飞机部件延寿的风险评估方法研究

沈小明，戴顺安，王 烨

(1.中国民用航空适航审定中心， 北京 100028； 2.中国民航上海航空器适航审定中心， 上海 200335)

【后勤保障与装备管理】

飞机部件延寿的风险评估方法研究

沈小明1，戴顺安2，王 烨2

(1.中国民用航空适航审定中心， 北京 100028； 2.中国民航上海航空器适航审定中心， 上海 200335)

针对飞机部件，结合SAE ARP 5150的延寿思路，开展了飞机部件延寿的风险评估方法研究，研究了威布尔分布极大似然估计法，利用实际使用维修数据确定了飞机部件的故障规律；通过建立延寿值与风险增加值之间的对应关系，提出了一种基于失效率的延寿风险评估方法；通过实例，对所提方法与SAE ARP 5150附录F3.3中提供的方法进行比较分析，表明了本方法的有效性和适用性。

飞机；风险评估；延寿

在保证安全的前提下追求更高的经济性是民用飞机一直追求的目标，是飞机研制成功与否和能否得到市场认可的关键。延长飞机部件的使用寿命或翻修时间，减少更换或翻修的频率是关系到飞机安全性和经济性的重要工作之一，目前国内外在飞机部件延长翻修寿命方面开展了一定研究。其中何宇廷等[1]提出了一种飞机结构疲劳/耐久性安全寿命的延长方法，即当量延寿法。李会等[2]针对飞机机载成品开展了相应的延寿技术研究。魏鹏等[3]提出了由使用数据分析和大修产品试验分析相结合的综合延寿分析方法，并介绍了基于威布尔分布的寿命拟合计算方法和到达首翻期后产品的相关试验。除了以上针对飞机结构、机载设备的延寿外，在飞机液压、风挡、蓄电池、座舱等方面国内也开展了相关的延寿研究[4-9]。从国内目前的延寿研究来看，基本都集中在延寿技术方面，即如何改进部件质量达到延寿目的，以及延寿后的部件翻修间隔值。然而从适航安全的角度，最需要关注的是延寿有没有增加风险，或者是增加的风险能否接受，目前针对延寿风险评估方面的研究很少。

在SAE ARP 5150的附录F3.3中，从工程角度对飞机部件翻修间隔延长所带来的影响开展了研究。然而，附录F3.3中延寿后增加的风险系数的计算方法偏于保守，适合于缺乏使用经验和数据的情况，然而对于一个需要延寿的飞机部件而言，延寿工作通常都是在掌握大量使用经验和使用数据的情况下才开展的，因此，为了更好的延长飞机部件的使用寿命，挖掘部件的经济性，有必要从实际使用数据出发，提出一种更加符合实际情况的延寿风险评估方法。

为此，本文以ARP 5150附录F3.3中提供的思路为基础，结合多年从事持续适航风险评估的经验，利用实际的使用维修数据，确定飞机部件的故障规律；研究延寿对风险的影响，建立延寿值与风险增加值之间的对应关系；通过实例，对本文所提方法与ARP 5150附录F3.3中提供的方法进行比较分析，为飞机部件的合理延寿提供方法支持。

1 延寿部件的故障分布确定

根据美国宇航局统计数据表明，航空设备故障率大致可以分为六种类型，其中指数分布只占到了14%。目前在我国的民用飞机可靠性管理中，威布尔分布因能替代指数分布等，具有更强的通用性而被广泛采用[13,14]。表1给出了威布尔形状参数(斜率)和故障率特征之间的关系，从而表明了威布尔分布可以替代其他分布。

表1 威布尔形状参数(斜率)和故障率特征

根据比例风险模型(proportional hazards model,PHM)或健康管理的理念可知，相同部件在不同使用环境下表现出来的故障规律各不相同，甚至差异很大，因此，必须根据飞机部件实际的使用维修数据，拟合得到部件的故障分布参数[15-19]。

假定收集了某飞机部件的n组维修数据，其中r组为完全数据，分别为t(1)≤t(2)≤…≤t(r)，n-r组为右截尾数据，截位时间为tp。

已知两参数威布尔分布的密度函数[21-22]为

(1)

其中β,η分别为形状参数和尺寸参数，且都大于0。

其对应的似然函数为

(2)

对式(2)取对数并求导，再整理简化后可得：

(3)

