基于隱蔽故障和多失效模式耦合的應(yīng)急門安全性分析

朱錚錚，徐錦錦，丁鴻飛，韓頔

（上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度工程技術(shù)所，上海201210）

0 引 言

艙門作為飛機(jī)的關(guān)鍵組成部分，中國(guó)民用航空局運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)CCAR-25-R4 783條款［1］對(duì)其安全性有著明確的要求。此外，艙門作為飛機(jī)應(yīng)急著陸后人員撤離的主要逃生出口，803條款要求44座以上飛機(jī)須通過符合標(biāo)準(zhǔn)要求的應(yīng)急撤離演示試驗(yàn)來(lái)表明其滿載乘員能在試驗(yàn)開始后的90 s內(nèi)從原位置撤離至地面［2］。因此，艙門作為人員正常進(jìn)出及應(yīng)急撤離時(shí)的出口，其安全性問題顯得十分重要。然而，應(yīng)急門有別于登機(jī)門、服務(wù)門和貨艙門，它屬于常閉艙門（通常情況下不開啟，僅在維修檢查和應(yīng)急撤離時(shí)才被打開），導(dǎo)致該門的故障存在一定的隱蔽性，由于應(yīng)急門的特殊性，合理地分析其安全性顯得尤為重要。

目前，一些研究者從艙門機(jī)構(gòu)的仿真、可靠性和安全性等方面開展了相應(yīng)研究。例如：許清清［3］在Adams中建立了應(yīng)急門虛擬樣機(jī)模型，對(duì)其運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了仿真分析；魏濤等［4］將應(yīng)急門鎖機(jī)構(gòu)拉桿長(zhǎng)度、助力彈簧剛度系數(shù)和連桿銷釘直徑處理為隨機(jī)變量，采用四階矩法進(jìn)行鎖機(jī)構(gòu)卡滯可靠性靈敏度分析；馮蘊(yùn)雯等［5］以民用飛機(jī)艙門全壽命周期的安全使用為目標(biāo)，提出了民用飛機(jī)艙門機(jī)構(gòu)功能安全性分析方法，且構(gòu)建了登機(jī)門空中意外故障樹；秦強(qiáng)［6］提出了艙門安全性分析的具體步驟與流程，開展了基于過中心鎖定原理的貨艙門典型鎖定機(jī)構(gòu)可靠性分析研究，且建立了貨艙門空中偶然打開故障樹；賈潔羽等［7］基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和重要抽要法，探究了飛機(jī)艙門鎖機(jī)構(gòu)關(guān)閉系統(tǒng)的可靠性問題；Zhang Chunyi等［8］針對(duì)多構(gòu)件多失效模式系統(tǒng)可靠性分析中計(jì)算效率和計(jì)算精度較差的問題，采用多重極值響應(yīng)面法開展了相應(yīng)的可靠性分析研究；井惠林等［9］在Adams中建立了艙門機(jī)構(gòu)的磨損模型，開展了艙門機(jī)構(gòu)磨損情況下可靠性分析；孫中超等［10］開展了考慮運(yùn)動(dòng)副磨損情況下某鎖機(jī)構(gòu)的可靠性演化規(guī)律研究，提出了針對(duì)機(jī)構(gòu)可靠性演化問題的Monte Carlo方法；P.Flores等［11］、M.Saad等［12］針對(duì)含間隙連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)精度問題，開展了相應(yīng)的可靠性分析。從現(xiàn)有研究可知，在艙門安全性分析中沒有考慮結(jié)構(gòu)隱蔽故障這一分析理念，未考慮多失效模式耦合的機(jī)構(gòu)功能喪失。

本文以某型民用飛機(jī)應(yīng)急門為研究對(duì)象，考慮故障模式的隱蔽失效，建立應(yīng)急門空中意外打開故障樹，細(xì)化閂機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)不到位的故障模式，建立細(xì)化后的可靠性分析模型，對(duì)可靠性分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

