基于故障危害度的飛機電源系統可靠性評估

夏遠飛

（空軍第一航空學院，河南 信陽464000）

0 引 言

對飛機電源系統可靠性評估是衡量電源系統可靠性是否達到預期設計目標和促進可靠性增長的重要途徑。目前對飛機電源系統的可靠性評估方法很多，但還沒有一個理想的方法，有必要進行科學合理的可靠性評估方法研究。

平均無故障時間（mean time between failure，MTBF）是可靠性評估中最常用指標之一，傳統的評估方法只統計故障數量，不考慮故障的危害性，難以體現可靠性指標對產品的安全性和任務成功率與戰備完好率的影響。該文針對某型飛機電源系統在外場使用過程中出現的大量故障數據，提出一種基于危害度的故障統計方法，并應用于飛機電源系統的可靠性評估[1-2]。

1 基于故障危害度的統計模型

數學平均值法不計算母體的分布，直接用子樣統計量去估計母體的特征值，因此也稱為非參數法。用數學平均值法計算飛機電源系統的MTBF是一種經典的點估計方法，其優點是算法簡單，但結果比較粗糙，而且其結果對故障數目的變化非常敏感。另外數學平均值法把飛機電源系統的所有故障同等看待，因此無法計算出故障對飛機電源系統供電危害性的影響。

對故障樣本數據進行可靠性評估，傳統的分布計算法是將所有的故障樣本進行混合，分布檢驗，確定分布模型，計算可靠性指標，這種方法可以檢驗出符合的分布類型，在數學上是合理的。從工程角度上看，各故障樣本屬于不同的失效模式，而失效模式決定了故障的分布類型，相同的故障模式是屬于同一分布類型的，因此，由失效模式去建立分布類型也是科學合理的。

基于危害度的故障統計模型是以故障對飛機電源系統供電危害性的影響進行分級，從每個故障的失效機理出發建立相應的分布統計模型，再采用分布計算法和二次分布計算法進行可靠性指標計算，具體分析流程如圖1所示。

圖1 基于危害度故障統計流程

基于危害度故障統計分析中，應注意對于同一故障同時存在多種失效模式時，首先對各種失效模式分別進行分布檢驗和參數估計；然后利用二次分布方法對該故障的各種模式的指標進行分布檢驗和參數估計，得到該故障的可靠性指標；最后對所有故障的分布參數利用二次分布法進行分布檢驗和參數估計，得到系統整體可靠性參數的分布，從而確定系統整體的可靠性指標。

1.1 基于危害度的故障分類

由于元器件的失效所引起的系統失效，并不一定都使系統達到致命的程度；因此，明確失效后的嚴重程度及其概率是定量分析中的重要環節。對飛機電源系統，其系統本身非常復雜、故障模式很多，不同的故障對飛機電源系統供電的危害性差異很大。因此，按照危害度對飛機電源系統的故障進行等級分類，會更有效地對飛機電源系統供電的可靠性進行評估。依據飛機電源系統在外場發生大量故障的統計，并結合國軍標的要求，提出對飛機電源系統故障按危害度等級分為4類，具體分類如下：

（1）擊穿燒毀類故障。指電源系統中關鍵件的電子元器件被擊穿燒毀，其破壞后果是導致飛機電源系統發生空中斷電或任務失效，影響飛行安全。

（2）接觸不良類故障。導致電源系統中的元器件工作不正常，時好時壞，其破壞后果是導致飛機不能繼續飛行或不能完成預定的飛行訓練任務。

（3）性能參數偏離額定值類故障。導致電源系統的供電性能參數偏離額定值，但不會危及飛行安全或不會影響預定的飛行訓練任務的完成。

（4）輕微性故障。很容易排除的或受人為因素影響的故障，故障排除后不會影響電源系統的供電性能參數[3-4]。

1.2 各類危害度故障可靠性指標評估

若某類故障只包含單一故障模式，則直接對該故障模式進行分布檢驗和參數估計，確定該類故障的可靠性指標。

若某類故障包含多種故障模式，則需把此類故障按照故障模式進行分類。故障機理決定了分布的類型，對每類故障模式進行分布檢驗和參數估計，確定每類故障的可靠性指標。采用二次分布法，將各故障模式的指標二次混合，進行分布檢驗和參數估計，確定此類故障的可靠性指標。

飛機電源系統的故障模式多種多樣，用何種分布來描述某一具體的故障模式需要通過典型分布的檢驗來確定，如正態檢驗（W檢驗）、指數檢驗（605-x2檢驗）、威布爾檢驗（M檢驗）等。

分布計算法是首先將飛機電源系統的故障數據進行統計分析，求出故障的分布規律，如指數分布、正態分布、威布爾分布等，然后根據分布規律計算出可靠性指標。二次分布算法是在分布計算法原理的基礎上，將故障按照失效模式分類，分別計算同一故障模式的分布規律和可靠性指標，然后再將故障模式的指標進行二次混合，計算出總體的分布規律和可靠性指標[5]。

1.3 總體可靠性指標評估

各類危害度故障可靠性指標確定后，再用二次分布算法，將各類危害度故障可靠性指標進行二次混合，得到關于各類危害度故障可靠性指標的混合數據。然后進行擬合檢驗和參數估計，從而建立系統總體可靠性指標的分布模型，再根據系統總體分布模型進行系統總體可靠性指標的評估[6]。

