某輕型直升機的可靠性工程設計淺析

曾憲君 李秀枝

(重慶恩斯特龍通用航空技術研究院有限公司 重慶 401135)

引 言

系統或設備在規定的條件下和規定的時間內完成預定任務的能力稱為可靠性。可靠性包括穩定性、耐久性和安全性，通常用百分比表示。可靠性是衡量系統或設備質量好壞的重要標準之一。提高可靠性是一個系統工程，單純提高零部件的可靠性是難以實現的[1]。為達到系統可靠性要求所進行的相關設計、管理、試驗等一系列工作的總和稱為產品的可靠性工程。可靠性設計提高了系統的固有可靠性；可靠性管理從研制、試驗等方面的全面質量管理保障了系統的固有可靠性。

我國已進入新型直升機的自行設計、研制階段，現代直升機組成部件越來越多，飛行環境也越發復雜，這對直升機可靠性提出了更高要求。與固定翼飛機相比，直升機有其自身的特點，直升機的操縱系統和動力系統(包括旋翼、尾槳、傳動系統、自動傾斜器和發動機等)中動部件較多，受高周疲勞載荷，工況極為嚴酷，疲勞振動問題影響較大。與此同時，直升機沒有彈射救生系統，一旦發生部件出現故障往往容易導致嚴重的飛行事故，直升機的設計制造對可靠性工程提出了很高的要求[2-6]。直升機可靠性的提高，能很大程度防止故障和事故的發生，尤其避免災難性事故的發生，從而保證駕駛員的安全，降低直升機總的運行費用，減少停機和維修的時間，大大提高直升機的利用率。設計直升機時，需要對直升機操作系統的可靠性預計和分析，向直升機各部件分配可靠性指標，進行可靠性設計。本文以某輕型直升機為例詳細介紹可靠性工程設計。

一、可靠性設計指標

可靠性定量要求直接關系到系統的使用效能和全壽命周期費用優劣。根據效能和費用權衡原則，正確選擇和確定可靠性定量要求，對于直升機新機可靠性的設計、研制和使用有其重要意義。

常用的可靠性參數有：1.可靠度。平均故障間隔時間(MTBF)。是指相鄰兩次故障之間的平均工作時間，單位為“小時”。2.平均故障間隔飛行小時(MFHBF)。

可靠性參數及其量值的選取，既要充分考慮直升機的使用特點，也要參考國內外同類型直升機的可靠性參數。選擇的可靠性參數要能覆蓋本型號飛機的使用特點，盡量選取國際上較通用的參數，并能通過相關性準則可轉換為固有值的外場使用指標。

根據上述可靠性指標的選取原則，確定某輕型飛機的可靠性定量指標MFHBF(平均故障間隔飛行小時)為：

1.設計定型最低可接受值為5h；

2.成熟期目標值為12h。

二、可靠性框圖和模型

可靠性框圖直觀地展示了系統的功能和組成系統的單元之間的可靠性功能關系。了解系統中各個單元的功能，這些功能的相關聯系，以及這些單元功能、失效模式對系統的影響又是可靠性框圖的建立的先決條件[3]。

建立的可靠性數學模型為：

其中：

Rs(t)為系統可靠度；

λs為各系統的失效率；

n為框圖中系統單元數；

λi為各單元的失效率。

從可靠性數學模型可以看出，系統中的單元數與系統的可靠度成反比。因此，減少系統中的單元數或提高系統中最低的單元可靠度(即提高系統中薄弱單元的可靠度)均可提高系統的可靠度。

以某輕型直升機為例，可以繪制出基本可靠性框圖如圖1所示。

圖1 某輕型直升機基本可靠性框圖

根據某輕型直升機的基本可靠性框圖，可靠性數學模型建立如下：

可靠性框圖的繪制和可靠性模型的建立，對系統可靠性進行評估，以及系統失效判定準則的確定，返修依據的明確，并根據返修率對售后服務策略進行調整。

三、可靠性預計

可靠性預計的目的在于估計產品在給定工作條件下的可靠性，運用以往的工程經驗、故障數據、以及當前的技術水平，尤其是以元器件、零部件的失效率作為依據，從而預報產品(元器件、零部件、子系統或系統)實際可能達到的可靠度的綜合性過程，此過程表現為由局部到整體、由小到大、由下到上。

以失效率預計法為例，對系統進行可靠性預計，圖2為失效率預計法的流程圖，一般步驟為：

1.依據產品功能完成可靠性框圖的繪制；

2.根據所繪制的可靠性框圖進行相應數學模型的建立；

3.各方框中元部件或設備的失效率的確定，該失效率應為基本失效率。

圖2 失效率預計法的流程圖

四、可靠性分配

可靠性分配，用于逐層分解總體的可靠性指標值，將裝置的可靠性設計指標要求值分配到各部件，并實現各部件可靠性設計指標要求值的形成。同時，將各部件所選用器件的大致分類、數量和使用條件作為輸入完成可靠性預計，得出每個裝置基本可靠性設計值的大致范圍，再結合預計的結果，最終得到相對合理的各部件可靠性指標設計要求值[4]。根據某輕型直升機的基本可靠性框圖，結合可靠性預計值，得到可靠性分并配的結果如表1所示。

表1 某輕型直升機可靠性分配結果

由分配結果可知，得到的MFHBF為12.06h，大于成熟期目標值12h，滿足設計的要求。

五、結束語

本文從應用的角度出發，從設計指標、可靠性框圖、可靠性模型及可靠性預計等方面對某輕型飛機的可靠性進行系統研究，最終得到平均故障間隔飛行小時(MFHBF)為12.06h，大于成熟期目標值12h，滿足設計的要求，為提高輕型飛機的可靠性水平及通用航空開展可靠性設計與評價提供支持。