氣動減速系統(tǒng)阻力傘鎖機構(gòu)可靠性分析

辛富康 雷華金 王攀

摘 要：氣動減速系統(tǒng)是保證飛機正常飛行的關(guān)鍵，如何高效、可靠地實現(xiàn)阻力傘鎖機構(gòu)的打開是影響氣動減速系統(tǒng)的關(guān)鍵。本文以氣動減速系統(tǒng)阻力傘鎖機構(gòu)為研究對象，通過對阻力傘鎖機構(gòu)運動特性的分析建立了剛?cè)狁詈戏抡婺Ｐ筒㈤_展動力學(xué)仿真。針對其復(fù)雜的工作特點，提出了阻力傘鎖機構(gòu)卡滯與精度失效兩種關(guān)鍵失效模式。針對關(guān)鍵失效模式分別建立了可靠性分析模型，采用AK-MCS法計算阻力傘鎖機構(gòu)可靠性。通過本文研究，得到了阻力傘鎖機構(gòu)在不確定性環(huán)境下可靠性水平，可以為今后阻力傘鎖可靠性設(shè)計提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：阻力傘鎖； 機構(gòu)； 失效模式； Kriging模型； 可靠性

中圖分類號：V226 文獻標識碼：A DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2023.05.011

基金項目： 航空科學(xué)基金（201929053001）

氣動減速系統(tǒng)可以縮短飛機著陸滑跑距離，是應(yīng)急情況下保證飛行安全必不可少的裝置。其中，阻力傘鎖機構(gòu)是連接機身尾部和阻力傘的連接裝置，是關(guān)系阻力傘能否正常開傘的關(guān)鍵機構(gòu)。同時，阻力傘鎖機構(gòu)的高可靠性是保證氣動減速系統(tǒng)安全運行的關(guān)鍵，直接影響著氣動減速系統(tǒng)的正常工作。因此，針對阻力傘鎖機構(gòu)進行可靠性評估，有助于改進機構(gòu)設(shè)計，延長機構(gòu)使用壽命，降低氣動減速系統(tǒng)的故障率，指導(dǎo)先進氣動減速系統(tǒng)的研制與設(shè)計工作。

針對阻力傘機構(gòu)，郝恒[1]、錢玉生[2]等對阻力傘機構(gòu)開展了功能危險性分析和故障樹分析研究，蘇新兵等[3]在分析某型飛機阻力傘機構(gòu)故障原因的基礎(chǔ)上提出了新型阻力傘機構(gòu)的改進方法，提高了該型飛機阻力傘機構(gòu)的工作可靠性。然而，目前針對阻力傘的研究工作大都從系統(tǒng)層面對阻力傘機構(gòu)進行故障分析，尚未有針對阻力傘鎖運動機構(gòu)的可靠性分析研究。

眾多學(xué)者已經(jīng)對機構(gòu)可靠性建模、可靠性和靈敏度分析方法等方面開展了大量研究并取得了一系列成果，這為本文的研究提供了有益指導(dǎo)。針對機構(gòu)運動可靠性方面，鄭盛等[4]建立了“一字形”導(dǎo)彈展開機構(gòu)啟動階段的可靠性分析模型，根據(jù)啟動階段的驅(qū)動力矩不小于啟動階段的阻力矩建立了極限狀態(tài)方程，并解析推導(dǎo)出該型導(dǎo)彈展開機構(gòu)啟動階段的失效概率；倪健等[5]分析了某型折疊展開機構(gòu)，建立了其等效動力模型，得出了其在運動階段的運動規(guī)律，然后利用運動副真實角位移與預(yù)設(shè)角位移之差建立極限狀態(tài)方程，并通過一次二階矩方法近似求解展開機構(gòu)在展開階段的可靠性；劉飛等[6]在倪健等提出的方法的基礎(chǔ)上，同時考慮基于力矩或基于功的可靠性分析方法，并利用蒙特卡羅抽樣（MCS）算法估算展開機構(gòu)在展開階段的失效概率；胡明等[7]將鎖緊銷簡化為一懸臂梁，根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)知識建立極限狀態(tài)方程，再利用矩方法求解展開機構(gòu)在鎖定階段的可靠性，并進行了可靠性靈敏度分析。同時，許多學(xué)者還分別對飛機動力裝置[8]、艙門機構(gòu)[9]、起落架機構(gòu)[10]、應(yīng)急放機構(gòu)[11]等進行了可靠性評估，為阻力傘鎖機構(gòu)可靠性評估提供了有效途徑。