这是两个超越方程，需用数值方法迭代求解，以得到参数β和η。

2 部件延寿的风险评估方法

假设某飞机部件的故障时间t服从威布尔分布，其可靠度函数表示为R(t)，原定的翻修时间为T0，现假定翻修时间延长x(xgt;0)。2.1节给出了SAE ARP 5150附录F3.3中提供的工程方法，在此基础上，2.2节提出了一种新的部件延寿的风险评估方法。

2.1 ARP 5150工程方法

根据前面的假定可知，延寿后飞机部件的翻修时间为T0+x，在翻修时间前的失效风险概率为

F1(T0+x)=1-R(T0+x)

(4)

相对而言，如采用延寿前的维修计划，那么在翻修时间T0+x之前，飞机部件的失效概率由两部分组成，一部分是[0,T0]期间的风险，另一部分是[T0,T0+x]期间的风险，因此总的风险概率为

F0(T0+x)=1-R(T0)·R(x)

(5)

因此，增加的风险系数是关于x的函数，可以表示为

(6)

2.2 基于失效率的风险评估方法

2.1节中的方法在计算F1(T0+x)时，只取了一个特定的周期，事实上为了保证F1(T0+x)计算的合理性，应取足够长的时间，经过足够多的周期，取F1(T0+x)的平均值(期望值)作为最终的F1(T0+x)才是合理的。

根据前面的假定可知，延寿前飞机部件在翻修时间前的失效概率为1-R(T0)，因此对应的平均失效率可表示为

(7)

延寿后飞机部件的翻修时间为T0+x，在翻修时间前的失效风险概率为1-R(T0+x)，对应的平均失效率可表示为

(8)

因此，增加的风险率系数是关于x的函数，可以表示为

(9)

3 实例分析

采用SAE ARP 5150附录F中的例子，考虑一个拥有10个涡轮发动机的机队一直运营至每个发动机都出现失效，失效数据如表2所示。

采用式(3)，对表2中的失效时间数据进行威布尔参数估计，可得

m=2.01，η=1 419

因此，发动机的可靠度函数可以表示为

(10)

发动机的可靠度和累计故障概率随时间的变化如图1所示。

图1 发动机的可靠度和累计故障分布函数

如采用SAE ARP 5150附录F中的工程方法，延寿x飞行小时(FH)的情况下，发动机增加的风险系数可以表示为

(11)

本文所提的基于失效率的风险评估方法，发动机增加的风险系数可以表示为

(12)

按照SAE ARP 5150附录F中例子，假定发动机原定的翻修时间是800飞行小时，即T0=800FH。根据式(11)和式(12)，得到延寿增加的风险系数ΔF(x)、Δλ(x)分别与延寿值的关系，如图2所示。

图2 T0=800 FH下的延寿增加的风险系数

从图2可以看出，采用本文所提方法所增加的风险值低于工程方法，说明工程分析方法相对保守。以可接受的风险增加系数为1.1为例，按照工程分析方法，可延寿值为48 FH，如按照本文所提方法，可延寿值为123 FH，可延寿值增加了1.56倍。

同样的方法，如发动机原定的翻修时间是1 200飞行小时，即T0=1 200 FH。根据式(11)和式(12)，得到延寿增加的风险系数ΔF(x)、Δλ(x)分别与延寿值的关系，如图3所示，从图3明显可以看出，采用本文所提方法所增加的风险值低于工程方法。

图3 T0=1 200 FH下的延寿增加的风险系数

从图2、图3中可以看出，如果按照SAE ARP 5150附录F中的工程方法，延寿非常保守，在飞机部件具有充分使用经验和使用数据的情况下，该方法不利于提高飞机部件的经济性。本文提供的方法可以不仅更加合理，而且可以根据延寿值与风险增加值之间的对应关系，用户按照自己可接受的风险，方便地做出延寿决策；或者对延寿决策作出风险评估。

4 结论

飞机部件延寿是我国航空业正在面临的一个重大的实际问题，科学合理的对飞机部件延寿开展风险评估是准确实施延寿的根本。本文以SAE ARP 5150附录F3.3中提供的思路为基础，通过建立延寿值与风险增加值之间的对应关系，提出了一种基于失效率的延寿风险评估方法，是对APR 5150中的方法的完善和补充，具有重要的理论意义和实际应用价值。

[1] 何宇廷，高潮，张腾，等.飞机结构疲劳/耐久性安全寿命延寿方法[J].空军工程大学学报(自然科学版),2015(6):1-6.

