基于模糊理論的某型電液復合舵機常見故障分析

侯亞鵬 胡宜春 王清山 王曉杰

摘 要：某型飛機的電液復合舵機在維修過程中，故障模式多，難以進行危害水平分析。將模糊分析綜合評判引入修理過程，列出常見電液復合舵機故障的FMECA表，并在此基礎上進行FMECA模糊分析，得出舵機常見故障模型的綜合危害評價，為電液復合舵機維修提供了有益參考，使修理工作更加具有預判性和針對性。

關鍵詞：電液復合舵機;模糊分析;危害評價

中圖分類號：TP277 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）07-0044-03

Abstract： In the maintenance process of an aircraft's electro-hydraulic composite actuator， there are many failure modes. It is difficult to analyze the hazard level. Introducing fuzzy analysis comprehensive evaluation into repair process， the FMECA table of the common electro-hydraulic composite actuator failure was listed， and based on FMECA fuzzy analysis， it was carried out to obtain the comprehensive hazard evaluation of the common fault model of the actuator， which provided a useful reference for the maintenance of the electro-hydraulic composite actuator， making the repair work more predictive and pertinent.

Keywords： aircraft's electro-hydraulic composite actuator;fuzzy analysis;hazard evaluation

某型電液復合舵機是某型飛機飛行控制系統中副翼操縱系統的配套產品，其主要功能是作為操縱副翼及自動駕駛狀態時副翼操縱的執行機構，并且能夠和飛控計算機形成自動駕駛閉環控制系統，利用舵機上的調校機構參與自動駕駛儀工作。同時，主滑閥卡死的話由副閥接替工作，副閥工作后切斷自動駕駛儀的信號。

舵機采用雙腔雙系統供壓，主要由助力器、舵機和復合搖臂三部分組成，進而分成三種工作狀態，即助力器工作狀態、舵機工作狀態、復合工作狀態。在飛行器整個空中方向控制上，該型舵機起著重要作用，所以，在地面修理中提高可靠性很有必要。

1 基于FMECA的電液復合舵機故障模式

故障模式、影響及危害性分析（Failure Medes， Effect and Criticality Analysis，FMECA），是分析系統的每個組成部件在單一因素下可靠性的方法，根據系統中發生的所有故障模型對系統產生的影響和后果，并且按照每個故障模型的嚴重程度及發生的概率進行分類，找出故障的原因，制訂排除方案。

根據電液復合舵機的結構特點，可將其分為復合搖臂、分配機構、執行機構、狀態轉換機構、舵機活塞、調校開關、副閥工作切斷開關、小殼體組件、電液伺服閥等，這里給出該型舵機故障模式及影響分析表（見表1）。

由表1可知，電液復合舵機的故障模式復雜多樣，相同故障現象的故障成因各有不同，同一原因也可能造成不同的故障，并且其排故措施也各不相同。確立的評價指標具有不確定性，不能用來對各故障模式進行精確的定性和定量分析。所以，借用FMECA對電液復合舵機故障模型進行綜合評價。

2 基于模糊分析理論的電液復合舵機的故障分析

應用模糊綜合評價的數學模型，主要有四個步驟：第一步，確定評價因素集[U=u1，u2，…un];第二步，根據各因素劃分評價等級集合[V=v1，v2，…vm];第三步，根據模糊轉換原理，由模糊映射推導出單因素評判模糊矩陣;第四步，根據各因素地位加權分配，與評判模糊矩陣合成后就是其綜合評價結果。

由于電液復合舵機故障模型過多，模糊分析量巨大，本文只具體闡述舵機主要部位和重要問題的FMECA分析過程，應用電液復合舵機FMECA分析表（見表1），將3種常見的故障模型作為評價對象：①液壓鎖開閉鎖壓力不合格;②舵機小活塞行程不合格;③執行機構速度不合格。

2.1 建立影響因子合集

影響因素合集是評估對象影響的因子合集，不同的因子代表不同的影響因素，通常使用[U]表示，即

[U=u1，u2，…，un] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式（1）中，[un]表示n個影響因子。

這里根據各故障模式的各項評價指標，建立了4個故障模型的評估分析因子集合：故障概率u1、后果嚴重程度u2、檢測難易程度u3、維修難易程度u4。

2.2 確定評價等級集合

評價等級集合是針對評估因素劃出具有可能性結果所組成的等級集合，通常用V表示，即

[V=v1，v2，…，vm] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式（2）中，[vm]表示評價因素的第m個等級。