本文建立了阻力傘鎖機構(gòu)剛?cè)狁詈戏抡婺Ｐ停紤]摩擦系數(shù)、銷軸半徑等參數(shù)對機構(gòu)可靠性的影響，分別針對卡滯與精度不足兩種失效模式進行可靠性建模。采用自適應(yīng)Kriging結(jié)合MCS的AK-MCS方法進行了阻力傘鎖機構(gòu)可靠性分析，計算結(jié)果可以為工程實際提供指導(dǎo)作用。

1 阻力傘鎖運動機構(gòu)動力學(xué)仿真

1.1 阻力傘鎖機構(gòu)剛?cè)狁詈辖?/p>

阻力傘鎖通常安裝于機身尾部，通過掛環(huán)和阻力傘連接，典型的傘鎖采用“旋轉(zhuǎn)杠桿/省力增速”機構(gòu)設(shè)計，進行開傘控制[12]，阻力傘鎖運動機構(gòu)如圖1所示。

在阻力傘鎖運動機構(gòu)進行仿真建模時，僅需將關(guān)鍵傳力部件進行仿真建模即可，對于不影響機構(gòu)正常運動的部件可進行適當(dāng)簡化，從而能夠更加清晰地描述機構(gòu)的運動過程。簡化后的阻力傘鎖機構(gòu)ADAMS仿真模型如圖2所示，主要關(guān)鍵部件包括支撐鉤、耳片、襯套、曲臂、滾柱梁、套筒、連桿、扇形板、電伺閥等。

阻力傘鎖機構(gòu)在實際運動過程中關(guān)鍵部件間相互接觸碰撞時存在結(jié)構(gòu)變形，為了更加真實地反映機構(gòu)的真實運動過程，采用柔性化的方式進行仿真建模。然而，對仿真模型進行可靠性分析的計算效率不僅取決于算法本身的效率，也受到仿真模型仿真時間的影響。因此，為了提高可靠性分析的計算效率，使所需計算量控制在可接受的范圍內(nèi)，在ADAMS軟件中采用剛?cè)狁詈系姆绞綄ψ枇沔i機構(gòu)進行運動仿真。由于傳力路徑上支撐鉤的變形相對于其幾何尺寸而言變形較小，為簡化計算，不考慮其變形，采用剛性體進行建模仿真。針對耳片、滾柱梁、套筒、連桿等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件進行柔性化建模，在ADAMS中將阻力傘鎖中的剛體模型替換為柔性體文件，借助ABAQUS和ADAMS軟件聯(lián)合仿真形成剛?cè)狁詈夏Ｐ?。圖3為阻力傘鎖機構(gòu)仿真分析過程中的應(yīng)力變化圖，運動過程中最大Mises應(yīng)力為820.51MPa。

1.2 阻力傘鎖機構(gòu)運動過程

如圖4所示，阻力傘拋傘過程可描述為：阻力傘拋出，傘繩拉直，傘鎖受到瞬間沖擊載荷，持續(xù)時間短（幾十毫秒）；阻力傘完全張開過程，持續(xù)時間長，載荷峰值相對較大，但可視為準靜態(tài)載荷[13]。開鎖過程主要通過電伺閥門控制，電伺閥門逆時針旋轉(zhuǎn)，準靜態(tài)過程被破壞。扇形板繞銷釘順時針旋轉(zhuǎn)，進而帶動套筒逆時針旋轉(zhuǎn)，曲臂與滾柱梁間接觸消失，同時因受力鉤與支撐鉤不再咬合，從而釋放阻力傘掛環(huán)，實現(xiàn)拋傘。阻力傘鎖整個拋傘過程耗時0.25s。

1.3 阻力傘鎖機構(gòu)運動規(guī)律

通過對阻力傘鎖機構(gòu)進行運動仿真，得到支撐鉤的偏轉(zhuǎn)角度變化如圖5所示。可以看出，支撐鉤在拋傘前始終處于0°附近，在拋傘的一瞬間支撐鉤打開，角度變化至13°左右。圖6所示為曲臂傳遞至滾柱梁的載荷變化曲線，在拋傘前滾柱梁所受載荷維持在1500N左右。

