容差分析在航空機載設備修理中的應用

蔡承文，孫 輝(．南京工業職業技術學院,江蘇 南京 00；.江蘇金陵機械制造總廠,江蘇 南京 00)

容差分析在航空機載設備修理中的應用

蔡承文1，孫 輝2
(1．南京工業職業技術學院,江蘇 南京 211100；2.江蘇金陵機械制造總廠,江蘇 南京 211100)

依據機載設備修理中參數容差確定的實際需求，提出了機載設備修理中常用的容差分析方法，對某型飛機高精度穩壓電路容差進行了分析確定。

容差分析；航空機載設備；修理；應用

航空機載設備對可靠性要求很高，受限設計水平、制造工藝能力和使用環境等諸多因素，產品設計時，從可靠性、經濟性角度考慮對影響大的參數給予一定的容差[1]。由于使用環境影響，機載設備的某些參數發生偏差，可靠性下降，因此需對其進行容差確定和修理。

1 容差確定面臨的問題

對于自主研制的機載設備，設計規范和定型文件通常規定參數中心值和容差，實施修理活動時可以此為基線確定參數容差。但對于引進裝備，由于資料缺失、資料來源差異以及其他因素，某些參數僅給出中心值，未規定容差范圍，造成修理標準制定困難。產品修理中，為了參數的精確，保證使用可靠性，有時采取更換新品的策略，造成資源極大浪費。

2 容差分析的作用和確定方法

在技術可行的前提下，修理參數容差是經濟性與可靠性的平衡產物[2]。較為嚴格的參數容差確保了產品可靠性，但往往導致“過修理”，付出過多的修理經濟成本。在機載設備修理活動中，容差分析作用體現在兩個方面：一是參數容差確認。對參數容差進行逆向分析，確認現有容差設計的合理性和經濟性，并結合機載設備實際使用和維護情況，對參數容差進行調整優化；二是參數容差輸出。通過容差分析制定容差標準，并依據實際修理活動中的影響進行調整。

對一些非重要參數修理標準的確定，實踐中多采用經驗統計法確定參數范圍。該方法確定的參數容差精確性與個人能力緊密關聯，理論支撐力度稍弱。對一些重要參數修理標準，修理實踐中一是采用靠標法，即根據相關通用標準、產品規范執行，領先使用驗證；二是根據產品實際狀態進行容差分析，制定修理執行標準。在不同精度等級的器材代用、國產化研制等修理活動時，常采取容差分析的方法確定修理標準。

3 容差分析原理

在機載設備修理中常采用三種方法開展容差分析。一是經驗估算法；二是最壞情況分析法；三是蒙特-卡羅法[3]。

3.1 經驗估算

在機載設備實際修理中，對于某些特定情況，將分析對象拆分成具備簡單傳遞關系的基本電路結構，并結合標準和經驗估算參數容差。經驗估算流程如圖1所示。

圖1 經驗估算流程

(1)確定對象重要度。根據分析對象在所屬機載設備中的作用，除關鍵參數外，均可采用該方法估算。

(2)落實標準。一是分析對象有無明確的行業標準、強制標準等；二是有無相似特征產品參照。有標準或參照對象時，分析結果靠標執行。

(3)電路結構拆分，確定基本電路構型。對分析對象進行結構拆分，劃分出具備簡單傳遞關系的基本結構電路。

(4)基本結構電路的容差傳遞。根據傳遞關系，結合經驗估算參數容差的傳遞和最終影響，并給定容差范圍。

(5)容差驗證確定。按估算的參數容差上下限值進行試驗驗證，對機載設備整體性能進行測試。

3.2 最壞情況分析法

最壞情況分析法是已知基礎單元參數的容差而不知其統計分布規律的條件下，基礎單元參數在其容差范圍內取某種組合時，按照容差傳遞函數關系計算出參數最壞偏差。

3.3 蒙特-卡羅法

蒙特-卡羅法是一種統計模擬方法。在已知電路所有元器件參數的統計分布規律，根據這種分布規律隨機地多次抽取元器件參數，并對隨機抽取的電路進行計算機模擬，就可以估計出電路性能的統計分布規律[4,5]。

對需要分析的電路特性進行分析，按電路包含的元器件以及其他有關的實際參數X的分布，對X進行第一次隨機抽樣X1，該參數抽樣值依次記作(X1，……，Xn)，并將其帶入傳遞函數，得到第一個隨機值Y1，如式1所示：

Y1=f(X1，……，Xn)

(1)

如此反復n次，得到n個隨機值，從而可以對Y進行統計分析，求出不同允許偏差范圍內的Y出現的概率。進行蒙特-卡羅分析時，抽樣次數n必須滿足統計分析的精度要求。

4 應用分析

4.1 某型飛機激光測距精度估算

某型飛機激光測距器用于測量近距目標距離，主要用于航炮的格斗狀態，但航炮近距格斗已不是飛機對空作戰主要手段，且距離精度對可視目標的攻擊影響不大，屬于非重要指標。圖2為激光的傳播路徑和計時電路框圖。

圖2 激光光路及計數

發射激光從分光器產生基準光和出射光，基準光經過光電轉換器、波形整形，形成計時基準脈沖；出射光經過空間輻射遇目標返回后經過相同變換通道，形成計時截止脈沖，相同的通道，延時相互消除，對計數精度不產生實質影響。實際測量精度誤差來源時間計數電路。

