基于多种数据源的直升机系统基本可靠性预计方法

王开山，胡雪明，郝宗敏

(中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333001)

0 引言

可靠性预计是产品可靠性指标得以实现的基本保证。通过自下而上地预计产品各层次的可靠性水平，实施“预计-改进设计-再预计”的循环，找出产品薄弱环节，不断优化产品设计，最终使产品的可靠性指标得以实现。因此，开展可靠性预计是确保设计、生产出具备规定可靠性指标产品的指导性和基础性的工作。

对直升机来讲，基本可靠性是影响其战备完好性和任务成功性的基本参数，通常是直升机研制中的一项必备的重要技术指标。然而，直升机系统组成单元中存在大量自制非标准件，其可靠性数据无法从标准中查得，从而导致直升机基本可靠性预计变得异常困难。为此，找到一种合理且高效的可靠性预计方法具有十分重要的意义。

在可靠性预计理论方法方面，国内外研究人员进行了大量研究，现比较前沿的方法有：基于贝叶斯网络预计法、基于失效物理预计法、模糊数学预计法、基于随机进程代数预计法等。但这些方法计算过于繁琐，在直升机系统研制中可操作性不强。

本文对已有可靠性预计方法进行研究，总结出几种可以满足直升机研制要求且易于操作的基本可靠性预计方法，针对直升机系统各组成单元特点阐述各预计方法的选取原则并给出直升机系统基本可靠性预计的一般流程。

1 基本可靠性预计方法

1.1 基于标准数据的预计方法

标准数据主要依据GJB299C和MIL-HDBK-217F两个标准，前者为国产元器件可靠性预计数据源，后者为进口元器件可靠性预计数据源。基于标准数据的基本可靠性预计方法主要分为元器件计数可靠性预计法和元器件应力分析可靠性预计法两种。

元器件计数可靠性预计法适用于产品研制的初步设计阶段，其计算模型见公式(1)。

(1)

式中：

λ

—设备总失效率；

λ

—第

i

种元器件的通用失效率；

π

—第

i

种元器件的通用质量系数；

N

—第

i

种元器件的数量；

n

—设备所用元器件的种类数目。

元器件应力分析可靠性预计法适用于产品已具备详细的元器件清单并已确定了元器件所承受应力的设备研制阶段，其计算模型见公式(2)。

(2)

式中：

λ

—设备总失效率；

λ

—第

i

种元器件的基本失效率；

π

—第

i

种元器件的质量系数；

π

—第

i

种元器件的环境系数；

π

—第

i

种元器件的其它各项系数；

N

—第

i

种元器件的数量；

n

—设备所用元器件的种类数目。

1.2 基于外场飞行数据的预计方法

直升机型号研制通常有很大的继承性，很多产品是直接沿用其它在役型号的成品。这些沿用产品若已经随在役型号飞行了一定的样本量，便可利用该产品的外场飞行数据评估其可靠性水平。评估计算模型通常采用指数分布λ的单侧置信下限估计，见公式(3)。

(3)

式中：

T

—产品总工作时间(样本量)；

r

—责任故障次数；

α

—显著性因子(

α

=1-置信度)。

1.3 基于相似产品数据的预计方法

对于新研改型产品，若存在与其在功能性能、结构组成、制造工艺和使用过程方面均相似的产品，则可以采用基于相似产品数据的可靠性预计方法，见公式(4)。该方法的核心是确定两个产品的相似系数。相似系数的计算模型见公式(5)至公式(6)。

λ

=

K

·

λ

(4)

式中：

K

—相似系数；

λ

—相似产品的故障率；

λ

—本产品的故障率。

K

=

ω/ω

(5)

式中：

ω

—相似产品的评分数；

ω

—本产品的评分数。

(6)

2 直升机系统可靠性预计流程

直升机系统基本可靠性预计操作流程可分为如下四个步骤：

第一步，根据系统各组成单元特点将其分成四个组类。Ⅰ类为转承包研制的外协成品；Ⅱ类为自研沿用产品；Ⅲ类为自研新研改型电子产品；Ⅳ类为自研新研改型机械产品。

第二步，根据组成单元所属类型选择相对应的可靠性预计方法。Ⅰ类产品直接采用厂家提供的可靠性预计数据；Ⅱ类产品选择基于外场飞行数据的预计方法；Ⅲ类产品选择基于标准数据的预计方法；Ⅳ类产品选择基于相似产品数据的预计方法。

第三步，按照选定的预计方法进行计算得到各组成单元的预计结果。

第四步，汇总各组成单元预计结果计算得到系统可靠性指标。

3 应用案例

某型号直升机旋翼系统各组成单元技术状态信息见表1。现利用上述基本可靠性预计方法和流程对该旋翼系统进行基本可靠性预计。

表1 旋翼系统各组成单元技术状态信息

3.1 确定单元所属类别

根据表1中旋翼系统各组成单元技术状态信息，确定各组成单元所属类别，类别划分见表2。

表2 旋翼系统各组成单元类别划分

3.2 选择预计方法

根据第2章第二步中可靠性预计方法的选取原则确定各组成单元所适用的可靠性预计方法，见表3。

表3 各组成单元可靠性预计方法选取

3.3 单元基本可靠性预计计算

3.3.1 Ⅰ类产品的可靠性预计计算

折叠子系统为Ⅰ类产品，其下级组成单元均为外协成品，直接采用厂家提供数据进行预计计算。计算过程见表4。

表4 Ⅰ类产品可靠性预计计算

3.3.2 Ⅱ类产品的可靠性预计计算

主桨叶和自动倾斜器为Ⅱ类产品，采用基于外场飞行数据的预计方法进行可靠性预计。计算过程见表5。

表5 Ⅱ类产品可靠性预计计算

3.3.3 Ⅲ类产品的可靠性预计计算

加热组件为Ⅲ类产品，采用基于标准数据的预计方法进行可靠性预计。该产品由加热元件、电连接器和焊点组成，按GJB299C中的应力分析法计算模型，查取基本故障率和各项系数。计算过程见表6至表9。

表6 加热元件工作失效率预计表

表7 电连接器工作失效率预计表

表8 焊接点工作失效率预计表

表9 加热组件失效率预计表

3.3.4 Ⅳ类产品的可靠性预计计算

主桨毂为Ⅳ类产品，采用基于相似产品数据的预计方法进行可靠性预计。计算过程见表10。

表10 Ⅳ类产品可靠性预计计算

3.4 系统基本可靠性预计计算

汇总旋翼系统各组成单元预计结果计算得到旋翼系统可靠性指标，见表11。

表11 旋翼系统失效率预计表

最终得到旋翼系统的故障率为0.005587次/h，MTBF为178.98h。

4 结束语

本文从直升机系统研制所遇到的实际问题出发，归纳总结了几种容易获取的数据源及对应的预计方法。针对直升机系统常见组成单元特点对其进行分类，阐述不同类别单元需选择的预计方法并给出了直升机系统基本可靠性预计的一般流程和具体步骤。

通过实际案例证明本文提出的基于多种数据源的基本可靠性预计方法合理可行且操作流程简便，可以推广至工程中进行实际应用。