故障分析的軍民機(jī)液壓產(chǎn)品轉(zhuǎn)換中的設(shè)計(jì)及適航研究

谷 峰，徐 海，宋彥南，鞠洪福，劉彬彬，王洪志

(1.航空工業(yè)哈爾濱飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司， 哈爾濱 150066；2.中國(guó)民用航空沈陽(yáng)航空器適航審定中心， 沈陽(yáng) 110043；3.哈爾濱哈飛航空維修工程有限公司， 哈爾濱 150066；4.貴州新安航空機(jī)械有限責(zé)任公司， 貴州 安順 561000)

我國(guó)航空工業(yè)發(fā)展至今，沿襲“為軍所制，為民所用”的模式，國(guó)內(nèi)航空工業(yè)液壓產(chǎn)品研制單位所研制的產(chǎn)品大部分為軍用飛機(jī)配套，承研單位設(shè)計(jì)和生產(chǎn)主要采用的是軍用標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，由軍工產(chǎn)品定型機(jī)構(gòu)對(duì)產(chǎn)品研制過(guò)程進(jìn)行審查、考核，最終以設(shè)計(jì)定型或生產(chǎn)定型的方式確認(rèn)產(chǎn)品達(dá)到了規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)和要求的程度[1]。而適航性則是民用航空器的一種屬性[2]，根據(jù)《民用航空系統(tǒng)及設(shè)備的安全性評(píng)估方法與指南》將適航性定義為飛機(jī)、飛機(jī)系統(tǒng)及部件安全運(yùn)行并實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能的狀態(tài)[3]。

民機(jī)研制是以市場(chǎng)為導(dǎo)向，以提高安全性、經(jīng)濟(jì)性和舒適性為設(shè)計(jì)原則的研制模式，研制過(guò)程必須接受適航管理。適航管理作為約束民機(jī)的最低安全性保障體系，是一項(xiàng)極其復(fù)雜的系統(tǒng)工程，適航管理業(yè)務(wù)種類繁多，涉及到型號(hào)合格審定、生產(chǎn)許可審定、單機(jī)適航證等業(yè)務(wù)[4]，其目的是確保航空器的設(shè)計(jì)符合標(biāo)準(zhǔn)，制造符合設(shè)計(jì)。而軍用飛機(jī)同樣是為滿足國(guó)防需求，在國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)體系下進(jìn)行設(shè)計(jì)、生產(chǎn)及應(yīng)用，軍機(jī)產(chǎn)品應(yīng)用于民機(jī)或民機(jī)產(chǎn)品應(yīng)用于軍機(jī)屢見(jiàn)不鮮，但由于這2種產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)體系、設(shè)計(jì)審查體系及使用要求存在一定的差異，導(dǎo)致不能完全替代，也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。

目前，隨著新型軍用飛機(jī)研究工作進(jìn)程的推進(jìn)，我國(guó)也開(kāi)始加強(qiáng)對(duì)軍用飛機(jī)適航性的研究力度，旨在提高我國(guó)軍用飛機(jī)飛行質(zhì)量與安全性，但由于我國(guó)對(duì)軍用飛機(jī)適航性研究起步較晚，還存在很多問(wèn)題，對(duì)我國(guó)軍用飛機(jī)適航性提高產(chǎn)生較大影響[5]，而將軍用飛機(jī)的成熟產(chǎn)品應(yīng)用與民機(jī)研究的較少。因此，分析軍機(jī)民機(jī)差異對(duì)元件、系統(tǒng)乃至整機(jī)的影響，提前做好改進(jìn)工作，能夠保證軍機(jī)產(chǎn)品和民機(jī)產(chǎn)品的相互轉(zhuǎn)化，節(jié)省裝備的研制成本、提高效率。

1 民用航空液壓產(chǎn)品的審查要求

民用航空液壓設(shè)備的批準(zhǔn)方式，可以簡(jiǎn)單分為單獨(dú)批準(zhǔn)和隨機(jī)批準(zhǔn)。國(guó)內(nèi)正在參研的民航型號(hào)配套機(jī)載設(shè)備項(xiàng)目大部分屬于隨機(jī)批準(zhǔn)的適航審定方式。隨機(jī)批準(zhǔn)項(xiàng)目適航管理流程如圖1所示[1]。