1 應(yīng)急門安全性分析故障樹

1.1 應(yīng)急門結(jié)構(gòu)形式

某型民用飛機(jī)應(yīng)急門位于飛機(jī)翼上兩側(cè)，具體分布如圖1（a）所示，應(yīng)急門為了實(shí)現(xiàn)其相應(yīng)的功能，主要由閂機(jī)構(gòu)、鎖機(jī)構(gòu)、提升臂機(jī)構(gòu)、增壓預(yù)防機(jī)構(gòu)和鉸鏈臂機(jī)構(gòu)等組成，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1（b）所示。

圖1 某型民用飛機(jī)應(yīng)急門Fig.1 Emergency door of civil aircraft

1.2 應(yīng)急門空中意外打開故障樹

通過對(duì)艙門相關(guān)適航條款的解讀可知，應(yīng)急門的主要功能包含：鎖定、指示、關(guān)閉、打開、密封和增壓預(yù)防。其中“應(yīng)急門空中意外打開”是指非指令性的打開艙門，是由意外情況導(dǎo)致的打開，從事故統(tǒng)計(jì)可知，若在高空意外打開艙門則會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性故障發(fā)生［13］。根據(jù)SAE ARP 4761［14］中對(duì)失效狀態(tài)影響等級(jí)的劃分，在空中應(yīng)急門意外打開將會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性事故，其影響等級(jí)為I類，安全性指標(biāo)要求為小于1×e-9/fh。基于應(yīng)急門的工作原理，結(jié)合文獻(xiàn)［5］中登機(jī)門和文獻(xiàn)［6］貨艙門空中意外打開案例邏輯，繪制出應(yīng)急門空中意外打開故障樹，如圖2所示（因篇幅限制，故障樹中轉(zhuǎn)移符號(hào)A和B下的底事件未展開）。

圖2 應(yīng)急門空中意外打開故障樹Fig.2 FT A of accidental opening of emergency door in flight

從圖2可以看出：故障樹底事件概率分析涉及的模型主要包括結(jié)構(gòu)/機(jī)構(gòu)靜強(qiáng)度可靠性分析、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)精度可靠性分析、彈簧疲勞可靠性分析模型等，其中電子產(chǎn)品的故障率由供應(yīng)商提供。

2 考慮隱蔽故障的應(yīng)急門安全性分析

2.1 應(yīng)急門結(jié)構(gòu)/機(jī)構(gòu)隱蔽故障的判斷原則

民用飛機(jī)艙門包含登機(jī)門、服務(wù)門、應(yīng)急門和貨艙門等，由于登機(jī)門、服務(wù)門和貨艙門均屬于經(jīng)常開啟和關(guān)閉的艙門，當(dāng)艙門發(fā)生故障后，很容易被空乘人員發(fā)現(xiàn)，并可立刻開展排故和維修工作，因此在對(duì)上述艙門開展安全性分析時(shí)，故障的風(fēng)險(xiǎn)暴露時(shí)間一般為一個(gè)飛行循環(huán)，也稱為“顯性故障”。但是在飛機(jī)運(yùn)營(yíng)過程中，應(yīng)急門屬于常閉狀態(tài)，當(dāng)應(yīng)急門結(jié)構(gòu)/機(jī)構(gòu)發(fā)生故障或者失效后，并不能第一時(shí)間被空乘人員或機(jī)務(wù)人員發(fā)現(xiàn)，從持續(xù)運(yùn)營(yíng)安全的角度出發(fā)，應(yīng)確定故障暴露時(shí)間以限制飛機(jī)的運(yùn)行時(shí)間并糾正隱蔽故障［15］。換言之，在開展應(yīng)急門安全性分析時(shí)，其結(jié)構(gòu)/機(jī)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)暴露時(shí)間不能再按照常規(guī)的每飛行循環(huán)（即3 fh）處理，而是需要考慮故障的隱蔽性，即將其考慮成“隱蔽故障”。

為了確定本文應(yīng)急門結(jié)構(gòu)/機(jī)構(gòu)故障的風(fēng)險(xiǎn)暴露時(shí)間，需明確該機(jī)型的不同檢修周期。目前，飛機(jī)的檢修間隔分為A檢、B檢和C檢，其中很多航空公司取消了B檢，或者說(shuō)已將B檢的工作向A檢、C檢逼近。