2 飛機電源系統可靠性評估

利用飛機電源系統故障數據進行MTBF評估，采用數學平均值法是用電源系統總累計工作時間除以總故障數；整體混合分布計算方法是將所有故障進行一次混合，用數學方法進行擬合檢驗，確定故障分布模型，然后進行MTBF指標評估。由于點估計值是一個隨機變量，它與母體可靠性參數的真值可能很接近，也可能相差很遠，由于點估計值的可信度較低，所以對母體的可靠性特征參數常常只能給出一個區間估計。對于飛機電源系統的MTBF值，關心的是置信下限。在給定置信度條件下，指數分布壽命的置信下限的系數受形狀參數、特征參數和樣本數量的影響較大。

針對飛機電源系統在外場使用情況進行可靠性指標計算分析，以某型20架飛機為例，2006年8月～2010年8月，電源系統發生故障105起，其中導致空中斷電故障5起。表1列出應用危害度故障統計模型計算的飛機電源系統各類危害度故障的MTBF點估計值和區間估計下限。電源系統故障樣本數量越多，置信區間越短；故障樣本數量越少，置信區間越長[7]。

表1 各類危害度故障MTBF評估

應用數學平均值法、整體混合一次分布法和基于危害度故障統計分析方法對飛機電源系統總體可靠性指標進行評估，其結果如表2所示。

表2 主交流電源系統總體MTBF評估

由表2可以看出，應用數學平均值法和整體混合一次分布法的結果比較接近，這是因為這2種方法采用的故障樣本是相同的，只是計算方法不同，一個是平均值，另一個是分布的數學希望。基于危害度故障統計分析方法是從故障模式指標出發，到各類危害度故障可靠性指標，再到總體可靠性指標，采用二次分布實現從部分到整體的指標融合。對于故障模式的融合，由于它們的樣本數量和故障時間基本相當，所以采用二次分布融合比較合理。而對于各類危害度故障指標的融合，由于它們的樣本數量和危害度有較大的差異，直接采用二次分布，實際上夸大了擊穿燒毀類故障在數據融合中的作用，使得計算結果偏大。

表3給出某型20架飛機（2006年8月～2010年8月）電源系統典型故障模式評估結果，從結果中可以看出主交發控制器的問題較大。

表3 主交流電源系統典型故障模式評估

3 可靠性指標隨時間的變化

以某型20架飛機（2006年8月～2010年8月）電源系統累計使用時間進行分段統計分析，步長取為50 h，考察飛機電源系統在各階段的可靠性指標變化情況。統計分析的結果如圖2所示。

圖2 可靠性指標隨使用時間的變化

由圖2可以看出，飛機電源系統在不同階段的可靠性指標變化較大，隨著使用時間的增長，曲線的總體水平在逐漸向后移動。這意味著飛機電源系統在使用前期故障率較高，總體MTBF值較低，隨著累積工作使用時間的增加，飛機電源系統的可靠性指標在逐步提高，性能趨近穩定，當累積工作使用時間增加到一定值后，曲線又向上移動，這說明飛機電源系統在使用后期故障率也較高[8]。

4 結束語

利用基于危害度故障統計分析方法對飛機電源系統可靠性指標進行評估，可考慮不同危害度等級的故障對電源系統整體可靠性的影響。通過對各危害度故障的指標進行統計分析，可以找到影響飛機電源系統整體可靠性指標主要問題的根源，明確了提高飛機電源系統整體可靠性指標的主要方向。用二次分布法對各個危害度故障指標進行融合，同等對待了各危害度故障樣本在評估中的作用，因此，為了使數據融合更加合理可采用Bayes數據融合方法，先收集系統試驗之前的各種可靠性信息，然后根據系統試驗數據，充分考慮不同危害度故障樣本在融合中的作用，使對飛機電源系統整體可靠性指標評估更加科學。采用Bayes數據融合方法的優點是在滿足可靠性指標的前提下，可減少評估用的整系統現場試驗量，大幅度減少試驗費用。

運用危害度故障統計分析模型對飛機電源系統可靠性指標進行計算和分析可以看出，該型飛機電源系統采用的技術還不夠成熟，工作性能不夠穩定，隨著使用時間的增長，電源系統可靠性指標發生明顯的變化，因此不能用整體故障樣本對其可靠性進行評估。在使用的前期階段，電源系統的故障率較高，隨著使用時間的增長，在不同的階段電源系統可靠性指標的變化規律是由低到高再由高到低的變化過程，故障在樣本中有明顯的時間效應。因此，要準確反映電源系統的可靠性水平，在進行可靠性評估時就要考慮故障樣本的時效性。

[1]GJB 1909.10—1998裝備可靠性維修性參數選擇和指標確定要求-電子系統[S].1999.

[2]GJB 450A—2004裝備可靠性工作通用要求[S].2005.

[3]孔學東，恩云飛.電子元器件失效分析與典型案例[M].北京：國防工業出版社，2006.

[4] 劉成印，薛安忠，李強，等.電力直流操作電源系統的可靠性分析[J].電子產品可靠性與環境試驗，2007，25（5）：22-24.

[5] 王錫吉.電子設備可靠性工程[M].西安：陜西科學技術出版社，1999.

[6] 劉成印，嚴仰光.高頻開關電源系統可靠性指標MTBF的計算方法[J].電工技術雜志，2001，12（1）：20-23.

[7] 曾利偉，呂川.通信裝備可靠性指標的確定及其驗證[J].電子產品可靠性與環境試驗，2006，24（1）：14-18.

[8] 何國偉.可靠性試驗技術[M].北京：國防工業出版社，1995.