圖1 隨機(jī)批準(zhǔn)產(chǎn)品適航取證流程框圖

在審查組審查的過(guò)程中，一般需要確定航空液壓設(shè)備設(shè)計(jì)概念的原理和可靠性準(zhǔn)則等符合要求。其中包括功能要求，即產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)其目的的一種行為模式；性能要求，即產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能的能力特性；環(huán)境要求，即產(chǎn)品的工作環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境，典型的工作環(huán)境有：高度、溫度、溫度變化、濕度、沖擊、振動(dòng)、防爆、防水、液體敏感性、沙塵、霉菌、鹽霧、磁影響、電源波動(dòng)、電壓尖峰、電源音頻傳導(dǎo)敏度、感應(yīng)信號(hào)敏感度、射頻輻射/傳導(dǎo)敏感度、射頻輻射/傳導(dǎo)發(fā)射、雷電感應(yīng)瞬態(tài)敏感度、閃電直接影響、結(jié)冰、靜電放電。典型的運(yùn)行環(huán)境有：運(yùn)行類別、晝夜、飛行高度、雷雨、結(jié)冰、地面導(dǎo)航條件、空地通訊條件、最小垂直間隔、機(jī)場(chǎng)運(yùn)行條件、一般水域上空、廣闊水域上空、儀表、飛行規(guī)則、目視飛行規(guī)則、無(wú)人地域上空、高海拔山區(qū)上空、風(fēng)切變、繁忙空域、復(fù)雜條件機(jī)場(chǎng)、火山灰、機(jī)場(chǎng)噪聲等。航空液壓產(chǎn)品通過(guò)分析及試驗(yàn)表明其符合工作環(huán)境的要求，民用飛機(jī)一般通過(guò)滿足RTCA/DO-160《機(jī)載設(shè)備環(huán)境條件和試驗(yàn)方法》[6]標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求表明符合性，軍用飛機(jī)機(jī)電產(chǎn)品則需滿足GJB150《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法》[7]和GJB150《軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求》[8]等，因此，在軍民產(chǎn)品相互轉(zhuǎn)換之前，應(yīng)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的差異性要求對(duì)液壓產(chǎn)品的影響進(jìn)行分析。

2 魚(yú)叉組合閥的故障影響分析

魚(yú)叉組合閥是實(shí)現(xiàn)H425-100航遙型直升機(jī)液壓系統(tǒng)功能的重要關(guān)鍵元件，對(duì)直升機(jī)的影響可通過(guò)故障模式影響及致命度分析進(jìn)行評(píng)價(jià)。魚(yú)叉組合閥為魚(yú)叉裝置收放提供一定壓力和流量的液壓源，并提供監(jiān)測(cè)壓力的電信號(hào)，若魚(yú)叉組合閥發(fā)生故障甚至損壞，關(guān)系到直升機(jī)著艦安全。通過(guò)分析魚(yú)叉組合閥和剎車組合閥特性，從影響系統(tǒng)功能和飛行安全的角度考慮，建立故障模式影響模型，并進(jìn)行致命度分析，由于機(jī)載設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)是驗(yàn)證航空機(jī)電設(shè)備能否實(shí)現(xiàn)自身功能的重要適航要求，可根據(jù)故障模式影響及致命度分析結(jié)果來(lái)考察液壓機(jī)電設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)的必要性。

魚(yú)叉組合閥故障模式和致命度分析根據(jù)組合閥組成單元各種故障模式對(duì)產(chǎn)品功能的影響，量化故障模式影響的致命度，對(duì)每一種故障模式按其嚴(yán)酷度分類，提出預(yù)防改進(jìn)措施，提高產(chǎn)品的可靠性，同時(shí)從設(shè)計(jì)、制造、使用維護(hù)等方面減少故障的發(fā)生概率，并可以根據(jù)不同的致命度對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量提出不同的要求或要求增設(shè)保護(hù)、報(bào)警和檢測(cè)系統(tǒng)[9-13]。

魚(yú)叉組合閥的原理如圖2所示，外形如圖3所示，爆炸圖如圖4所示，魚(yú)叉組合閥故障將導(dǎo)致魚(yú)叉不能正常收放，當(dāng)魚(yú)叉不能正常收放時(shí)，將影響飛機(jī)執(zhí)行著艦與離艦的飛行任務(wù)。

1-單向閥；2-蓄壓器；3-減壓閥；4-二位三通電磁換向閥；5-二位二通電磁換向閥；6-快卸自封閥；7-壓力傳感器

圖3 魚(yú)叉液壓組合閥外形圖

圖4 魚(yú)叉液壓組合閥爆炸圖

魚(yú)叉組合閥的故障模式一般有泄漏、機(jī)械損壞及流量不足等，即使是同一種表現(xiàn)形式，其機(jī)理也不盡相同，表1顯示了魚(yú)叉液壓組合閥的故障模式和故障機(jī)理。

