飛機(jī)氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室高溫試驗(yàn)系統(tǒng)可靠性研究

張亞娟，吳敬濤，鄧文亮，王紅斌

（中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所，西安 710065）

引言

飛機(jī)實(shí)驗(yàn)室高溫試驗(yàn)是以一架可飛行的全狀態(tài)飛機(jī)為研究對(duì)象，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬極端高溫環(huán)境，考核飛機(jī)高溫環(huán)境適應(yīng)性能力；同時(shí)獲取其地面保障設(shè)備耐高溫環(huán)境極限能力信息，并根據(jù)研制要求、失效判據(jù)及試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)其高溫環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，確定其高溫環(huán)境適應(yīng)性能力是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求；發(fā)現(xiàn)飛機(jī)與高溫氣候環(huán)境相關(guān)的飛行安全缺陷，可為飛機(jī)的設(shè)計(jì)優(yōu)化與工藝改進(jìn)提供支持，從而有效降低飛機(jī)試飛風(fēng)險(xiǎn)，提高試飛效率，縮短試飛周期。

試驗(yàn)系統(tǒng)可靠性是指在要求的試驗(yàn)條件下和試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間內(nèi)，實(shí)驗(yàn)室各環(huán)境模擬系統(tǒng)能完成規(guī)定功能的能力，即實(shí)驗(yàn)室各系統(tǒng)在要求的試驗(yàn)條件下和試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間內(nèi)不出現(xiàn)故障或者能保持正常工作的概率[1]。飛機(jī)實(shí)驗(yàn)室高溫試驗(yàn)系統(tǒng)包括的子系統(tǒng)多，且各子系統(tǒng)關(guān)聯(lián)關(guān)系復(fù)雜。在試驗(yàn)過(guò)程中，若有某個(gè)系統(tǒng)或設(shè)備出現(xiàn)故障，極可能引起環(huán)境條件超差，造成飛機(jī)遭遇超出其設(shè)計(jì)指標(biāo)以外的極端氣候環(huán)境的作用而出現(xiàn)損壞，或環(huán)境條件未達(dá)到試驗(yàn)要求，使得試驗(yàn)結(jié)果無(wú)效。

1 影響高溫試驗(yàn)系統(tǒng)可靠性的主要系統(tǒng)

1.1 高溫試驗(yàn)系統(tǒng)工作原理

高溫試驗(yàn)系統(tǒng)熱量傳輸系統(tǒng)工作原理圖如圖1所示。高溫試驗(yàn)系統(tǒng)的熱源由室外的幾臺(tái)蒸汽鍋爐產(chǎn)生，分別輸送給載冷載熱系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)補(bǔ)氣系統(tǒng)；載冷載熱系統(tǒng)為閉式循環(huán)系統(tǒng)，將制冷系統(tǒng)產(chǎn)生的冷量和由蒸汽鍋爐輸送的熱量轉(zhuǎn)送給循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)和新風(fēng)系統(tǒng)；循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)對(duì)循環(huán)空氣進(jìn)行直接溫度和濕度處理，將處理好的空氣再送入環(huán)境室，調(diào)節(jié)環(huán)境室內(nèi)的溫濕度；新風(fēng)系統(tǒng)將室外空氣進(jìn)行升溫和除濕，然后再送入循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)，與循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)共同調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)室濕度，維持實(shí)驗(yàn)室內(nèi)保持微正壓；微正壓系統(tǒng)的主要功能是配合新風(fēng)系統(tǒng)共同控制室內(nèi)壓力和溫濕度；集成控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)各系統(tǒng)的運(yùn)行，控制各設(shè)備的開(kāi)啟和中斷等，以實(shí)現(xiàn)環(huán)境室溫濕度環(huán)境[2]。

圖1 高溫試驗(yàn)系統(tǒng)工作原理圖

1.2 高溫試驗(yàn)系統(tǒng)可靠性分析

由高溫試驗(yàn)系統(tǒng)工作原理可知，載冷載熱系統(tǒng)是熱量及冷量傳輸?shù)年P(guān)鍵性系統(tǒng)，同時(shí)也是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障率較高的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含3套獨(dú)立的子系統(tǒng)：

1）30 %乙二醇常溫載冷系統(tǒng)，載冷劑為30 %乙二醇水溶液，簡(jiǎn)稱(chēng)為乙二醇系統(tǒng)；

2）LM-8中高溫載冷載熱系統(tǒng)，載冷劑為L(zhǎng)M-8，簡(jiǎn)稱(chēng)為L(zhǎng)M-8系統(tǒng)；

3）二氯甲烷低溫載冷系統(tǒng)，載冷劑為二氯甲烷，簡(jiǎn)稱(chēng)為二氯甲烷系統(tǒng)。

由載冷載熱系統(tǒng)的組成可知，乙二醇系統(tǒng)和二氯甲烷系統(tǒng)負(fù)責(zé)冷量的傳輸，其子系統(tǒng)LM-8中高溫載冷載熱系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)熱量的傳輸，LM-8中溫載冷載熱系統(tǒng)包括載冷劑泵、氣動(dòng)閥門(mén)、定壓罐、電加熱器等，這些設(shè)備的正確操作和檢查維護(hù)是高溫試驗(yàn)正常運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文以L(fǎng)M-8中溫載冷載熱系統(tǒng)為結(jié)構(gòu)重要度，構(gòu)建實(shí)驗(yàn)室高溫試驗(yàn)系統(tǒng)可靠性框圖見(jiàn)圖2。

