基于多種數據源的直升機系統基本可靠性預計方法

王開山，胡雪明，郝宗敏

(中國直升機設計研究所，江西 景德鎮 333001)

0 引言

可靠性預計是產品可靠性指標得以實現的基本保證。通過自下而上地預計產品各層次的可靠性水平，實施“預計-改進設計-再預計”的循環，找出產品薄弱環節，不斷優化產品設計，最終使產品的可靠性指標得以實現。因此，開展可靠性預計是確保設計、生產出具備規定可靠性指標產品的指導性和基礎性的工作。

對直升機來講，基本可靠性是影響其戰備完好性和任務成功性的基本參數，通常是直升機研制中的一項必備的重要技術指標。然而，直升機系統組成單元中存在大量自制非標準件，其可靠性數據無法從標準中查得，從而導致直升機基本可靠性預計變得異常困難。為此，找到一種合理且高效的可靠性預計方法具有十分重要的意義。

在可靠性預計理論方法方面，國內外研究人員進行了大量研究，現比較前沿的方法有：基于貝葉斯網絡預計法、基于失效物理預計法、模糊數學預計法、基于隨機進程代數預計法等。但這些方法計算過于繁瑣，在直升機系統研制中可操作性不強。

本文對已有可靠性預計方法進行研究，總結出幾種可以滿足直升機研制要求且易于操作的基本可靠性預計方法，針對直升機系統各組成單元特點闡述各預計方法的選取原則并給出直升機系統基本可靠性預計的一般流程。

1 基本可靠性預計方法

1.1 基于標準數據的預計方法

標準數據主要依據GJB299C和MIL-HDBK-217F兩個標準，前者為國產元器件可靠性預計數據源，后者為進口元器件可靠性預計數據源。基于標準數據的基本可靠性預計方法主要分為元器件計數可靠性預計法和元器件應力分析可靠性預計法兩種。

元器件計數可靠性預計法適用于產品研制的初步設計階段，其計算模型見公式(1)。

(1)

式中：

λ

—設備總失效率；

λ

—第

i

種元器件的通用失效率；

π

—第

i

種元器件的通用質量系數；

N

—第

i

種元器件的數量；

n

—設備所用元器件的種類數目。

元器件應力分析可靠性預計法適用于產品已具備詳細的元器件清單并已確定了元器件所承受應力的設備研制階段，其計算模型見公式(2)。

(2)

式中：

λ

—設備總失效率；

λ

—第

i

種元器件的基本失效率；

π

—第

i

種元器件的質量系數；

π

—第

i

種元器件的環境系數；

π

—第

i

種元器件的其它各項系數；

N

—第

i

種元器件的數量；

n

—設備所用元器件的種類數目。

1.2 基于外場飛行數據的預計方法

直升機型號研制通常有很大的繼承性，很多產品是直接沿用其它在役型號的成品。這些沿用產品若已經隨在役型號飛行了一定的樣本量，便可利用該產品的外場飛行數據評估其可靠性水平。評估計算模型通常采用指數分布λ的單側置信下限估計，見公式(3)。

(3)

式中：

T

—產品總工作時間(樣本量)；

r

—責任故障次數；

α

—顯著性因子(

α

=1-置信度)。

1.3 基于相似產品數據的預計方法

對于新研改型產品，若存在與其在功能性能、結構組成、制造工藝和使用過程方面均相似的產品，則可以采用基于相似產品數據的可靠性預計方法，見公式(4)。該方法的核心是確定兩個產品的相似系數。相似系數的計算模型見公式(5)至公式(6)。

λ

=

K

·

λ

(4)

式中：

K

—相似系數；

λ

—相似產品的故障率；

λ

—本產品的故障率。

K

=

ω/ω

(5)

式中：

ω

—相似產品的評分數；

ω

—本產品的評分數。

(6)

2 直升機系統可靠性預計流程

直升機系統基本可靠性預計操作流程可分為如下四個步驟：

第一步，根據系統各組成單元特點將其分成四個組類。Ⅰ類為轉承包研制的外協成品；Ⅱ類為自研沿用產品；Ⅲ類為自研新研改型電子產品；Ⅳ類為自研新研改型機械產品。

第二步，根據組成單元所屬類型選擇相對應的可靠性預計方法。Ⅰ類產品直接采用廠家提供的可靠性預計數據；Ⅱ類產品選擇基于外場飛行數據的預計方法；Ⅲ類產品選擇基于標準數據的預計方法；Ⅳ類產品選擇基于相似產品數據的預計方法。

第三步，按照選定的預計方法進行計算得到各組成單元的預計結果。

第四步，匯總各組成單元預計結果計算得到系統可靠性指標。

3 應用案例

某型號直升機旋翼系統各組成單元技術狀態信息見表1。現利用上述基本可靠性預計方法和流程對該旋翼系統進行基本可靠性預計。

表1 旋翼系統各組成單元技術狀態信息

3.1 確定單元所屬類別

根據表1中旋翼系統各組成單元技術狀態信息，確定各組成單元所屬類別，類別劃分見表2。

表2 旋翼系統各組成單元類別劃分

3.2 選擇預計方法

根據第2章第二步中可靠性預計方法的選取原則確定各組成單元所適用的可靠性預計方法，見表3。

表3 各組成單元可靠性預計方法選取

3.3 單元基本可靠性預計計算

3.3.1 Ⅰ類產品的可靠性預計計算

折疊子系統為Ⅰ類產品，其下級組成單元均為外協成品，直接采用廠家提供數據進行預計計算。計算過程見表4。

表4 Ⅰ類產品可靠性預計計算

3.3.2 Ⅱ類產品的可靠性預計計算

主槳葉和自動傾斜器為Ⅱ類產品，采用基于外場飛行數據的預計方法進行可靠性預計。計算過程見表5。

表5 Ⅱ類產品可靠性預計計算

3.3.3 Ⅲ類產品的可靠性預計計算

加熱組件為Ⅲ類產品，采用基于標準數據的預計方法進行可靠性預計。該產品由加熱元件、電連接器和焊點組成，按GJB299C中的應力分析法計算模型，查取基本故障率和各項系數。計算過程見表6至表9。

表6 加熱元件工作失效率預計表

表7 電連接器工作失效率預計表

表8 焊接點工作失效率預計表

表9 加熱組件失效率預計表

3.3.4 Ⅳ類產品的可靠性預計計算

主槳轂為Ⅳ類產品，采用基于相似產品數據的預計方法進行可靠性預計。計算過程見表10。

表10 Ⅳ類產品可靠性預計計算

3.4 系統基本可靠性預計計算

匯總旋翼系統各組成單元預計結果計算得到旋翼系統可靠性指標，見表11。

表11 旋翼系統失效率預計表

最終得到旋翼系統的故障率為0.005587次/h，MTBF為178.98h。

4 結束語

本文從直升機系統研制所遇到的實際問題出發，歸納總結了幾種容易獲取的數據源及對應的預計方法。針對直升機系統常見組成單元特點對其進行分類，闡述不同類別單元需選擇的預計方法并給出了直升機系統基本可靠性預計的一般流程和具體步驟。

通過實際案例證明本文提出的基于多種數據源的基本可靠性預計方法合理可行且操作流程簡便，可以推廣至工程中進行實際應用。