A檢：目視檢查飛機(jī)外部、內(nèi)部和駕駛艙缺陷，目視檢查客艙顯露項(xiàng)目并加上系統(tǒng)的例行保養(yǎng)［15］，一般在飛機(jī)投入運(yùn)營(yíng)兩年內(nèi)達(dá)到航線級(jí)維修間隔。

C檢：徹底對(duì)飛機(jī)內(nèi)部、外部、駕駛艙和發(fā)動(dòng)機(jī)做目視檢查，且需要打開檢修口蓋，徹底清洗、潤(rùn)滑和防腐，進(jìn)行應(yīng)急系統(tǒng)的測(cè)試，并對(duì)影響飛行安全的主要電子和機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行檢查［16］，即俗稱的基地級(jí)維修。

本文研究對(duì)象的A檢間隔為700 fh，C檢間隔為7 000 fh?；谘芯繉?duì)象的特點(diǎn)及其航空公司的運(yùn)營(yíng)維修情況，該應(yīng)急門的檢修周期與飛機(jī)的C檢間隔相同，即應(yīng)急門隱蔽故障的暴露時(shí)間為7 000 fh。

由系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)與分析［17］理論可知，根據(jù)艙門結(jié)構(gòu)/機(jī)構(gòu)故障是否為隱蔽失效，給出結(jié)構(gòu)失效概率與暴露時(shí)間、失效率之間的關(guān)系。

（1）若故障為非隱蔽失效時(shí)，采用指數(shù)分布的形式進(jìn)行失效概率的計(jì)算，其失效概率的求解如式（1）所示。

式中：Pf為失效概率；T為風(fēng)險(xiǎn)暴露時(shí)間（即連續(xù)兩次檢修的時(shí)間間隔）；λ為故障率。

（2）若故障為隱蔽失效時(shí)，需考慮結(jié)構(gòu)周期性的檢修時(shí)間間隔，其失效概率的求解如式（2）所示。

2.2 細(xì)化應(yīng)急門空中意外打開故障樹底事件

基于文獻(xiàn)［5］和文獻(xiàn)［6］對(duì)民用飛機(jī)登機(jī)門和貨艙門空中意外打開故障樹中機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)不到位的處理方法發(fā)現(xiàn)，針對(duì)“民用飛機(jī)艙門機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)不到位”問題，主要考慮結(jié)構(gòu)制造公差累積導(dǎo)致機(jī)構(gòu)輸出角度未能達(dá)到預(yù)期。結(jié)合工程實(shí)際問題，僅考慮結(jié)構(gòu)制造公差累積導(dǎo)致的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)不到位不能真實(shí)反映應(yīng)急門的安全性問題，因此，有必要開展更深入的研究。本文將艙門安全性分析中常規(guī)構(gòu)建的“公差累積導(dǎo)致閂軸運(yùn)動(dòng)不到位”底事件X1調(diào)整為中間事件Y10“閂軸運(yùn)動(dòng)不到位”，并將其細(xì)化成“公差累積導(dǎo)致閂軸運(yùn)動(dòng)不到位X1”和“分時(shí)機(jī)構(gòu)磨損導(dǎo)致閂軸運(yùn)動(dòng)不到位X10”，即考慮多種失效模式對(duì)閂軸運(yùn)動(dòng)不到位的影響，細(xì)化后事件間的邏輯關(guān)系如圖3所示。

圖3 閂機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)不到位Fig.3 Latch mechanism inadequate movement

應(yīng)急門閂軸運(yùn)動(dòng)原理為：通過機(jī)構(gòu)的傳遞作用，首先讓應(yīng)急門手柄的運(yùn)動(dòng)傳遞到鎖軸，隨后通過鎖軸上的凸輪機(jī)構(gòu)與閂軸分時(shí)機(jī)構(gòu)接觸，進(jìn)而帶動(dòng)閂軸的聯(lián)動(dòng)。新增底事件X10的運(yùn)動(dòng)過程如圖4所示。

圖4 分時(shí)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)Fig.4 Motion state of time-sharing mechanism

