直升机系统基本可靠性分配方法研究

王开山，郝宗敏

(中国直升机设计研究所可靠性研究室，江西 景德镇 333001)

直升机系统基本可靠性分配方法研究

王开山，郝宗敏

(中国直升机设计研究所可靠性研究室，江西 景德镇 333001)

对常用可靠性分配方法进行研究总结，针对直升机特点阐述各分配方法的选取原则并给出直升机系统基本可靠性指标分配的一般流程，最后结合具体案例说明所提出的分配方法、选取原则和操作流程在直升机上应用的可行性。

可靠性分配;选取原则;一般流程

0 引言

可靠性指标分配是将产品的可靠性指标要求，由上到下、由整体到局部逐级分配到规定的产品层次(分系统、设备等)，以此作为可靠性设计和提出外协、外购产品可靠性定量要求的依据［1］。对于直升机来讲，可靠性指标分配过低会增加维护保障成本甚至影响飞行安全，过高则会浪费较多研制时间和经费，因此选择合理的分配方法具有十分重要的意义。

为使可靠性分配更加合理，国内外研究人员进行了大量研究，主要方法有:综合分配法［2］、层次分析法［3－4］、重要度法［5］、模糊法［6］、神经网络法［7］等。但这些方法要么需要一定的约束条件，要么在算法上过于复杂，应用于直升机系统的可靠性分配可操作性不强。

本文对已有可靠性分配方法进行研究，总结出几种可以满足直升机研制要求且易于操作的可靠性分配方法，针对直升机系统特点阐述各分配方法的选取原则并给出直升机基本可靠性指标分配的一般流程。

1 可靠性分配方法

1．1 等分配法

在产品设计初期，当产品定义并不十分清楚时，可以采用最简单的等分配法进行可靠性分配。对于直升机研制来讲，即使在设计初期，其基本系统组成也比较清晰，一般在整机分配过程中不会使用该方法。但由于直升机常会进行系统或设备的冗余设计，比如液压系统往往会由左、右两套液压系统组成，将该类系统可靠性指标分配到下级相同的若干子系统的情况下便可使用等分配法;还有些单元是由若干完全相同的子单元组成，比如桨叶单元是由四片或五片完全相同的桨叶片组成，则将桨叶单元可靠性指标分给各桨叶片时可以使用等分配法。等分配方法模型如下:

设某系统由n个分系统串联组成，若给定系统可靠度指标为，则按等分配法分配给各下属系统或设备的可靠度指标为［8］:

1．2 比例分配法

比例分配法适用于新设计的系统与老的系统非常相似的情况，也就是新老系统的各组成单元类型相同，对这个新系统只是根据新的情况提出新的可靠性要求，而且有老系统的统计数据或老系统各组成单元的统计数据可供使用。直升机新型号的研制往往是根据新的使用需求在之前型号的基础上改型而来，对于一般改型系统设备可以认为与老系统相似，因此适用该分配方法。比例分配法模型如下:

根据老系统中各单元的故障率，按新系统可靠性的要求，给新系统的各单元分配故障率。其数学表达式为［8］:

在现实中，一般新老系统构成不可能完全相同，某些单元可能属于已定型的“货架”产品或已单独给定可靠性指标的产品，即该单元的分配值已确定，那么可以按式(3)进行分配:

式中:λc—已定型“货架”产品的故障率(1/h);—新系统的故障率指标(1/h);—分配给新系统中第i个单元的故障率(1/h);λs老—老系统的故障率(1/h);λi老—老系统中第i个单元的故障率(1/h)。

如果有老系统中各分系统故障数占系统故障数百分比Ki的统计资料，而且新、老系统又极相似，那么可以按式(4)进行分配:

式中:Ki—第i个分系统故障数占系统故障数的百分比。

1．3 评分分配法

在缺乏系统组成单元可靠性数据的情况下，通过有经验的设计人员或专家对影响可靠性的几种因素评分，对评分进行综合分析而获得各单元之间的可靠性相对比值，根据评分情况给每个分系统或设备分配可靠性指标。应用这种方法时，时间应以系统工作时间为基准。在直升机上，新研系统设备或改动较大的系统设备肯定没有历史可靠性数据，因此适合使用该分配方法。评分分配法模型如下:

式中:i=1，2，…，n—单元数;Ci—第个单元的评分系数。

式中:ωi—第个单元评分数;ω—系统的评分数。

式中:γij—第i个单元，第j个因素的评分数;j=1—复杂度;j=2—技术发展水平;j=3—重要度;j=4—工作时间;j=5—环境条件。

式中:i=1，2，…，n—单元数。

2 直升机可靠性分配流程

直升机可靠性分配可分为三个步骤:首先确定产品技术状态;然后根据产品不同的技术状态选择相适应的可靠性分配方法;最后按照选定的分配模型进行计算得到分配结果。具体流程如图1所示。