根據修理經驗和電路分析，1MHz計數脈沖由高穩定性的晶體選頻，頻率誤差可以忽略不計。計數電路由10個JK觸發器組成同步計數電路，計數延時為JK觸發器的固有延時。查找相關數據手冊，JK觸發器最大延時△t為20nS。測距總誤差△S=△t×C×0.5，代入數據計算△S=3m。C為光速。

4.2 某型飛機陀螺組件基準電壓容差分析

4.2.1 最壞情況分析法

某型飛機陀螺組件技術資料給出基準電壓(10±0.02)V和(10±0.05)V兩種容差。該參數屬于關鍵參數，需要對參數容差范圍進行規范的計算估算和確認。

圖3 高精度基準電源輸出部分

圖3中，U1是高精度電源的輸入，由一塊高穩定穩壓電路140УД6A保證，U1取值范圍為(12±0.01)V，其中C1、C2分別為10nF、10μF，偏差范圍±5%，R1、R2分別為高精度電阻，分別為2KΩ、10KΩ，偏差范圍均為±1%。直流電壓U1、U2之間的傳遞關系為

U2=U1×R2/(R1+R2)

(2)

為了簡化計算，設K=(R1+R2)/R2,即：

K=1+R1/R2

(3)

由公式(3)可知，在R1正向偏移，R2負向偏移時，KMax=1.204; 在R1負向偏移，R2正向偏移時，KMin=1.196。由式(2)、(3)可得：

U2=U1/K

(4)

由公式(4)可知，在U1正向偏移，K負向偏移時，U2Max=10.042V；在U1負向偏移，K正向偏移時，U2Min=9.958V，U2Max和U2Min在(10±0.05)V之間，選擇(10±0.05)V作為容差標準值。

4.2.2 蒙特-卡羅法

蒙特-卡羅法是基于數理統計的分析方法，分析精度與采樣次數密切相關，為保證分析精度，數據計算量比較大，通常借助計算機程序進行數據分析。Multisim軟件能夠支持對電路進行蒙特-卡羅分析，在電路模型參數值的容差范圍內隨機取樣[6]，對所選取的參數值進行分析，檢驗參數在一定范圍內變化的情況下對輸出響應的影響。進行蒙特卡羅分析時需設定以下參數：

(1)取樣次數。根據統計分析的電路精度要求和電路決定。

(2)模型隨機取樣點獲取方式，即選擇確定掃描分析的起點。

(3)選擇電路中需要進行掃描的模型參數。

以圖3的電路為分析對象，性能參數設置：R1、R2為電路中需要進行蒙特-卡羅分析的雙參數，電阻值分別為2KΩ±1%、10KΩ±1%，分布類型為高斯分布。蒙特-卡羅分析精度與抽樣次數直接相關。本例中選擇抽樣次數為100，電路輸出U2在9.9679V-10.0185V之間,即U2=(10±0.026)V，蒙特-卡羅分析結果如圖4所示。

4.3 方法對比

經驗估算法適用于簡單結構對象，且分析人員熟悉產品并掌握電路分析技巧，能夠從多因素中找到關鍵關聯因素，對人員要求比較高，不適合對結構復雜的電路和多因素聯合影響的參數容差估算。

最壞情況分析法和蒙特-卡羅適用于所有電路參數容差分析，但前者分析結果精確度相對較差，放寬了容差控制范圍，對于存在精確控制要求的電路，不建議采用此類方法。蒙特-卡羅分析結果更為精確，借助計算機能夠完成復雜系統的分析，是容差分析中采用頻率較高的分析方法。

5 結論

容差分析是電路系統可靠性設計和分析的一個重要環節，為機載設備修理的參數容差確定、不同精度等級的器材代用等方面提供統計分析方法。實踐證明，全面運用經驗估算、統計分析方法確定修理容差，有效解決了修理標準制定問題，為自主形成修理標準起到了重要作用。

[1] 魏文博.容差分析和設計方法研究[D].西安：西安電子科技大學,2005.

[2] 劉國興,任世彬.田口方法與穩健性設計[J].電工電氣,2010,(10).

[3] 王鑫華,王永.航空產品電路設計中的容差分析仿真方法探討[J].科技創新導報,2008，(31).

[4] 張尚珠,王海波.容差分析中器件建模技術的探討[J].電子產品可靠性與環境試驗,2007，(3).

[5] 李水平.模擬電路容差分析技術的應用與實現[D].成都：電子科技大學,2012.

[6] 雷躍,譚永紅.基于Multisim 10的電子電路可靠性研究[J].計算機仿真，2009，(8).

[編校：楊 琴]

The Application of Tolerance Analysis in the Repair of Airborne Equipment

CAI Chengwen1,SUN Hui2

(1.NanjingInstituteofIndustryTechnology,NanjingJiangsu211100; 2.JiangsuJinlingManufacturerofMachinery,NanjingJiangsu211100)

According to the actual demand of parameters tolerance determination in airborne equipment repair, the paper put forward the-commonly-used tolerance method in repairing airborne equipment, and made an analytical determination of high precision voltage stabilizing circuit tolerance for a certain type of aircraft.

tolerance analysis; airborne equipment; repair; application

2014-10-17

蔡承文(1967- )，女，湖南吉首人，副教授，研究方向為應用數學。

孫輝(1976- )，男，江蘇鹽城人，高級工程師，研究方向為綜合航電。

TN791

A

1671-9654(2014)04-034-04