基于蒙特卡羅方法的限時降級放行影響因素分析

楊曉軍 陳羽 吳幸星

摘要：研究限時降級放行分析對商用飛機以及航空發(fā)動機系統(tǒng)的安全性分析具有重要作用，可為適航當局提供適度超前的技術支持。本文建立了LEAP航空發(fā)動機電子控制系統(tǒng)模型，通過蒙特卡洛方法進行限時降級放行分析，分析不同維修策略、控制規(guī)律、電子控制系統(tǒng)成熟度。結果表明：嚴格維修策略可以縮短系統(tǒng)帶故障運行的時間，降低系統(tǒng)平均LOTC率，進而提高放行間隔時間；控制規(guī)律會影響系統(tǒng)構型，不同系統(tǒng)構型具有不同冗余單元，可通過降低串聯(lián)單元提高系統(tǒng)可靠性；電子控制系統(tǒng)的成熟度高，長時放行間隔長，系統(tǒng)可靠性高。

關鍵詞：限時降級放行；蒙特卡羅方法；長時放行間隔；影響因素

Keywords：limited time dispatch；Monte Carlo method；long-term release interval；influencing factors

0 引言

全權限數(shù)字電子控制（FADEC）系統(tǒng)與傳統(tǒng)機械液壓式控制方式相比具有發(fā)電機性能高、燃油消耗低、維修成本低等優(yōu)點[1]。FADEC系統(tǒng)的關鍵回路和重要功能通過增加冗余部件提高系統(tǒng)可靠性和可放行性[2，3]。在冗余部件存在故障時，系統(tǒng)可以帶故障運行一段時間[4]，美國聯(lián)邦航空管理局頒布了規(guī)范性文件用于分析限時降級放行（TLD）[5]。目前TLD分析方法主要有三種，分別為時間加權平均法（TWA）、馬爾可夫模型法（MM）以及蒙特卡羅（MC）仿真方法。時間加權平均法為計算失效故障率之和，計算精度低；馬爾可夫模型法在多故障情況下存在難于求解的問題；基于大數(shù)定律的蒙特卡羅仿真方法是分析多故障的主要方法[6，7]。

目前，國內(nèi)外通過蒙特卡羅仿真方法解決FADEC系統(tǒng)的多故障問題[8，9]，但仍然存在兩方面的不足：多數(shù)研究模型僅建立簡單可靠性模型，并沒有針對實際航空發(fā)動機電控系統(tǒng)模型進行研究；針對限時降級放行影響因素研究較少。為此，本文建立了LEAP航空發(fā)動機FADEC系統(tǒng)，采用蒙特卡羅方法進行仿真分析，并通過維修策略、控制規(guī)律和電子控制系統(tǒng)成熟度討論影響放行間隔時長因素，從而解決實際多故障下FADEC系統(tǒng)的TLD分析問題，彌補現(xiàn)有研究的不足。

1 維修策略分析

基于最小設備清單（MEL）的多故障維修策略和基于定期檢查報告（PIR）的多故障維修策略主要分析4種維修策略。為便于說明，將A、B、C故障單獨存在時設為長時放行級別；AB故障同時出現(xiàn)設為短時放行級別；ABC故障同時發(fā)生設為禁止放行級別，故維修期限分別為t3、t2和t1。

1）基于MEL維修策略

維修策略1：根據(jù)故障期限，依次修復最高級別的故障。如圖1所示，在該維修策略下t1時刻修復故障C，t2時刻修復故障B，t3時刻修復故障A。

維修策略2：無論之前出現(xiàn)何種故障，首次到達故障維修期限時立即修復系統(tǒng)存在的所有故障。如圖1所示，首先到達t1，則修復A、B、C所有故障。

2）基于MEL和PIR的維修策略

維修策略3：隨時監(jiān)控ST故障，對于LT故障，在維修間隔時間內(nèi)檢查，而對應故障期限僅修復對應故障。如圖2所示，假設檢查時間間隔為tLT1-tLT2，LT故障發(fā)生時間為檢查時間間隔中點tA，維修截止時間設為t2。

當tLT2≤tB≤t2時，即在定時檢查間隔結束前檢測到故障A，在維修間隔結束前發(fā)生故障B。當AB組合故障為禁止放行，則需要在t1時刻之前維修，否則在t2時刻維修故障A，在t3時刻維修故障B。

當tB≤tLT2時，即監(jiān)測到故障B，并且在定時檢查間隔檢測到故障A。當AB組合故障為禁止放行，則在t1（t1=tLT2）時刻維修故障A和故障B，否則在t2時刻維修故障A，在t3時刻維修故障B。

3）基于PIR的維修策略

維修策略4：LT故障和ST故障對應的維修檢查間隔分別為tLT1-tLT2和tST1-tST2，維修截止時期分別為t2和t1，對于禁止放行構型，在所有檢查時間點都進行檢查。如圖3所示，假設AB組合故障為禁止放行構型，則在tST2時刻修復所有故障，否則在t1時刻維修故障B，在t2時刻維修故障A。

