共模故障分析在直升機研制中的應用

李春秀

摘 要：本文在《共摸故障在直升機研制中的研究》一文原理及要求分析的基礎上進一步闡述共摸故障分析在直升機研制中的應用。基于SAE ARP 4761共模故障分析的方法，結合以往型號設計及相應飛機共模故障分析的經驗教訓，以法國20世紀80年代研制的AS365N直升機電源系統為實例，闡述了共模故障分析的具體實施。

關鍵詞：共模故障；經驗教訓；具體實施

中圖分類號：V263 文獻標志碼：A

0 概述

《共模故障分析在直升機研制中的研究》一文中基于ARP 4761描述了共模故障分析的基本原理及要求，給出了共模故障相應的分析方法、實施程序及共模分析實例。本文結合型號研制中的經驗教訓，將ARP 4761的要求轉化為型號研制中易于實施可具體操作的系統應用。

1 共模故障分析

以法國20世紀80年代研制的AS365N直升機電源系統為例說明如何實施共模故障分析。

1.1 分析準備

（1）系統特性

AS365N型機是由兩臺直流起動發電機構建的兩個互為余度的主電源系統和由蓄電池組成的應急電源組成的。

正常情況下，兩個主電源系統向各自的主匯流條（PP8、PP9）供電；任意一臺發電機組成的主電源系統故障時，主匯流條連接接觸器（P19）閉合，此時，主匯流條PP8、PP9由正常工作的主電源供電。上述情況下，蓄電池（P20）匯流條接觸器（P16、P17）閉合，蓄電池匯流條（PP7）由主電源系統供電，此時，蓄電池處于浮動充電狀態。當主電源系統全都故障時，蓄電池給蓄電池匯流條（PP7）供電，以便給確保飛行安全的用電設備供電，系統原理圖如圖1所示。

注：不同代號的相同產品為同一型號。

（2）共模故障分析檢查單

按ARP 4761共模故障分析檢查單的模板結合AS365N型機上面分析的系統特性，該型直升機電源系統共模故障分析檢查單見表1。

（3）共模故障的選擇

根據AS365N型機直流電源系統的功能分析及《共模故障分析在直升機研制中的研究》所規定的選擇原則，選擇表2所示的故障狀態作為共模分析的對象。

1.2 共模故障分析

1.2.1 共模故障的定性分析

定性分析即是對共模故障分析檢查單所確定的共模故障進行深入的分析，從而確定共模故障接受狀態。

（1）識別共模故障源。對表1電源系統共模分析檢查中所確定的共模故障進行分析，以識別要作進一步分析的共模故障。

如表2所示，AS365N型機電源系統所要分析的是DF001和DF002這兩個不希望事件的共模故障。DF001這一事件中蓄電池供電能力的喪失與兩個主電源（分）系統供電功能喪失，前者為獨立事件，與兩個主電源（分）系統不存在共模故障，因此也可以不考慮。

而DF001與DF002中的兩個主電源（分）系統供電功能喪失是相同的。因此下面的分析中便合二為一，見表3。

表3 電源系統共模故障識別

通過上面的“共模故障源的識別”分析，可以看出采取相應的管理和設計措施，如有關人員的培訓、考核上崗、供應商的合格審定及招投標控制、相同部件/設備的隔離輸入端故障率控制等，使共模故障分析檢查單中的12項共模故障得到消除和控制。

（2）共模故障源的可接受性分析。正如之前所述，經過共模故障源的識別分析之后，表1共模故障分析檢查單中有12項共模故障源得到了消除和控制，剩下的7個共模故障源對他們進行共模故障源的可接受性分析。分析過程見表4。

1.2.2 共模故障的定量分析

通過上面分析研究之后，可以發現仍有3個共模故障源的故障狀態對直升機的安全性風險影響仍未得到有效控制，即：

兩個相同互為余度的主電源（分系統）和蓄電池供電可能同時失效/故障，影響直升機高飛行安全。

兩個相同互為余度的主電源（分系統）和蓄電池供電可能同時或任意一個失故障，影響直升機正常執行任務；

兩個相同互為余度的主電源（分）系統的相同部件/設備可能同時故障，造成它們不能正常工作。

實際上后面的相同部件/設備的共模故障的分析也包括在前兩個共模故障源的分析之中，因此，僅僅分析前面的兩個共模故障即可說明問題了。

故障樹和故障樹分析計算：①故障樹。通過上面的系統供電原理可以得到在故障獨立和共模情況下上面兩種故障狀態的故障樹，此處不具體畫出故障樹。②故障樹分析計算。根據“AS365N Reliability parameter 1992”表，該型機電源系統部件、設備的MTBF值見表5。

將表中的基本事件的故障概率代入，可求得：

獨立故障情況下全機斷電（蓄電池匯流條PP7斷電）的概率

Q1（全機斷電）=2.4238×10-10/h

考慮共模故障情況下全機斷電的概率

Q1c（全機斷電）=2.9326 ×10-10/h

顯然，無論是獨立故障還是共模故障，蓄電池匯流條PP7斷電的概率均小于10-9這一最壞情況下的安全性目標值。

獨立故障情況下任一主匯流條PP8或PP9的故障概率

Q2（任一主匯流條斷電）=7.5182×10-7/h

考慮共模故障情況下任一主匯流條PP8或PP9的故障概率

Q2c（任一主匯流條斷電）=9.0221×10-7/h

不難看出，無論是獨立供電還是共模供電情況下，任一主匯流條斷電的概率均大于10-7/h這一安全性目標值，其問題是，20世紀80年代設計的AS365N直升機電源系統的部件/設備的基本可靠性較低，因此，為確保機上重復用電設備供電的可靠性和安全性，有必要選擇高可靠性的產品或者改進系統構型。

1.3 評審

在完成了上述的共模故障分析之后，便進行評審，本例中任一主匯流條（PP8或PP9）無論獨立還是共模故障分析，其斷電的概率均大于安全性目標值10-7/h的要求，因此，要進行設計改進，以滿足安全性要求。目前，直升機整機指標為10-5/h，小于固定翼安全性指標10-6/h，由此類推，危險性事件安全性目標應小于10-6/h，上述分析結果是可接受的，那么上述分析可引入系統安全性分析報告中。

結語

共模故障分析是共因分析之一，它是系統安全性分析的一個重要環節，是實現直升機安全性要求（目標值）的重要而有效的分析方法。本文以ARP 4761共模故障分析的框架，并結合EC175/Z15，Boing777旅客機AS365N直升機電源系統共模故障分析為例，詳細地闡述共模故障分析方法的應用。這樣，將ARP 4761中較為抽象、頂層論述、偏重概念的實施原則轉化為具體實用、易于操作的有效方法。

參考文獻

[1]SAE ARP 4761，民用飛機機載系統和設備安全性評估過程的指南方法[S].

[2]AS365N Instruction Manual[Z].Aerospatial 1988 P12-1-P12-27.

[3]AS365N Reliability Parameter[Z].Aerospatial 1990 P2.