民用飛機可靠性指標預計方法研究

蔡蔚榮

（中國商飛上海飛機設計研究院，中國 上海201210）

民用飛機可靠性指標的預計結果不僅能夠評價設計要求提出的可靠性指標能否達到，而且能夠為可靠性增長試驗、驗證等提供依據，同時為安全性評估提供定量計算依據。在民用飛機可靠性設計中，作為基本可靠性指標的平均故障間隔時間是系統、分系統以及設備進行可靠性設計時最為關注的指標。簽派可靠度不僅是民機可靠性設計中最核心的指標之一，而且因其能夠直接反映飛機的市場運營情況，影響飛機的經濟性水平，是航空公司目前最為關注的可靠性指標之一。本文結合民用飛機系統特點、工作環境和其他設計因素，建立民用飛機可靠性指標預計方法，可以對飛機各系統、設備的可靠性指標進行定量估計。

1 定義

1.1 平均故障間隔時間（MTBF）[1]

在某一時間內的“總設備小時”除以在同一時間內該設備發生的故障數得到的數值。它是描述系統、分系統以及設備、零部件可靠性的一種最常用的指標，也稱基本可靠性指標。也可用其倒數，用故障率（λ）來表示。

1.2 簽派可靠度（DR）[2]

飛機運營階段，沒有因技術原因延誤或取消航班而運營離站的百分數。技術延誤指的是由于飛機的設備或者部件工作異常而進行檢查或者必要修理使得飛機的最后離站的時間延遲，通常超過預定離站時間為15min。

簽派可靠度（RD）=1-出勤延誤率（RDI）

2 可靠性指標預計基本模型

2.1 可靠性指標

平均故障間隔時間和簽派可靠度是民用飛機各系統、子系統、設備可靠性設計中最重要的兩個設計指標。平均故障間隔時間是反映飛機系統、分系統以及設備可靠性水平的一種最常用的指標，也稱基本可靠性指標。簽派可靠度是反映飛機在航線中完成簽派能力的一種常用可靠性指標。

2.2 基本模型

在民用飛機可靠性指標預計過程中，需要建立飛機與系統之間、以及各系統與設備之間故障邏輯關系模型，按照目前國內外民機設計商的普遍做法和工程經驗，一般使用可靠性串聯模型。

在可靠性串聯模型中產品的可靠度是由產品包含的各個單元的可靠度相乘得到的。

數學模型關系式見式（1）：

式中：

Rs(t)——產品的可靠度；

Ri(t)——第i個單元的可靠度。

假設產品所包含的各單元的故障時間服從指數分布，則其可靠度見式（2）：

式中：

λi——第i個單元的故障率(1/h)。

3 平均故障間隔時間預計方法

3.1 設備級

設備級平均故障間隔時間預計工作比較成熟和完善，一般按照MIL-HDBK-217F[3]和RIAC-HDBK-217PLUS[4]提供的數據和方法進行預計。預計方法主要有：相似法；故障率預計法；修正系數預計法。三種方法的模型均采用一個全串聯模型，包括那些冗余或代替的單元都按串聯處理，用以估計產品基本可靠性及其組成單元引起的維修及產品支援要求。

3.2 系統級

系統級平均故障間隔時間的預計計算一般分為兩類，一是基于不同環境（區域）給定溫度的系統級平均故障間隔時間預計，二是基于不同環境（區域）溫度包線的系統級平均故障間隔時間預計。

3.2.1 基于不同環境（區域）給定溫度的系統級平均故障間隔時間預計

當基于不同環境（區域）給定溫度計算時，已知某一給定溫度下設備的故障率用λi表示，設備的平均故障間隔時間TMBF″見式（3）：

用ni表示某一類設備的數量，系統的故障率λs與設備的故障率λi的關系見式（4）：

系統的平均故障間隔時間TMBF′見式（5）：

3.2.2 基于不同環境（區域）溫度包線的系統級平均故障間隔時間預計

當基于不同環境（區域）的環境溫度包線計算時，先根據不同階段設備的故障率（λi1、λi2……λin）及該階段所占的時間比例計算出設備總的故障率λi，見式（6）：

用ni表示某一類設備的數量，系統的故障率λs與設備的故障率λi的關系見式（7）：

系統的平均故障間隔時間TMBF′見式（8）：

3.3 飛機級

飛機級平均故障間隔時間的預計是在系統級均故障間隔時間的預計結果的基礎上，一般按照可靠性串聯模型進行計算得出。已知各系統的故障率λs，則飛機的平均故障間隔時間TMBF見式（9）：

4 簽派可靠度預計方法

簽派可靠度反映了飛機在航線中完成簽派的能力，推薦采用基于系統構型的簽派分析法，即根據供應商可以給出的飛機構型清單和PMMEL（初始主最低設備清單），或是類似系統構型的MMEL（主最低設備清單），以及供應商所提供的設備MFHBF、MTTR清單進行相應的預計工作。MTTR（平均修復時間）

根據飛機簽派可靠度與飛機出勤延誤率的關系，一般通過計算飛機的出勤延誤率，從而得到飛機的簽派可靠度。飛機的簽派可靠度與飛機出勤延誤率存在如式（10）的關系：

式中：

RD——飛機的簽派可靠度；

RDI——飛機的出勤延誤率。

飛機的出勤延誤率是飛機出勤延誤次數與飛機計劃飛行次數的比值，見公式（11）：

式中：

NI——飛機出勤延誤次數；

NS——飛機計劃飛行次數。

其中，飛機出勤延誤次數由飛機延誤次數與飛機取消航班次數組成，見式（12）：

式中：

ND——飛機延誤次數；

NC——飛機取消航班次數。

5 結束語

本文根據民用飛機各系統之間的關系和基本可靠性的特點，充分考慮系統的構成和結構特點、系統的工作環境等因素，給出了民用飛機可靠性指標預計基本模型，提出了民用飛機平均故障間隔時間和簽派可靠度兩大可靠性指標的預計方法，能夠在民用飛機設計階段對飛機各系統可靠性指標的定量預計提供借鑒和指導。

［1］GJB 451A-2005可靠性維修性保障性術語[Z].

［2］AC-121/135-49民用航空器主最低設備清單、最低設備清單的制定和批準[Z].

［3］MIL-HDBK-217F Reliability Prediction of Electronic Equipment[Z].

［4］RIAC-HDBK-217PLUS Reliability Prediction Models[Z].