圖2 實(shí)驗(yàn)室高溫試驗(yàn)系統(tǒng)可靠性框圖

2 高溫試驗(yàn)系統(tǒng)典型故障統(tǒng)計(jì)分析

統(tǒng)計(jì)分析實(shí)驗(yàn)室高溫試驗(yàn)系統(tǒng)故障模式、故障原因分析及采取措施如表1所示。

通過(guò)學(xué)習(xí)藝術(shù)教育的授課方式，由起初的主題式教學(xué)，激發(fā)學(xué)生去切身體驗(yàn)感受繪畫(huà)主題與生活的結(jié)合；也慢慢的加入不同的教學(xué)方式。藝術(shù)教育對(duì)于教學(xué)方法的研究很完備，從而我們?cè)谡n程中運(yùn)用了滲透式的教學(xué)方式，即在繪畫(huà)的同時(shí)滲透到孩子們所學(xué)習(xí)到的其他的學(xué)科門(mén)類(lèi)，例如我們?cè)诶L畫(huà)以“海底世界”為主題的課程時(shí)，結(jié)合孩子們所學(xué)的數(shù)學(xué)圖形，讓孩子們自行想象添加幾何圖形的元素繪畫(huà)；我們作為引導(dǎo)者，最后再進(jìn)行技巧的教學(xué)，使得孩子們本身的生動(dòng)畫(huà)面更加豐富完整。

從表1可以看出，以上故障發(fā)生的原因主要有三方面：

表1 高溫試驗(yàn)可能出現(xiàn)的故障特征和采取措施

1）設(shè)備故障，比如混溫調(diào)節(jié)閥故障、溫度傳感器故障、回風(fēng)口格柵堵塞、冷卻水閥門(mén)故障；

2）操作失誤，這主要與操作人員經(jīng)驗(yàn)不足，對(duì)閥門(mén)的開(kāi)度大小控制不當(dāng)，比如蒸汽閥開(kāi)度過(guò)大過(guò)小、載冷劑溫度過(guò)低或過(guò)高；

3）管理失誤，設(shè)備沒(méi)有嚴(yán)格按要求檢查維護(hù)，比如Y型過(guò)濾器堵塞、回風(fēng)口格柵堵塞等。

3 基于故障樹(shù)法的高溫試驗(yàn)系統(tǒng)典型故障分析

3.1 故障樹(shù)分析法（FTA）

針對(duì)系統(tǒng)故障問(wèn)題，把系統(tǒng)的故障癥狀或不正常工作情況都定義為故障事件。一般把所研究系統(tǒng)發(fā)生的故障設(shè)置在故障樹(shù)頂端，稱(chēng)為頂事件；把故障樹(shù)分析中得到的結(jié)果事件，設(shè)置在故障樹(shù)底端，稱(chēng)為底事件；把引起各級(jí)故障事件發(fā)生的所有原因事件，設(shè)置在故障樹(shù)中間，稱(chēng)為中間事件，故障樹(shù)分析方法就是把頂事件、中間事件和底事件之間的因果關(guān)系按樹(shù)狀逐級(jí)細(xì)化關(guān)聯(lián)的分析方法[3]。

故障樹(shù)分析法主要包括如下步驟：

1）構(gòu)建故障樹(shù)；

2）建立故障樹(shù)的數(shù)學(xué)模型；

3）分析系統(tǒng)可靠性故障樹(shù)。

分析方法包括定性分析和定量分析，定性方法是分析故障樹(shù)中所有引發(fā)頂事件的最小割集（即故障模式）；定量方法是確定底事件的故障分布及其參數(shù)、底事件發(fā)生的概率等，進(jìn)而求出頂事件發(fā)生的概率。

3.2 故障樹(shù)的構(gòu)建

通過(guò)故障樹(shù)的建立，能夠充分了解系統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)型，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行中的薄弱點(diǎn)，為系統(tǒng)的改進(jìn)、使用和維護(hù)提供技術(shù)支持，同時(shí)提高系統(tǒng)的可靠性、可維護(hù)性和安全性[4]。

由于實(shí)驗(yàn)室高溫試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)備眾多，故需要通過(guò)分析高溫試驗(yàn)系統(tǒng)的工作原理及各設(shè)備關(guān)聯(lián)關(guān)系，統(tǒng)計(jì)分析系統(tǒng)中設(shè)備故障次數(shù)和故障模式等資料，來(lái)構(gòu)建高溫系統(tǒng)可靠性總分式故障樹(shù)。設(shè)置高溫試驗(yàn)系統(tǒng)工作異常為總故障樹(shù)頂事件，總分式故障樹(shù)見(jiàn)圖3～9。

