外場信息法

根據(jù)修理經(jīng)驗統(tǒng)計，各型地平儀常見故障有故障旗不收、啟動時間超差、產(chǎn)品工作聲音異常等，主要常見故障詳見表2。收集飛行使用數(shù)據(jù)，認(rèn)為總?cè)諝v期可延長至25年。

4 延壽預(yù)防措施

該系列直升機單機配裝2～3件地平儀，正常情況下為飛行員提供直升機相對于真實地面的傾斜和俯仰位置信息，此外，該系列直升機均配裝了組合導(dǎo)航系統(tǒng)，具備直升機姿態(tài)信息的指示功能。每架直升機的地平儀供電系統(tǒng)相互獨立、互不影響。極端條件下，當(dāng)單件地平儀失效后，另一件地平儀可正常工作。直升機儀表板右側(cè)地平儀為主地平儀，給自動駕駛儀提供姿態(tài)信號，因此規(guī)定延壽的地平儀裝于左駕，可防止失效后對自動駕駛儀系統(tǒng)產(chǎn)生影響。

5 結(jié)束語

地平儀的日歷壽命延壽工作是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，應(yīng)充分利用所收集的各類數(shù)據(jù)以及現(xiàn)有的設(shè)備條件，依據(jù)現(xiàn)實情況，選取恰當(dāng)?shù)尿炇辗椒ㄟM行實施。單一方法得出的日歷壽命結(jié)論往往考慮因素不周全，有一定局限性。

本文提出的方法為地平儀日歷壽命延長提供了新的理論指導(dǎo)方法，延壽結(jié)論由日歷壽命延長值與延壽預(yù)防措施共同組成，保證了地平儀延壽目標(biāo)的實現(xiàn)。本文所述方法可為地平儀延長日歷壽命的工程運用提供參考。

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