電磁式先進阻攔裝置可靠性分析方法

張曉谞，程紅偉，譚大力，王擎宇，騰 騰

(海軍研究院，北京 100161)

0 引 言

隨著我國科學技術實力的綜合提升，為適應我國海洋權益發展的需求，艦載機在多種海上平臺上的應用得到越來越多的關注，相關領域裝置的研發和關鍵技術的攻關獲得了長足的發展[1]。其中，艦載機阻攔著艦技術是海上平臺發揮其優勢作用的關鍵技術之一。先進且可靠的阻攔系統對提升艦載機的綜合應用性能具有重大的實際意義[2]。

最初的飛機阻攔系統僅用來防止飛機在起飛和著艦時發生飛行事故。目前，阻攔設備已從單一的應急安全防護裝置向著艦的常規設施方向發展。國外的飛機阻攔設備發展較快，尤其美國的應用起步較早。根據各型飛機的飛行任務要求，競相研制了多種形式的機械式飛機阻攔系統[3]。為了彌補傳統機械式阻攔裝置的不足，美國在20 世紀90 年代率先提出了機電混合的先進阻攔裝置（Advanced Arresting Gear，AAG）的研究計劃[4]。由于先進阻攔裝置采用的是電機及水渦輪為吸能元件的混合型方案，在阻攔調節過程中仍存在調節不夠靈活的不足。因此，近年來有關電磁式先進阻攔裝置的研究得到更為廣泛的關注。

目前，我國對電磁式先進阻攔裝置的相關研究尚處于初級階段。對于先進阻攔裝置的設計、評估和分析方法并不完備，對于全系統關鍵性能的評價指標與評價方法還需要進一步深入研究[5]。

本文以電磁式先進阻攔裝置為研究對象，首先闡述該型阻攔裝置的系統組成，分析影響裝置可靠性分析的關鍵環節。最后研究并總結適用于先進阻攔裝置負載系統的可靠性分析方法。本研究可在系統可靠性方面為電磁式先進阻攔裝置的設計、應用與評估等過程提供一定的參考。

1 電磁式先進阻攔裝置組成

相比于傳統機械式的阻攔裝置，電磁式先進阻攔裝置（簡稱電磁阻攔裝置）阻攔范圍更廣，且在阻攔過程中可采用閉環控制策略，能夠顯著降低阻攔過程中的峰均力比。電磁阻攔裝置的構成如圖1 所示。其特點為完全采用電機作為阻攔過程的調節及吸能元件，以便充分利用電機完全精確可控的優點，實現在飛機阻攔過程中對其阻攔軌跡進行實時閉環調節的目的[6]。

圖1 電磁阻攔裝置構成圖Fig.1 Electromagnetic arresting device principle

如圖1 所示，該裝置由阻攔索、緩沖器、索輪鼓、阻攔機及其調節控制系統等組成。其基本工作原理是：在飛機沖索后，繼續拉動阻攔索向前運動，進而通過阻攔索和滑輪索帶動索輪鼓旋轉放繩。上述過程將飛機的直線運動轉換成索輪鼓、阻攔電機的同軸旋轉運動。期間通過對阻攔電機施加反向的阻力轉矩以吸收飛機的動能，使得飛機在給定的距離內制動下來。電磁阻攔裝置可以在阻攔之前先設定飛機的阻攔軌跡，在阻攔過程中，實時檢測飛機的阻攔軌跡，并通過對阻攔電機轉矩的精確調節使得飛機的實際阻攔軌跡能夠良好地跟蹤設定軌跡，從而達到對飛機的阻攔過程進行精確閉環控制的目的。與傳統的機械阻攔裝置相比，該裝置具有阻攔范圍寬、阻攔過程精確可控等優點。在阻攔過程中通過靈活地改變阻攔電機輸出轉矩使阻攔索上的張力始終保持在安全范圍內，大幅度提高了阻攔性能，從而可以阻攔更高能級的飛機[6]。

電磁阻攔裝置的精確控制與靈活調節等優勢特性，是基于系統安全穩定運行的條件下實現的。因此，電磁阻攔裝置的可靠性是系統設計與使用過程中需要重點考核的。而在評估該裝置可靠性的過程中涉及多個關鍵環節。

2 電磁阻攔裝置可靠性分析關鍵環節

在對電磁阻攔裝置進行可靠性分析過程中，涉及的關鍵環節主要包括：確定裝置的可靠性指標、梳理裝置可靠性分析流程以及明確裝置的故障判定、分類與統計原則。

2.1 裝置可靠性的指標

針對電磁阻攔裝置這一復雜系統的可靠性分析問題，結合系統主要特性可將其可靠性指標分為2 部分：系統級和設備級。不同級別的可靠性分析指標和流程不盡相同。

一部分是系統級的阻攔裝置總體層面的可靠性指標，主要包含飛機過載、阻攔距離和阻攔次數等。其中，阻攔次數是電磁阻攔系統的核心特性，是系統級可靠性分析中的核心對象。

另一部分是設備級的針對阻攔系統的關鍵組成部分阻攔索的可靠性指標，主要包含索徑、股數和使用壽命等。其中，阻攔索的使用壽命是直接關系到阻攔系統性能的關鍵參數，也是設備級可靠性分析中的重點分析對象。

