某型無人機飛控系統(tǒng)FMECA分析＊

（陸軍軍官學(xué)院 合肥 230031）

1 引言

故障模式、影響及危害性分析［1～2］FMECA（Failure Mode Effect and Criticality Analysis）是從系統(tǒng)部件開始的從下而上的分析方法，它由兩部分［3］組成：一是定性的故障模式及影響分析（FMEA），通過FMEA 對系統(tǒng)部件所有的可能的故障模式及原因進行分析，可以確定系統(tǒng)潛在的故障及故障組合對系統(tǒng)安全性的影響，從而為適航驗證或改進設(shè)計提供依據(jù)；二是定量的危害度分析（CA），通過分析計算部件每個故障模式的危害度，結(jié)合FMEA 確定的故障模式的嚴(yán)酷度，可以確定系統(tǒng)危險的并且發(fā)生概率較大的故障，為系統(tǒng)安全性驗證提供依據(jù)。

對無人機系統(tǒng)進行FMECA，可使設(shè)計、制造、使用及維修部門明確哪些故障模式對無人機飛行安全、任務(wù)完成、維修和后勤保障有影響，其分析結(jié)果可為設(shè)計綜合評定、維修性、安全性等工作提供信息，還可為操作人員和維修人員診斷故障提供依據(jù)。通過對某型無人機飛控系統(tǒng)進行FMECA 分析，以求達到前述目標(biāo)，從而為無人機系統(tǒng)使用和維修過程中各個階段提供必要的信息和指導(dǎo)，并可采用改進生產(chǎn)工藝、提高維修級別等措施，降低致命故障發(fā)生的概率，以保證該型號無人機系統(tǒng)的整體可靠性和安全性。

2 飛控系統(tǒng)組成及工作流程

某型無人機飛控系統(tǒng)由飛行控制計算機、陀螺儀、航向系統(tǒng)、高度傳感器、油量傳感器、缸溫傳感器及舵機組成，設(shè)備工作流程如圖1所示。

圖1 飛控系統(tǒng)工作流程

3 飛控系統(tǒng)FMEA 分析

按照GJB1391要求規(guī)定，F(xiàn)MECA 工作內(nèi)容及操作流程如圖2所示。

圖2 FMECA 工作內(nèi)容及操作流程

按故障模式最終對該型無人機飛控系統(tǒng)影響的最壞潛在后果，對該型無人機劃分了4類嚴(yán)酷度類別［4］，如表1所示。對Ⅰ類（災(zāi)難的）和Ⅱ類（致命性的）故障模式，在設(shè)計中應(yīng)盡量避免，對Ⅲ類（臨界的）和Ⅳ類（輕度的）故障模式，主要應(yīng)作好預(yù)防維修工作。確定嚴(yán)酷度類別的目的在于控制識別Ⅰ、Ⅱ類故障模式。

表1 某型無人機嚴(yán)酷度類別劃分

現(xiàn)將飛控系統(tǒng)所有的故障列出得到FMEA 表［5］如表2所示。

4 飛控系統(tǒng)CA 分析

4.1 分析方法

4.1.1 解析式法［6］

解析式法主要計算故障模式的危害度Cmj和裝備的致命度Cr，先介紹幾個概念：

1）故障模式頻數(shù)比α。故障模式頻數(shù)比α是裝備故障表現(xiàn)為確定故障模式的比率。如果考慮無人機飛控系統(tǒng)所有可能的故障模式，則其故障模式頻數(shù)比之和將為1。故障模式頻數(shù)比一般通過統(tǒng)計得出。在缺少統(tǒng)計數(shù)據(jù)時，也可分析評估得出。

表2 無人機飛控系統(tǒng)FMEA 表

2）故障影響概率β。故障影響概率β是假定某故障模式已經(jīng)發(fā)生，導(dǎo)致確定的嚴(yán)酷度等級的最終影響的條件概率。某一故障可能產(chǎn)生多種最終影響。要指明該故障模式引起的每一種最終故障影響的百分比，此百分比即為β。引起多種最終影響的β值之和應(yīng)為1。β代表了某一故障模式可能發(fā)生的對系統(tǒng)的多重故障影響。

按照GJB1391規(guī)定β值：實際喪失為1，很可能喪失為0.1～1，有可能喪失為0～0.1，無影響為0。

3）零部件故障率λp。λp可通過可靠性預(yù)計獲得。如果是從有關(guān)手冊和其他參考資料查到的裝備的基本故障率λo，則可以根據(jù)需要用應(yīng)用系數(shù)πA、環(huán)境系數(shù)πE，質(zhì)量系數(shù)πQ，以及其他修正系數(shù)來修正工作應(yīng)力的差異，即：

