民用飛機可靠性驗證技術研究

張凡

摘 要

民用飛機可靠性直接影響飛機的效能和壽命周期費用，對保證飛機安全運行、經濟運營、持續適航具有重要的意義。可靠性驗證是民用飛機研制及使用階段最重要的可靠性工作之一，不僅能及時發現產品薄弱環節開展設計改進，還能驗證可靠性設計要求的合理性。本文基于民用飛機可靠性驗證流程對不同類型設備的可靠性指標驗證方法開展研究。

關鍵詞

可靠性驗證;分析驗證;試驗驗證

中圖分類號： V443 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.15.020

隨著中國經濟的飛速發展，我國民用航空業進入了高速騰飛時期，民用飛機可靠性的重要意義日益凸顯，其作為飛機質量的重要特征，是民用飛機能否取得商業成功的關鍵。民用飛機可靠性研究已成為工程和科研的重點問題[1]。可靠性驗證是民用飛機研制及使用階段最重要的可靠性工作之一，是為判斷飛機、系統或設備的過程實現是否滿足可靠性設計要求而進行的可靠性評估活動。本文提出了民用飛機可靠性驗證流程，對不同類型設備的可靠性指標驗證方法開展研究，并給出了應用實例。

1 可靠性驗證流程

民用飛機驗證流程是一個自下而上的過程，首先開展設備級驗證工作，再開展系統級驗證工作，最后完成飛機級驗證工作，驗證工作流程圖如圖1所示。設備級的驗證工作是可靠性驗證工作的核心和重點，驗證方法主要包括分析驗證和試驗驗證，驗證對象為設備的平均失效間隔時間（MTBF），從技術成熟度劃分，可將設備分為以下4種，每種類型的設備又對應不同的驗證方法[2]。

a）貨架產品，該類型設備具有豐富的運營數據，可依據運營數據開展分析驗證;

b）貨架產品的改型產品但改型較小（僅外觀、尺寸等非重要改變），該類型設備可基于改型前設備的運營數據開展分析驗證;

c）貨架產品的改型產品且改型較大，但對安全性無重要影響，該類型設備可基于外場數據（試驗試飛數據及運營數據）開展分析驗證;

d）貨架產品的改型產品且改型較大且對安全性有重要影響，該類型設備需要開展試驗驗證。

2 設備可靠性驗證方法

設備可靠性驗證方法包括分析驗證和試驗驗證，分析驗證又包括運營數據分析驗證和外場數據分析驗證，試驗驗證包括高加速壽命試驗（HALT）、高加速應力篩選試驗（HASS）、可靠性增長試驗等。

2.1 運營數據分析驗證

運營數據分析驗證適用于貨架產品、非貨架但改型較小的產品，對于貨架產品，基于已有的運營數據直接開展分析驗證。對于非貨架但改型較小的產品，基于改型前貨架產品已有的運營數據開展相似性分析，分析結果即可作為該類改型產品的驗證數據。貨架產品的運營數據由設備供應商提供，運營數據分析驗證信息表如表1所示。

其中相似性描述是指貨架產品與現有產品的相似性描述，包括設計相似性、環境條件分析、工作條件分析等。

2.2 外場數據分析驗證

外場數據包括試驗試飛數據及運營數據，外場數據分析驗證適用于非貨架且改型較大，但對安全性無重要影響的設備，外場數據分析驗證信息表如表2所示。

第一列：需進行外場數據分析驗證的設備名稱;

第二列：填寫該設備在其他機型的應用情況;

第三列：填寫該設備的實際運營飛行小時數，即樣本量;

第四列：填寫總共發生的故障次數;

第五列：“實際外場MTBF”為根據實際統計的飛行小時和故障數計算得到的實際運營的MTBF值;