圖3 高溫試驗(yàn)系統(tǒng)總故障樹(shù)

3.3 故障樹(shù)模型分析

FTA是安全系統(tǒng)工程領(lǐng)域最重要的分析方法，分為定性分析和定量分析，定性分析主要是找出故障樹(shù)頂事件的所有最小割集[5]，定量分析又可分為兩種方法：第一種是計(jì)算頂部事件的發(fā)生概率，依據(jù)底事件的失效概率來(lái)推算；第二種是求出底事件的結(jié)構(gòu)重要度、概率重要度和關(guān)鍵重要度，根據(jù)重要度的大小排序得出故障診斷結(jié)果和修理先后順序。

由于氣候?qū)嶒?yàn)室高溫試驗(yàn)系統(tǒng)剛剛開(kāi)始運(yùn)行，不能夠采集到足夠的數(shù)據(jù)，無(wú)法估算底事件失效概率，即定量分析數(shù)據(jù)不足，故暫且進(jìn)行故障樹(shù)的定性分析。對(duì)圖3～9事件進(jìn)行編號(hào)，得出高溫試驗(yàn)系統(tǒng)故障樹(shù)的主要事件見(jiàn)表2。

表2 故障樹(shù)事件表

圖4 升溫過(guò)程中升溫速率偏慢分支故障樹(shù)

圖5 升溫過(guò)程中升溫速率偏快分支故障樹(shù)

4 故障樹(shù)模型的數(shù)值分析

實(shí)驗(yàn)室高溫測(cè)試系統(tǒng)故障樹(shù)中共有19個(gè)最小割集，每個(gè)最小割集都為一階，對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)室高溫試驗(yàn)系統(tǒng)分支故障樹(shù)的底事件，是確?？傁到y(tǒng)高可靠性的先決條件，因此針對(duì)底事件進(jìn)行試驗(yàn)前檢查和平時(shí)維護(hù)是系統(tǒng)可靠性的基礎(chǔ)。

圖6 回溫過(guò)程中降溫速率偏慢分支故障樹(shù)

圖7 回溫過(guò)程中降溫速率偏快分支故障樹(shù)

圖8 穩(wěn)態(tài)低溫送風(fēng)溫度波動(dòng)超過(guò)3 ℃分支故障樹(shù)

圖9 回風(fēng)溫度波動(dòng)較大分支故障樹(shù)

式中：

T—為頂事件發(fā)生概率；

Yi—為中間事件（i=1～6）發(fā)生概率；

Xi—為底事件（i=1～19）發(fā)生概率。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室高溫試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中的數(shù)據(jù)手冊(cè)，以及實(shí)驗(yàn)室高溫試驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中故障統(tǒng)計(jì)分析，例如設(shè)定的事件概率值見(jiàn)表3。

從表3可以發(fā)現(xiàn)每一個(gè)底事件發(fā)生概率P(Xi) 都小于0.1，則19個(gè)最小割集可以看作獨(dú)立小事件。根據(jù)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，得到實(shí)驗(yàn)室高溫試驗(yàn)系統(tǒng)的失效率P（T）和可靠度R如下：

表3 故障樹(shù)底事件概率值選取表

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，可計(jì)算實(shí)驗(yàn)室高溫試驗(yàn)故障樹(shù)最小割集的概率重要度和關(guān)鍵重要度，得知X2、X4、X8、X17底事件為引發(fā)故障樹(shù)頂事件的主要事件，分析主要事件的中間事件故障模式，確定高溫試驗(yàn)系統(tǒng)需要重點(diǎn)監(jiān)測(cè)和維護(hù)設(shè)備有混溫調(diào)節(jié)閥、載冷劑供液控制閥以及送風(fēng)溫度傳感器。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以實(shí)驗(yàn)室高溫試驗(yàn)的工作原理及系統(tǒng)運(yùn)行故障統(tǒng)計(jì)信息為基礎(chǔ)，采用總分式故障樹(shù)分析法（FTA）對(duì)氣候?qū)嶒?yàn)室高溫試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析，分析結(jié)果表明FTA與高溫試驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行故障吻合度高；以“高溫試驗(yàn)系統(tǒng)工作異?！?作為頂層事件，建立了高溫試驗(yàn)系統(tǒng)的總分式故障樹(shù)模型，并進(jìn)行了定性和半定量分析；根據(jù)最小割集的概率重要度和臨界重要度，得到導(dǎo)致故障樹(shù)頂事件的主要事件；可為實(shí)驗(yàn)室高溫試驗(yàn)系統(tǒng)的定期檢測(cè)、維護(hù)提供參考意見(jiàn)，確保實(shí)驗(yàn)室高溫試驗(yàn)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。