表1 魚(yú)叉液壓組合閥的故障模式和故障機(jī)理

魚(yú)叉組合閥的故障影響如圖5所示。

圖5 魚(yú)叉組合閥的故障影響框圖

在特定的環(huán)境條件下，產(chǎn)品的故障模式中某一故障模式具有的致命度量值為Cij，即為產(chǎn)品i的第j個(gè)故障模式的致命度，可以用式(1)進(jìn)行計(jì)算：

Cij=αijβijλit

(1)

式中：αij為魚(yú)叉組合閥的零件i故障模式j(luò)出現(xiàn)的次數(shù)與零件i出現(xiàn)的全部次數(shù)之比，綜合《非電子零件可靠性數(shù)據(jù)》[14]《飛機(jī)液壓系統(tǒng)使用故障統(tǒng)計(jì)分析》[15]及某型機(jī)研制、使用數(shù)據(jù)，可得αij數(shù)值，見(jiàn)表2。

βij為故障影響概率，魚(yú)叉組合閥的零件i在第j種故障模式出現(xiàn)的情況下，故障對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的致命性等級(jí)；一般按表3進(jìn)行選擇，由于魚(yú)叉組合閥中任意元件失效均會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)失效，因此，βij=1。

表3 故障影響概率

表2中：λi為零件i的故障率，根據(jù)《非電子零件可靠性數(shù)據(jù)》[13]可得λi數(shù)值。t為任務(wù)持續(xù)的時(shí)間，按每次飛行2 h進(jìn)行計(jì)算。

就某一特定的任務(wù)而言，零件i的致命度Ci是零件i在這一條件下各種故障模式致命度的總和，即：

(2)

式中：n為該零件在相應(yīng)條件下的故障模式數(shù)，其中單向閥故障模式數(shù)為1，壓力傳感器、蓄壓器、減壓閥和電磁閥故障模式數(shù)為2；

包含有m個(gè)單元的產(chǎn)品的致命度Cs為

(3)

由于魚(yú)叉組合閥有5個(gè)主要零件，因此式中：m=5。

由表2可以看出物理環(huán)境與電磁環(huán)境均會(huì)對(duì)魚(yú)叉組合閥中的附件產(chǎn)生影響，其中壓力傳感器與電磁閥的受電磁環(huán)境影響產(chǎn)生的致命度最大，蓄壓器受物理環(huán)境影響產(chǎn)生的致命度最大。

表2 故障率及致命度影響分析

為了進(jìn)一步對(duì)魚(yú)叉組合閥故障模式和故障機(jī)理進(jìn)行分析驗(yàn)證，按其電磁環(huán)境和物理環(huán)境使用要求進(jìn)行試驗(yàn)，電磁環(huán)境試驗(yàn)臺(tái)如圖6所示，物理環(huán)境試驗(yàn)臺(tái)如圖7所示，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

圖6 電磁環(huán)境試驗(yàn)臺(tái)

圖7 物理環(huán)境試驗(yàn)臺(tái)

表4 魚(yú)叉組合閥故障狀態(tài)試驗(yàn)結(jié)果

由表4試驗(yàn)結(jié)論可以看出，單向閥、蓄壓器、減壓閥易在物理試驗(yàn)環(huán)境下失效，壓力傳感器、電磁閥更易受到電磁環(huán)境的影響而出現(xiàn)故障。

3 主要軍民環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差異性分析

由第3節(jié)結(jié)論可知，工作環(huán)境對(duì)液壓系統(tǒng)成品的影響較大，嚴(yán)酷的工作環(huán)境將可能導(dǎo)致產(chǎn)品的失效，因此，必須在設(shè)計(jì)、驗(yàn)證及審查的過(guò)程中重點(diǎn)關(guān)注工作環(huán)境對(duì)航空液壓產(chǎn)品的影響。由于軍用航空液壓產(chǎn)品應(yīng)用于民機(jī)前以及通過(guò)GJB150A《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法》和GJB151A《軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求》的考核，在設(shè)計(jì)選型的過(guò)程中應(yīng)分析RTCA/DO-160《機(jī)載設(shè)備環(huán)境條件和試驗(yàn)方法》與上述軍用標(biāo)準(zhǔn)的差別，要求一致的試驗(yàn)項(xiàng)目和軍標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)酷于RTCA/DO-160標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)項(xiàng)目，可直接引用軍機(jī)的鑒定結(jié)論；軍標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)無(wú)法滿足于RTCA/DO-160標(biāo)準(zhǔn)的要求或2種標(biāo)準(zhǔn)要求的側(cè)重點(diǎn)差異較大時(shí)，應(yīng)進(jìn)一步按照RTCA/DO-160標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行考核。H425-100航遙型直升機(jī)液壓產(chǎn)品涉及的主要軍民環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差異性分析結(jié)論見(jiàn)表5。