2.2 裝置可靠性的分析流程

不同的系統級與設備級的可靠性分析指標對應不同的可靠性分析重點，因而存在不同的可靠性分析流程。

1）對于電磁阻攔裝置系統級可靠性的分析流程，主要圍繞著其核心指標?阻攔次數進行，包含如下步驟：記錄實驗次數、統計故障次數、計算平均故障間隔次數和評估可靠性結果。對應的可靠性分析流程，如圖2 所示。

圖2 系統級可靠性分析流程Fig.2 System level reliability analysis process

2）對于阻攔索的設備級可靠性分析過程相對復雜，因為阻攔索的疲勞失效存在一個過程。而且相比于其他機械及電氣設備，阻攔索的失效對系統帶來的負面影響最大，且修護難度和工作量也是最大的。綜合考慮上述因素，將阻攔索的使用壽命評估作為電磁阻攔系統可靠性分析的關鍵組成部分。阻攔索壽命評估流程，如圖3 所示。

圖3 阻攔索壽命可靠性估算流程Fig.3 Reliability life estimation process of arresting gear

在上述流程中，可靠壽命點估算、可靠壽命區間估算和考慮繩徑退化的可靠壽命評估是完成阻攔索壽命可靠性評估的關鍵理論環節。而在基于實驗次數與故障次數的采用數理統計原理的可靠性分析中，有一個關鍵問題需要確定，便是故障次數的計數值。該數值的計算涉及阻攔裝置的故障分類、判定和統計原則等相關內容。

2.3 裝置的故障分類、判定與統計原則

在電磁阻攔裝置的故障判定、分類和統計原則方面的研究中，充分借鑒文獻[7]中的相關標準進行對應的設計。

可將故障類型分為2 類：責任故障和非責任故障。其中，非責任故障的判定依據包含如下幾項：誤操作、實驗裝置及儀表故障、不滿足額定工作條件、修復引起故障等；相應的，責任故障的判定依據包含如下幾項：設計與制造缺陷、元件失效、額定工況下的設備更換以及其他異常情況。

結合上述內容可以設定故障統計原則為：在實驗過程中，只有責任故障作為判定受試裝置合格與否的依據，并記錄其發生次數作為故障次數，其他情況不計入統計。

在明確電磁阻攔裝置可靠性分析過程中涉及的指標、流程及故障統計原則等關鍵環節后，即可研究總結適用于本裝置的可靠性分析方法。

3 電磁阻攔裝置可靠性分析方法

針對電磁阻攔裝置的系統組成特點，依據研究內容對系統級可靠性分析過程采用基于數理統計的分析策略，對阻攔索的可靠性壽命評估則結合了Weibull 分布法、參數Bootstrap 計算和考慮繩徑退化因素的等綜合評估策略。

3.1 基于數理統計的可靠性分析

在基于數理統計的可靠性分析中，首先需確定實驗次數。設覆蓋裝置全部工況的可靠性試驗共開展N次。

接著，確定可靠性試驗中的故障次數。根據實驗結果，在可靠性考核過程中，共出現M次故障。其中，并未出現可導致系統不能完成任務的重大故障，或修護時間超出設定的最長修護時間的故障。責任故障次數統計為R次。

最后，根據設定的置信度計算平均故障間隔次數。設選取的置信度為Q，采用定時截尾置信下限的計算方法[8]，結合實驗結果，在置信度Q條件下裝置平均故障間隔次數MCBF的計算公式為：