本文將評價等級集合的影響因子結果分為四個等級，即[V=1，2，3，4]，然后根據表2所表示的標準對各個影響因子進行等級劃分。

2.3 建立故障模型的單因素模糊評價矩陣

針對表1中故障模式進行模糊綜合評價分析，設定評估集合[rKij]，其中[rKij]是第i個影響因素[ui]在評價因素[vj]的評估集合，用來評價各影響因素對其因素水平的所屬關系。而常見的評價方法是組建一支由h位專家組成的專業評價小組，每位專家對各影響因素[uKi]評出唯一的評價因素等級[vj]，若h位專家組中評定[uKi]屬于[hKij]個人，則可以得出[uKi]的評價集合為：

[RKi=hKi1h，hKi2h，hKi3h，…，hKimh] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

在某影響因子下評價因素之和為1，即

[j=jmrKij=1] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

根據以上公式和實際情況，結合專家組評判評定，設定舵機小活塞行程不合格的模糊概率集為[R11=0.1，0.2，0.5，0.2]，后果嚴重程度模糊集為[R12=0.4，0.5，0.1，0]，檢測難易程度模糊集為[R13=][0，0.1，0.9，0]，維修難易程度[R14=0，0.5，0.5，0]，可列出舵機小活塞行程不合格故障模糊評價矩陣為：

[R1=0.1 ? 0.2 ? 0.5 ? 0.20.4 ? 0.5 ? 0.1 ? ?00 ? ? ?0.1 ? ?0.9 ? ?00 ? ? ?0.5 ? ? 0.5 ? ?0] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （5）

由此可得出執行機構速度不合格和液壓鎖開閉鎖壓力不合格的故障模糊評價矩陣分別為：

[R2=0.1 ? 0.5 ? 0.3 ? 0.10.6 ? 0.4 ? ? 0 ? ?00 ? ? ?0.2 ? ?0.8 ? ?00 ? ? ?0.6 ? ? 0.4 ? ?0] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （6）

[R3=0.1 ? 0.2 ? 0.3 ? 0.40.3 ? 0.2 ? 0.3 ? ?0.20 ? ? ?0.2 ? ?0.8 ? ?00 ? ? ?0.6 ? ? 0.2 ? ?0.2] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （7）

2.4 各影響因素加權確定權重集

權重集合是為了體現各個影響因素之間的重要程度所賦予的對應權重數組成的集合。對電液復合舵機各因素[ui]賦予一相應的權重[ai]，由各權重組成的集合[A=a1，a2，…an]，而各因素權重滿足歸一化和非負條件，即

[i=lnai=1 ? ai0] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（8）

而確定因素的權重方法有專家意見法、層次法分析法、直接打分法等，本文采用專家意見法確定各因素影響權重。請專家或從事相應工作的有經驗的人員對評價因素集[U=u1，u2，u3，u4]里的各因素提出合適的權重向量，收集四份權重表格（見表3）。

如果有n個指標，m位專家，則第i項指標的權重[ai]按照公式（9）計算：

[ai=1mj=lmaij ?i=1，2，…n] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（9）

式（9）中，[aij]表示對第[i]項指標第j位專家給出的權重，由此得到各權重組合成的集合[A=0.42，0.25，0.20，0.13]。綜上最后模糊分析集合為：

[A=0.42u1+0.25u2+0.20u3+0.13u4] ? ? ? ? ? ? ? ?（10）

根據上節內容將模糊故障集合的權重改寫為向量形式，則可計算故障模型1的模糊向量：

[B1=AR1=0.42 ?0.25 ?0.20 ?0.130.1 ?0.2 ?0.5 ?0.20.4 ?0.5 ?0.1 ? ?00 ? ? ?0.1 ?0.9 ? ?00 ? ? ?0.5 ? 0.5 ? 0=0.142 ?0.294 ?0.48 ?0.084] ? （11）

其他兩項分別為：

[B2=AR2=0.192 ?0.428 ?0.338 ?0.042] ? ? ? ? ?（12）

[B3=AR3=0.117 ?0.252 ?0.387 ?0.244] ? ? ? ? （13）

3 計算模糊綜合評價

為了使結果更加直觀，利用電液復合舵機可靠性評估方法對可靠等級進行賦值，得到表4。

計算出3種故障模式的綜合危害等級[C1=69.88]、[C2=75.40]、[C3=64.84]。由此可得出計算的3種故障模型中舵機小活塞行程不合格危害程度最大。利用同樣的方法可以對表1中其他故障模式進行綜合危害評價，為提高系統可靠性和修理工作的重點提供了有價值的參考。

4 總結

通過對某型電液復合舵機系統故障模型總結后，應用模糊評判FMECA方法進行定量定性分析，并給定了模糊故障模式綜合危害等級，為電液復合舵機維修出現的常見故障提供了有益的參考，使修理工作更加具有預判性和針對性。

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