2．1 确定产品技术状态

研究待分配系统的特点，确定系统组成中各分系统或单元的技术状态，一般直升机上的产品可分为沿用、改型和新研三种技术状态，这里为了更加合理地选择分配模型，对改型产品，根据其技术状态改变的大小划分为一般改型和较大改型两种。

2．2 选择分配方法

对于沿用产品，其可靠性指标可按以往型号中的指标直接给定，已定型的“货架”产品，其可靠性指标也已固定。除此之外，对于改动较小的一般改型产品应选择比例分配法;对于较大改型的产品和新研产品应选择评分分配法;对于冗余系统设备或由多个完全一样的基本单元组成的单元应选择等分配方法。

2．3 分配计算

将各单元待分配指标按选定的分配方法进行分配计算得到下一级单元可靠性指标分配值，三种分配方法的实施步骤如图2(a)、(b)、(c)所示。

3 应用案例

某型号直升机ZN根据用户需求在老型号ZO的平台基础上进行研制，除少部分新研和较大改型系统之外，其余均为一般改型系统。现利用上述可靠性分配流程对该型号直升机进行基本可靠性指标分配。

3．1 确定产品技术状态

研究新型号直升机系统特点，确定各系统技术状态，如表1所示。

3．2 选择分配方法

根据2．2节中可靠性分配方法的选取原则确定各系统所要采用的可靠性分配方法，如表2所示。

表1 ZN直升机系统技术状态

3．3 分配计算

沿用系统直接按之前型号中的可靠性指标给定，其余系统的可靠性指标可由整机指标减去前者指标之后采用评分分配法进行分配。这里整机到系统的可靠性分配过程不做赘述，仅对两个典型系统S1和S9往下一层次的分配过程进行具体说明。整机分配给 S1和 S9的可靠性指标分别为 150h和210h。

表2 ZN直升机系统可靠性分配方法

1)S1系统可靠性指标分配

S1系统技术状态为一般改型，选择的分配方法为比例分配法，因此按公式(2)和图2(b)流程进行可靠性指标分配，分配结果见表3。

表3 ZN直升机S1系统可靠性指标分配结果

2)S9系统可靠性指标分配

S9系统技术状态为新研，选择的分配方法为评分分配法，因此按公式(5)－(8)和图2(c)流程进行可靠性指标分配，分配结果见表4。

单元S92和S93均是由若干完全相同的子单元组成，选择等分配方法进一步分配，按公式(2)和图2 (a)流程进行分配计算，结果见表5。

表4 S9系统可靠性指标计算分配结果

表5 S92和S93单元可靠性指标分配结果

4 结束语

本文从直升机系统研制的工程实际出发，研究总结了常用的几种可靠性分配方法，针对直升机系统特点提出了各方法的选取原则并给出了直升机基本可靠性指标分配的一般流程和具体步骤。

通过实际案例证明本文提出的可靠性分配方法、选取原则和操作流程简便易行，可以推广到直升机研制的实际工程应用中。

［1］ 曾声奎，赵廷弟，张建国，等．系统可靠性设计分析教程［M］．北京:北京航空航天大学出版社，2001．

［2］ 张 锐，李 波．无人机系统可靠性分配方法［J］．南京航空航天大学学报，2009(41):106－108．

［3］ 张 健，雷雨成．串联系统可靠性分配的层次分析方法［J］．机械设计与制造，2000(6):1－3．

［4］ 彭宝华，赵建印，孙权．复杂系统可靠性分配的层次分析法［J］．电子产品可靠性与环境试验，2005(6):58－ 62．

［5］ 何明礼，向晓东，郭尹亮．基于重要度的系统可靠性分配方法［J］．安全与环境工程，2009，16(4):62－65．

［6］ 王 浩，庄钊文．基于模糊方法的系统可靠性分配［J］．系统工程理论与实践，2000(8):79－83．

［7］ 徐 勇，侯朝桢，杨国胜．系统可靠性分配的神经网络模型［J］．系统工程与电子技术，2001，23(1):90－92．

［8］ 龚庆祥，赵 宇，顾长鸿．型号可靠性工程手册［M］．北京:国防工业出版社，2007:107－110．

Research on Application of Common Reliability Allocation Method in Helicopter

WANG Kaishan，HAO Zongmin
(China Helicopter Research and Development Institute，Jingdezhen 333001，China)

On the basis of studying and summing up common reliability allocation methods，the selection principle of reliability allocation methods was expounded according to helicopter characters．Then the general flow of basic reliability allocation of helicopter was presented．Finally，the feasibility of the application in helicopter of the proposed allocation methods，selection principle and general flow were illustrated with an example．

helicopter;reliability allocation;selection principle;general flow

V215．7;TB114．3

A

1673-1220(2017)02-033-04

2016－10－13

王开山(1990－)，男，江苏徐州人，硕士，助理工程师，主要研究方向:可靠性安全性。