表5 軍民環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

因此，在設(shè)計(jì)初期，將軍用航空液壓產(chǎn)品——魚(yú)叉液壓組合閥應(yīng)用于民用直升機(jī)時(shí)，應(yīng)按照RTCA-DO-160G中第18章B類設(shè)備的規(guī)定進(jìn)行音頻傳導(dǎo)敏感度——電源輸入試驗(yàn)；而對(duì)于雷電感應(yīng)瞬態(tài)敏感度試驗(yàn)軍機(jī)無(wú)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)按RTCA-DO-160G中第22章相關(guān)要求進(jìn)行試驗(yàn)。

續(xù)表(表5)

4 設(shè)計(jì)及初始適航管理體系

民用飛機(jī)機(jī)載設(shè)備研制過(guò)程要經(jīng)過(guò)CAAC或其授權(quán)的人員或組織經(jīng)過(guò)機(jī)載設(shè)備審定基礎(chǔ)確定、工程資料審查、制造符合性審查、符合性驗(yàn)證試驗(yàn)?zāi)繐魴z查，最終TCB(型號(hào)合格審定委員會(huì))會(huì)議審查合格后，完成機(jī)載設(shè)備的適航審定取證。在符合性驗(yàn)證試驗(yàn)?zāi)繐魴z查過(guò)程中，機(jī)載設(shè)備能否按照民用適航標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)環(huán)境試驗(yàn)將影響到民機(jī)后續(xù)取證進(jìn)度。對(duì)于采用國(guó)軍標(biāo)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行環(huán)境試驗(yàn)并滿足要求的應(yīng)對(duì)比分析國(guó)軍標(biāo)與民用標(biāo)準(zhǔn)之間的差異性，提出切實(shí)可行能夠滿足民用環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求的改進(jìn)方案。對(duì)于要求一致的標(biāo)準(zhǔn)，其驗(yàn)證方式和結(jié)論應(yīng)相互采納，對(duì)于存在差異的要求，應(yīng)結(jié)合使用要求及影響分析，重新確定驗(yàn)證方法，合理利用已有結(jié)論，并可對(duì)必要的項(xiàng)目進(jìn)行補(bǔ)充驗(yàn)證。在進(jìn)行差異性分析時(shí)，應(yīng)由民航局審查代表主持，同時(shí)發(fā)揮DER的作用，由主機(jī)廠、承研單位等相關(guān)單位提出差異性分析報(bào)告，對(duì)改進(jìn)方案、驗(yàn)證方法等進(jìn)行可行性審查，確保轉(zhuǎn)化產(chǎn)品可以滿足使用要求。成附件的軍民轉(zhuǎn)化設(shè)計(jì)流程及初始適航管理如圖8所示。

圖8 成附件的軍民轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)流程及初始適航管理框圖

5 結(jié)論

1) 軍用機(jī)載成品環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)與民用機(jī)載成品環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)在電磁兼容性方面存在較大差異。部分民用環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)軍用環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求更為苛刻。

2) 電磁兼容性和部分物理環(huán)境影響將導(dǎo)致魚(yú)叉組合閥出現(xiàn)致命度較高的故障，應(yīng)針對(duì)故障原因，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)要求具有較大差異的項(xiàng)目進(jìn)行有針對(duì)性的驗(yàn)證，確保軍用成品向民用成品轉(zhuǎn)化過(guò)程中的安全性。

3) 對(duì)于軍用成品向民用成品轉(zhuǎn)化設(shè)計(jì)的過(guò)程，應(yīng)建立行之有效的初始適航管理體系，提高審查效率。

4) 液壓系統(tǒng)設(shè)備為典型的航空器機(jī)電設(shè)備，其性能、特點(diǎn)及環(huán)境要求等具有較強(qiáng)的普適性，其驗(yàn)證方法可用于同類航空器機(jī)電設(shè)備。