故障模式的危害度Cmj是裝備致命度的一部分。對給定的嚴(yán)酷度類別和任務(wù)階段而言；裝備的第j個故障模式危害度Cmj可由下式計算：

裝備的致命度Cr是指預(yù)計將由該裝備的故障模式造成的某一特定類型（以裝備故障模式的嚴(yán)酷度類別表示）的裝備故障數(shù)。就某一特定的嚴(yán)酷度類別和任務(wù)階段而言，裝備的危害度Cr是該裝備在這一嚴(yán)酷度類別下的各故障模式危害度Cmj的總和。Cr可按下式計算：

式中n為該裝備在相應(yīng)嚴(yán)酷度類別下的故障模式數(shù)。

4.1.2 危害度矩陣［7～8］

繪制危害度矩陣的目的是比較每種故障模式的危害程度，進而為確定改進措施的先后順序提供依據(jù)。危害度矩陣是在某一特定嚴(yán)酷度級別下，裝備各個故障模式危害度或裝備危害度相對結(jié)果的比較。

危害度矩陣的橫坐標(biāo)一般按距離表示嚴(yán)酷度類別（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ）；縱坐標(biāo)可以為裝備的致命度Cr、故障模式的危害度Cmj、故障概率等級。其做法是：首先按Cr、Cmj或概率等級在縱坐標(biāo)上查到對應(yīng)的點，再在橫坐標(biāo)上選取代表其嚴(yán)酷度類別的直線，并在直線上標(biāo)注裝備或故障模式的位置，從而構(gòu)成裝備或故障模式的危害度矩陣。在該矩陣上，可得到故障模式危害度的分布情況。

圖3 危害性矩陣

危害度矩陣的應(yīng)用是：從所標(biāo)記的故障模式分布點向?qū)蔷€作垂線，以該垂線與對角線的焦點到原點的距離作為度量故障模式（或裝備）致命性的依據(jù)，距離越長，其危害性越大，越需要盡快采取改進措施。

4.2 具體分析

將飛控系統(tǒng)的所有可能的故障模式和該故障模式的嚴(yán)酷度都列出來［9］，并計算各種故障模式出現(xiàn)的概率，從而計算出每種故障模式對飛控系統(tǒng)的危害度Cm，以及在不同嚴(yán)酷度下裝備的致命度C［11］r，如表3所示。

表3 某型無人機飛控系統(tǒng)危害度表

圖4 故障危害性矩陣

從表3可以看出，在嚴(yán)酷度Ⅰ中，危害度最高的是F14，舵機振蕩，可知該故障模式的原因是電位計接觸不良或電容損壞；在嚴(yán)酷度Ⅱ中，故障模式F11高度傳感器靈敏度很低危害度最高。在不同的嚴(yán)酷度下，對系統(tǒng)危害高的故障可以從表3的模式量化數(shù)據(jù)中直接得出。同時利用表3的數(shù)據(jù)，以嚴(yán)酷度為橫坐標(biāo)，故障模式危害度為縱坐標(biāo)，繪制危害度矩陣。可以由危害度矩陣看出，綜合考慮故障模式的危害度和嚴(yán)酷度，故障風(fēng)險優(yōu)先的順序依次是F14、F10、F11、F13、F6、F15、F8、F9、F1、F7、F2、F5、F12、F4、F3。所以必須采取相應(yīng)的措施來對故障風(fēng)險高的進行改進或加大檢查力度，才能有效地提高裝備的使用效率。

5 結(jié)語

1）舵機的故障為重點。嚴(yán)酷度Ⅰ中4 個故障舵機的故障達到50%，這些故障會導(dǎo)致嚴(yán)重后果，因此我們應(yīng)該考慮舵機的故障問題，以增加飛控系統(tǒng)的可靠性。

2）對得出的關(guān)鍵故障模式應(yīng)該做好故障解決工作，實施相關(guān)的改進措施，防止故障模式的發(fā)生。

3）飛控系統(tǒng)應(yīng)該具有強有力故障診斷系統(tǒng)。考慮到飛控系統(tǒng)的重要性，我們可以在飛控系統(tǒng)的維護中應(yīng)用故障特征提取及專家系統(tǒng)分析的故障診斷方法。

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