其中，等式右側分式的分母含義為自由度是（2R+2）的卡方分布函數的（1-Q）的上側分位數。

根據文獻[8]中列舉的故障判據和置信度選取有效條件，采用定時截尾的評估方法對MCBF進行評估。若計算結果高于置信度Q下的目標值，則系統可靠性滿足合格判定要求。

3.2 基于Weibull 分布定時截尾的可靠壽命點估算

在分析可靠性過程中，針對具有疲勞特性的設備，且在具備一定數量的實驗樣本條件下，可采用Weibull分布定時截尾方式對可靠性試驗對象進行建模分析[9–10]。

由相關文獻可知，Weibull 分布的分布函數F（t）和密度函數P（t）分別為：

其中，m為形狀參數，β=ηm>0為尺度參數

假設t1≤t2≤···≤tr(r≤n)是來自Weibull 分布的定時截尾樣本，其中r為截尾數。那么，該樣本的似然函數可表示為：

由式（6）可求解對數似然函數的2 個偏導數可表示為：

令式（7）為零，則可得到2 個似然方程如下：

聯立方程組，即可求解參數m和β的極大似然估計值。那么，基于Weibull 分布的阻攔索平均壽命E(T)的表達式為：

由式（11）計算可得，在上述約束條件下的可靠壽命tr為：

此時，將Weibull 分布參數估計結果m和η代入上式，即可得到可靠壽命點的估計值。

3.3 采用參數Bootstrap 方法的可靠壽命區間估算

在獲得可靠壽命點估計值的條件下，可通過采用參數Bootstrap 方法計算得到平均壽命和可靠壽命區間[11–12]，具體計算步驟如下：

1）采用極大似然估計法對定時截尾實驗數據中的5 個數據樣本進行計算，得到Weibull 分布參數估計值

4）重復上述過程步驟1～步驟3B次，即可得到B個平均壽命和可靠壽命估計值：

5）將B個(T)數值按從小到大的順序排列，給定置信度α，則排列在第[αB]位的數值即為平均壽命的置信度為α的單側置信下限估計值；

6）將B個數值按從小到大的順序排列，給定置信度α，則排列在第[αB]位的數值即為可靠度為r條件下的置信度為α的可靠壽命單側置信下限估計值。

通過實驗數據，得到基于Weibull 分布不同置信度下的可靠度與壽命預測歸一化關系圖，如圖4 所示。

圖4 Weibull 壽命預測與可靠度歸一化曲線Fig.4 Weibull life prediction and reliability normalization curve

除了上述分析過程外，針對阻攔索此類的疲勞損耗設備，在可靠壽命分析中還有一個關鍵特性需要評估?阻攔索的繩徑退化特性。

3.4 基于繩徑退化數據的壽命評估

隨著試驗次數的增加，阻攔索在實驗過程中不斷被消耗。相對于電磁阻攔裝置的其他分系統設備，阻攔索的消耗損傷速度最快，對系統整體性能影響最大。其具體表現為，隨著試驗次數的增加，阻攔索的直徑會逐漸減小[13]。這部分影響因素可稱為繩徑退化。可根據實際應用情況，設定阻攔索失效的繩徑閾值為Z(mm)，而考慮了繩徑退化因素的可靠壽命估算過程如下：

1）間隔一定時間測量阻攔索繩徑數據，對其中有效樣本阻攔索繩徑數據雖試驗次數增加的退化規律進行數學擬合，得到擬合斜率、擬合截距和擬合優度，建立阻攔索繩徑退化數學模型；

2）根據上述模型對阻攔索的使用壽命進行預測。當阻攔索的繩徑下降到閾值Z需要更換時，可得到個樣本的預測壽命值；

3）根據上一步驟得到的預測壽命值，再采用Weibull 壽命分布極大似然估計法，得到分布參數估計值為，再次通過式（9）～式（12）和參數Bootstrap 方法進一步推導計算獲得可靠函數、可靠壽命點估計值和可靠壽命區間估計值。

在上述過程中，一個重要環節是確定有效樣本的篩選方法，即使用有效使用次數的統計原則。而在使用過程中阻攔索需要更換的判據為：出現斷絲或者繩徑值低于Z。這里可以采用如下3 個統計原則作為可靠壽命評估的輸入條件：

1）同一阻攔索使用次數為故障結尾且小于繩徑退化預測次數的，在可靠壽命評估過程中采信使用次數；

2）同一阻攔索使用次數為故障結尾且大于繩徑退化預測次數的，在可靠壽命評估過程中采信繩徑退化預測次數；

3）同一阻攔索使用次數為定時結尾的，在可靠壽命評估過程中采信繩徑退化預測次數。

通過實驗數據，得到基于繩徑退化不同置信度下的可靠度與壽命預測歸一化關系圖，如圖5 所示。

圖5 繩徑退化壽命預測與可靠度歸一化曲線Fig.5 Life prediction of rope path and reliability normalization curve

4 結 語

本文對電磁式先進阻攔裝置的可靠性分析方法進行研究。首先闡述了電磁式先進阻攔裝置的系統組成與工作原理，對該裝置可靠性分析過程中的可靠性指標、分析流程和故障判定統計原則等關鍵環節進行了分析。最后，結合電磁阻攔裝置的系統特點，分析總結了基于數理統計的系統級可靠性分析方法和聯合了基于Weibull 分布定時截尾方式、采用參數Bootstrap 方法以及考慮阻攔索繩徑退化的阻攔索設備級可靠性分析方法。上述研究內容可為電磁式先進阻攔裝置的可靠性設計、應用于評估過程提供一定的理論參考依據，具有一定的理論研究與實際應用價值。