[2] 李会，国志刚，周恩智.飞机机载成品延寿技术研究:航空装备维修技术及应用研讨会论文集[C].中国山东烟台:2015.

[3] 魏鹏，何宇廷，舒文军，等.基于威布尔分布的综合分析法在飞机机载产品延寿中的应用[J].航空维修与工程,2010(1):53-55.

[4] 蔡增杰，韩笑.飞机有寿件延寿综合决策方法[J].装备环境工程,2014(4):49-53.

[5] 季学强.某型飞机液压导管延寿研究[J].长沙航空职业技术学院学报,2011(4):35-38.

[6] 赵俊杰，王智，王磊.某型飞机平尾大轴延寿技术研究:第十五届全国疲劳与断裂学术会议论文集[C].中国广东佛山:2010.

[7] 王佳莹，邸祥发.某型飞机座舱盖定延寿:第十四届全国疲劳与断裂学术会议论文集[C].中国江西井冈山:2008.

[8] 王克然，杨广双，李树柏，等.某型飞机蓄压油箱修补延寿研究与应用[J].飞机设计，2005(1):20-25.

[9] 石林.飞机驾驶舱风挡的延寿[J].航空工程与维修,2002(5):51-53.

[10] LI X,CAI J,ZUO H.Research on reliability sequential compliance method for rolling bearings[J].Journal of Information and Computational Science,2015,12(14):5309-5318.

[11] WARD M,MCDONALD N,MORRISON R,et al.A performance improvement case study in aircraft maintenance and its implications for hazard identification[J].Ergonomics,2010,53(2):247-267.

[12] 王少萍.大型飞机机载系统预测与健康管理关键技术[J].航空学报,2014(6):1459-1472.

[13] 于宏军，韩建军，张华，等.航空发动机健康管理系统标准探讨[J].航空标准化与质量,2012(4):9-11.

[14] 杨洲，景博，张劼，等.机载系统故障预测与健康管理验证与评估方法[J].测控技术,2012(3):101-104.

[15] BAUSSARON J,MIHAELA B,LéO G,et al.Reliability assessment based on degradation measurements:How to compare some models?[J].Reliability Engineering amp; System Safety,2014(131):236-241.

[16] RYAN P C,STEWART M G,SPENCER N,et al.Reliability assessment of power pole infrastructure incorporating deterioration and network maintenance[J].Reliability Engineering amp; System Safety,2014(132):261-273.

[17] 鄢伟安，宋保维，段桂林，等.威布尔部件的经验贝叶斯评估[J].系统工程理论与实践,2013(11):2980-2985.

[18] 王继霞，申培萍.定时截尾下Weibull分布参数估计的EM算法[J].河南师范大学学报(自然科学版),2009(2):9-11.

(责任编辑唐定国)

ResearchonaRiskAssessmentMethodforAircraftComponentProlongingLife

SHEN Xiaoming1， DAI Shunan2， WANG Ye2

(1.Certification center of China Civil Aviation, Beijing 100028, China；2.Shanghai Aircraft Certification Center of China Civil Aviation, Shanghai 200335, China)

It is a major practical problem that Chinese aviation industry should face. Therefore, with the concept of SAE ARP 5150, a risk assessment method is researched for aircraft component prolonging life. A maximum likelihood estimation method for Weibull distribution is adopted, and the characteristic of aircraft component is determined by maintenance data; The relationship between prolonged life and risk is established, and a risk assessment method based on failure rate is proposed. The method is applied by an example, and compared with the method of SAE ARP 5150, and the results show the effectiveness and applicability of the proposed method.

aircraft; risk assessment; prolonging life

2017-07-11；

2017-08-10

民航局重点科技项目(MHDR20150103)

沈小明(1963—)，男，高级工程师，主要从事民用飞机适航审定研究。

10.11809/scbgxb2017.11.019

本文引用格式：沈小明， 戴顺安，王烨.飞机部件延寿的风险评估方法研究[J].兵器装备工程学报，2017(11):85-88.

formatSHEN Xiaoming，DAI Shunan，WANG Ye.Research on a Risk Assessment Method for Aircraft Component Prolonging Life[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(11):85-88.

V328

A

2096-2304(2017)11-0085-04