針對(duì)“分時(shí)機(jī)構(gòu)磨損導(dǎo)致閂軸運(yùn)動(dòng)不到位X10”，主要考慮凸輪與分時(shí)機(jī)構(gòu)間的滾動(dòng)摩擦接觸導(dǎo)致的分時(shí)機(jī)構(gòu)磨損，進(jìn)而引起閂軸運(yùn)動(dòng)不到位。當(dāng)容許磨損量W?大于實(shí)際磨損量W時(shí)，摩擦副處于磨損安全狀態(tài)；反之，摩擦副處于失效狀態(tài)。因此，結(jié)構(gòu)磨損失效的安全邊界方程如式（3）所示。

從而可通過相應(yīng)的可靠性分析方法計(jì)算出機(jī)構(gòu)磨損失效的可靠性指標(biāo)β。

式中：CW*為容許磨損量變異系數(shù)；CW為實(shí)際磨損量變異系數(shù)。

再根據(jù)正態(tài)分布計(jì)算公式可得出對(duì)應(yīng)的失效概率，其表達(dá)式如式（5）所示。

基于型號(hào)工程經(jīng)驗(yàn)及數(shù)據(jù)，分時(shí)機(jī)構(gòu)磨損可靠性模型中相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 磨損可靠性分析參數(shù)Table 1 The parameters of wear reliability analysis

2.3 可靠性分析結(jié)果

故障樹中的強(qiáng)度可靠性分析模型輸入為結(jié)構(gòu)的安全裕度，彈簧疲勞可靠性分析的輸入為彈簧的物理參數(shù)、載荷循環(huán)數(shù)等。鑒于篇幅限制，未將所有底事件失效概率一一列舉。閂機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)不到位底事件細(xì)化前后的可靠性分析結(jié)果對(duì)比如表2所示。得到細(xì)化前后應(yīng)急門空中意外打開的概率分別為2.80×e-11和1.17×e-10。

表2 失效概率對(duì)比Table 2 Comparison of failure probability

從表2可以看出：（1）當(dāng)應(yīng)急門底事件故障的風(fēng)險(xiǎn)暴露時(shí)間不再按常規(guī)的一個(gè)飛行循環(huán)處理，而是考慮結(jié)構(gòu)的隱蔽故障，此時(shí)底事件“公差累積導(dǎo)致的閂軸運(yùn)動(dòng)不到位”的失效概率出現(xiàn)了量級(jí)上的增大；（2）細(xì)化故障樹底事件后，應(yīng)急門空中意外打開頂事件的概率為1.17×e-10，故障樹頂事件的失效概率變大，通常艙門結(jié)構(gòu)/機(jī)構(gòu)的安全裕度較大，故結(jié)構(gòu)出現(xiàn)強(qiáng)度破壞的概率相對(duì)較小，反而是制造公差累積、機(jī)構(gòu)磨損等原因?qū)е屡撻T結(jié)構(gòu)/機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)不到位的案例更多，即失效概率更大，這一結(jié)果與艙門實(shí)際使用情況相符。

3 結(jié) 論

（1）結(jié)合民用飛機(jī)應(yīng)急門的使用特點(diǎn)，在對(duì)應(yīng)急門結(jié)構(gòu)/機(jī)構(gòu)開展安全性分析時(shí)，底事件失效概率的求解不能按常規(guī)的一個(gè)飛行循環(huán)處理，需根據(jù)應(yīng)急門的檢修間隔確定故障的風(fēng)險(xiǎn)暴露時(shí)間，即需考慮底事件故障發(fā)生的隱蔽性。

（2）將艙門中常規(guī)構(gòu)建的“公差累積導(dǎo)致的閂機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)不到位”底事件考慮成由公差累積和結(jié)構(gòu)間磨損共同作用導(dǎo)致的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)不到位問題，細(xì)化了應(yīng)急門閂機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)不到位的故障模式，細(xì)化后的可靠性分析模型更符合工程實(shí)際。

（3）對(duì)比了“應(yīng)急門空中意外打開”故障樹底事件細(xì)化前后的可靠性分析結(jié)果，細(xì)化后的頂事件失效概率更高。