第六列：“分析使用的MTBF”為在可靠性預計報告中使用的MTBF值。

2.3 試驗驗證

試驗驗證適用于新研產品、改型較大且對安全性有重要影響的產品。設備可靠性試驗驗證是指在實驗室采用可靠性試驗的方式對設備的可靠性指標（MTBF）進行驗證。試驗驗證包括高加速壽命試驗（HALT）、高加速應力篩選試驗（HASS）、可靠性增長試驗等。

HALT試驗是在飛機研制階段找出產品的工作和破壞極限，確定產品的工作和破壞裕度，以最少的時間發現并改進設計和工藝薄弱環節。一般而言，在HALT試驗中找到的產品薄弱環節如果沒有改善，會毫無例外地在產品使用環境下出現。在產品設計初期進行HALT試驗可以迅速找出產品設計及制造缺陷，為開發人員改進產品設計方案提供依據;對產品設計缺陷進行及時的修正，提高產品在使用過程中的可靠性;估計產品的操作極限和破壞極限，為高加速應力篩選試驗的應力類型和應力量級的選擇提供依據[3]。

3 設備可靠性驗證應用實例

3.1 運營數據分析驗證實例

以某型民用飛機機輪剎車系統中停機剎車閥為例，該設備為貨架產品，單件停機剎車閥的MTBF是50620 FH，采用運營數據分析驗證的方法進行指標驗證，如表3所示。

3.2 外場數據分析驗證實例

以某型民用飛機機輪剎車系統中自動剎車選擇開關為例，該設備為改型較大但對安全性無重要影響的產品，自動剎車選擇開關的MTBF是20000 FH，采用外場數據分析驗證的方法進行指標驗證，如表4所示。

3.3 試驗驗證實例

以某型民用飛機飛行記錄系統中飛行記錄器為例，該設備為新研產品，采用HALT試驗開展試驗驗證，HALT中采用的主要技術是步進應力試驗，快速溫變循環應力和綜合環境應力。試驗程序包括：

1）振動步進應力：飛行記錄器放置在振動系統夾具上，使用第一軸振動;把飛行記錄器1連接到環境應力篩選試驗臺;接通電源，確定其正常工作;使用第二軸振動重復步驟1～3;記錄試驗結果。

2）快速溫變循環應力：飛行記錄器放置在溫度試驗箱中，把飛行記錄器1連接到環境應力篩選試驗臺;接通電源，確定其正常工作。移除電源，試驗箱溫度降低到Tpmin;將飛行記錄器穩定在試驗箱溫度下;接通電源，確定其工作極限;以30℃/分的速率將試驗箱溫度至Tpmax;將飛行記錄器穩定在試驗箱溫度下;重復步驟2至步驟6，直到飛行記錄器不能完成鑒定或知道完成10個循環。溫變速率應當為30℃/分;記錄試驗結果。

3）綜合環境應力：飛行記錄器放置在溫度試驗箱中振動系統夾具上;把飛行記錄器連接到環境應力篩選試驗臺;接通電源，確定其正常工作;設置試驗人員確定的溫度極限;設置試驗人員確定的振動水平和持續時間;根據試驗箱性能設置溫變速率;使用電源循環加熱時連接電源，冷卻時移除電源;設置試驗人員確定的循環持續時間;啟動循環，監控試驗樣品性能;持續循環知道失效發生或完成100個循環。

4 結束語

本文提出了民用飛機可靠性驗證流程，重點研究了設備可靠性指標驗證工作，針對不同類型設備的可靠性指標驗證初步提出了各自適用的驗證方法，并給出了某型民用飛機設備可靠性指標驗證工作實例。為后續可靠性設計更改提供數據基礎，有利于確保民用飛機實際可靠性水平滿足設計要求，提高運營經濟性。

參考文獻

[1]胡廣平，葉群峰，包敦永.民用飛機可靠性工程[M].上海：上海交通大學出版社，2019.

[2]包敦永.民用飛機基本可靠性指標驗證方法研究[J].科技展望，2014（10）：154.

[3]王榕.民用飛機高加速壽命試驗[J].科技視界，2019（7）：85.