2 針對實際FADEC系統(tǒng)進行建模及TLD分析

LEAP發(fā)動機與CFM56系列發(fā)動機相比，具有更低燃油消耗率、更低碳氮排放量、低噪聲、高可靠性等突出優(yōu)點，因此本文選擇LEAP發(fā)動機的FADEC系統(tǒng)進行TLD分析。FADEC系統(tǒng)的工作任務是通過飛機傳來的指令實現(xiàn)對發(fā)動機的控制，并將發(fā)動機信息傳遞給飛機用于狀態(tài)監(jiān)控和維修維護[10]。

LEAP發(fā)動機控制系統(tǒng)部件包括電子發(fā)動機控制單元（EEC A和EEC B）、壓力子系統(tǒng)（PSS）、DMS、燃油計量裝置（FMU）、分離控制單元/伺服閥組件（SCU）、PMA、若干發(fā)動機傳感器、可調(diào)靜子葉片作動機構（VSV）、可變引氣閥門作動機構（VBV）、過渡態(tài)放氣閥門作動機構、可調(diào)渦輪冷卻控制閥門、啟動引氣控制閥門、高壓間隙控制作動機構（HPTACC）、低壓間隙控制作動機構（LPTACC）、2個點火激勵器、短艙防冰控制系統(tǒng)、反推控制系統(tǒng)（T/R和TLA）、振動監(jiān)測系統(tǒng)、EEC冷卻控制系統(tǒng)等，如圖4所示。建立的FADEC系統(tǒng)可靠性模型如圖5所示。

3 影響TLD批準因素

3.1 維修策略對TLD分析結果的影響

針對實際LEAP發(fā)動機的FADEC系統(tǒng)，采用蒙特卡羅仿真方法分別對上述4種維修策略進行建模仿真分析。如圖6所示，在滿足平均可靠性要求條件下，維修策略2帶故障運行長時放行間隔更長，說明該維修策略可靠性更高，系統(tǒng)LOTC率更低。同時，在實際的FADEC系統(tǒng)所有故障中，長時故障比短時故障所占比重更高。因此，實際FADEC系統(tǒng)的LOTC率增漲幅值隨著長時放行間隔延長而增加。

3.2 控制規(guī)律對TLD分析結果的影響

發(fā)動機的控制規(guī)律也稱為發(fā)動機的調(diào)節(jié)規(guī)律，主要指被調(diào)參數(shù)隨著油門桿位置變化和外部干擾因素而產(chǎn)生相應變化的規(guī)律[11]?？刂埔?guī)律的研究影響到FADEC系統(tǒng)的運行性能、經(jīng)濟性能和安全性能等[12]。

1）地面慢車狀態(tài)

3）TLD分析結果對比

如圖8所示，在維修策略2下，基礎構型的FADEC系統(tǒng)平均故障率大于地面慢車構型，也大于空中巡航構型。其中滿足系統(tǒng)平均可靠性要求的最大LTD間隔分別為1175.65FH、1181.95FH和1187.91FH。同一維修策略下不同控制規(guī)律構型的LOTC率不同，這是因為不同控制規(guī)律的系統(tǒng)構型存在差異，地面慢車狀態(tài)系統(tǒng)構型比基礎構型少了N1單元，空中巡航狀態(tài)系統(tǒng)構型比基礎構型少了推力位置信號單元，因此，降低串聯(lián)單元可以提高系統(tǒng)可靠性，提高長時放行間隔。

3.3 電子控制系統(tǒng)成熟度對TLD分析結果的影響

局方批準的入門級系統(tǒng)的最大短時降級放行間隔為125h，最大長時降級放行間隔為250h，而成熟級系統(tǒng)的最大降級放行時間要根據(jù)系統(tǒng)、分析和服務經(jīng)驗而定，因此以短時放行間隔125h和250h作為對比進行討論。如圖9所示，在滿足平均可靠性要求下，長時放行間隔分別為920.4h和1187.9h，可見對于成熟級越高的系統(tǒng)，長時放行間隔越長，系統(tǒng)可靠性越高。

4 結論

本文針對LEAP發(fā)動機的FADEC系統(tǒng)建立了模型單元數(shù)達110個的可靠性模型，總結了4種復雜維修策略，由于不同維修策略對多故障狀態(tài)的處理方式不同，對系統(tǒng)帶故障運行時間有較大影響，較為嚴格的維修策略系統(tǒng)帶故障運行的時間更短，系統(tǒng)平均LOTC率更小，相應的放行間隔時間可以增長；分析了控制規(guī)律對TLD分析結果的影響，由于控制規(guī)律會影響系統(tǒng)構型，不同系統(tǒng)構型具有不同冗余單元，降低串聯(lián)單元和增添冗余單元都是提高系統(tǒng)可靠性的方法；分析了電子控制系統(tǒng)的成熟程度的影響，系統(tǒng)越成熟，長時放行間隔越長，系統(tǒng)可靠性越高。FADEC系統(tǒng)的可靠性越高，進而可以在滿足適航規(guī)定的可靠性要求下進一步提高長時故障降級放行間隔。

參考文獻

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作者簡介

楊曉軍，教授，研究方向：航空發(fā)動機適航與維修。

陳羽，碩士研究生，研究方向：航空器持續(xù)適航與維修。

吳幸星，碩士，研究方向：發(fā)動機電子控制系統(tǒng)適航審定。