2 阻力傘鎖機構(gòu)可靠性建模

2.1 阻力傘鎖機構(gòu)不確定性分析

傳統(tǒng)的鎖機構(gòu)設(shè)計方法是從功能特性出發(fā)，以實現(xiàn)阻力傘鎖正常工作為設(shè)計目標，未考慮設(shè)計過程中存在的不確定性因素。然而，阻力傘鎖機構(gòu)的設(shè)計中存在大量的不確定性因素，這些不確定性因素的存在將導(dǎo)致阻力傘鎖的打開存在故障隱患，影響氣動減速系統(tǒng)的正常工作，甚至?xí)?dǎo)致飛行員發(fā)生災(zāi)難性的事故。因此亟須開展不確定性環(huán)境下的阻力傘鎖可靠性分析，提升阻力傘鎖的可靠性。

本文基于阻力傘鎖機構(gòu)的動力學(xué)分析模型，通過對阻力傘鎖機構(gòu)設(shè)計、加工及使用過程中可能存在的不確定性進行分析，為阻力傘鎖的可靠性分析提供輸入條件。首先，由于傳力路徑上鉸接處可能出現(xiàn)軸承磨損以及維修保養(yǎng)不到位，從而造成機構(gòu)各關(guān)節(jié)潤滑性能下降，摩擦力變大，機構(gòu)運動阻滯力過大對機構(gòu)正常偏轉(zhuǎn)有顯著影響，因此，在此處設(shè)置了對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)副與摩擦副。如圖7所示，將電伺閥與扇形板接觸處（A）、滾柱梁與曲臂接觸處（B）、襯套與支撐鉤連接處（C）、扇形板與連桿連接處（D）、兩個連桿連接處（E）的摩擦系數(shù)（μA、 μB、 μC、 μD、 μE）定義為隨機變量。此外，考慮加工誤差的影響，銷軸半徑會影響機構(gòu)傳動精度，進而影響整個阻力傘鎖收放機構(gòu)的正常功能甚至引起失效，因此選取圖7中的C處（支撐鉤與襯套連接處）銷軸半徑r作為隨機變量。

隨機變量的分布及參數(shù)見表1，本文中假設(shè)各個輸入變量之間是相互獨立的。

2.2 阻力傘鎖機構(gòu)失效模式

阻力傘鎖機構(gòu)需要在規(guī)定的時間范圍內(nèi)完成拋傘功能，倘若未能完成規(guī)定動作或完成動作超時，則視為發(fā)生故障。阻力傘鎖機構(gòu)最顯著的特征是通過傳遞力或力矩使機構(gòu)部件發(fā)生旋轉(zhuǎn)，根據(jù)阻力傘鎖機構(gòu)故障模式影響分析，得到發(fā)生故障的主要原因包括運動元件的磨損、銹蝕、潤滑不足等。為了對阻力傘鎖機構(gòu)的故障進行定量研究，對阻力傘鎖機構(gòu)運動特點進行分析研究，主要考慮了卡滯和精度不足兩種失效模式來評估阻力傘鎖機構(gòu)的可靠性。

2.2.1 卡滯失效

機械卡滯是指阻力傘鎖由運動機構(gòu)故障或阻力傘鎖本身變形過大引起的在拋傘過程中不能繼續(xù)運動或者主動操縱力矩不能克服被動力矩的故障模式。與機械卡滯有關(guān)的阻力傘鎖部件有支撐鉤、滾柱梁、連桿、扇形板、電伺閥門等。造成機械卡滯的原因主要是運動部件的磨損和銹蝕，支撐鉤與襯套、扇形板與連桿等部件過度磨損，阻力增大，使阻力傘鎖卡滯。另外，襯套軸承銹蝕造成機械卡滯也時有發(fā)生，潤滑不良也會造成阻力傘鎖卡滯。

2.2.2 精度失效

操縱精度不足是阻力傘鎖在拋傘過程中出于某種原因?qū)е伦枇沔i不能放置到所需要的位置上或者有一定的偏差，對阻力傘鎖的拋傘造成一定的影響。與阻力傘鎖操縱精度不足有關(guān)的部件有電伺閥、扇形板等傳動裝置，主要原因是這些部件長期使用造成磨損或者疲勞引起傳動誤差，進而對阻力傘鎖的拋傘過程造成了精度影響。

實際工程中，對于卡滯和運動精度不足的失效邊界沒有具體要求，為此，本文利用仿真分析模型，先對兩種失效模式的功能響應(yīng)進行了統(tǒng)計分析。通過ADAMS調(diào)用阻力傘鎖機構(gòu)模型1000次，得到阻力傘鎖機構(gòu)在實際運動過程中滾柱梁所受載荷與支撐鉤偏轉(zhuǎn)角度分布如圖8、圖9所示。

3 阻力傘鎖運動機構(gòu)可靠性分析

3.1 基于AK-MCS的可靠性分析方法

對于工程實際問題，通常需要借助仿真軟件映射輸入與輸出的關(guān)系，耗時的模型調(diào)用使得可靠性計算效率低下。目前，基于代理模型的可靠性分析方法被廣泛應(yīng)用于仿真模型的可靠性評估，常用的代理模型有響應(yīng)面、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、Kriging模型等。其中基于Kriging模型的AK-MCS方法是目前應(yīng)用最廣泛的可靠性分析方法。

3.2 阻力傘鎖機構(gòu)可靠性分析結(jié)果

對于阻力傘鎖機構(gòu)，如果直接采用MCS法進行驗證，計算量在工程上是不能接受的，因此采用3.1節(jié)所述AKMCS方法分別對上述兩種失效模式進行可靠性分析。本文針對卡滯和精度不足兩種失效模式分別建立了Kriging模型，然后利用訓(xùn)練好的Kriging代理模型計算阻力傘鎖機構(gòu)的可靠性及可靠性局部靈敏度指標值，見表2。

從可靠性的分析結(jié)果來看，阻力傘鎖機構(gòu)的精度失效模式調(diào)用模型307次，得到失效概率的估計值為0.014，卡滯失效模式調(diào)用模型675次，得到失效概率的估計值為0.044。失效概率對輸入變量的均值與方差靈敏度如圖10所示，對于精度失效而言，C處襯套半徑的均值與方差以及A處摩擦系數(shù)的方差對失效概率均影響較大。對于卡滯失效而言，C處襯套半徑以及A、B、C處摩擦系數(shù)對失效概率均有較大影響。

4 結(jié)論

通過研究，可以得出以下結(jié)論：

（1）本文在ADAMS中建立了阻力傘鎖機構(gòu)剛?cè)狁詈夏Ｐ?，同時考慮摩擦系數(shù)、襯套半徑的不確定性，將滾柱梁承受載荷與支撐鉤運動角度作為機構(gòu)響應(yīng)量，建立了阻力傘鎖機構(gòu)卡滯失效與精度失效的可靠性模型。

（2）基于自適應(yīng)Kriging代理模型，結(jié)合MCS法對阻力傘鎖機構(gòu)進行了可靠性分析，該計算結(jié)果可以為阻力傘鎖可靠性設(shè)計提供參考。

（3）本文旨在提升阻力傘鎖的可靠性水平，提升氣動減速系統(tǒng)的安全性，保障阻力傘的順利釋放。研究成果可以推廣至其他機構(gòu)產(chǎn)品的可靠性建模和分析中，為機構(gòu)產(chǎn)品的可靠性設(shè)計提供理論支撐和技術(shù)手段。

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Reliability Analysis on Drag Parachute Lock Mechanism of Aerodynamic Deceleration System

Xin Fukang1， Lei Huajin2， Wang Pan1

1. Northwestern Polytechnical University， Xi’an 710072， China

2. AVIC Aerospace Life-support Industries Ltd.， Xiangyang 441003，China

Abstract： Aerodynamic deceleration system is important to ensure the normal flight of aircraft， while to efficiently and reliably to swithch on the drag parachute mechanism is vital to influence the aerodynamic deceleration system. This paper takes the drag parachute lock mechanism of aerodynamic deceleration system as the research object. The rigid-flexible coupling simulation model is established by analyzing the motion characteristics of drag parachute lock mechanism. According to its complex working characteristics， two key failure modes stuck and precision failure of drag parachute lock mechanism are proposed. Based on this， the reliability analysis model of two failure modes is established. The AK-MCS method is used to calculate the reliability of drag parachute lock mechanism， which provides technical support for improving the reliability design level of drag parachute lock mechanism of aerodynamic deceleration system and meeting the reliability requirements.

Key Words： drag parachute lock； mechanism； failure mode； Kriging model； reliability