故障分析的军民机液压产品转换中的设计及适航研究

谷 峰，徐 海，宋彦南，鞠洪福，刘彬彬，王洪志

(1.航空工业哈尔滨飞机工业集团有限责任公司， 哈尔滨 150066；2.中国民用航空沈阳航空器适航审定中心， 沈阳 110043；3.哈尔滨哈飞航空维修工程有限公司， 哈尔滨 150066；4.贵州新安航空机械有限责任公司， 贵州 安顺 561000)

我国航空工业发展至今，沿袭“为军所制，为民所用”的模式，国内航空工业液压产品研制单位所研制的产品大部分为军用飞机配套，承研单位设计和生产主要采用的是军用标准和规范，由军工产品定型机构对产品研制过程进行审查、考核，最终以设计定型或生产定型的方式确认产品达到了规定的标准和要求的程度[1]。而适航性则是民用航空器的一种属性[2]，根据《民用航空系统及设备的安全性评估方法与指南》将适航性定义为飞机、飞机系统及部件安全运行并实现预定功能的状态[3]。

民机研制是以市场为导向，以提高安全性、经济性和舒适性为设计原则的研制模式，研制过程必须接受适航管理。适航管理作为约束民机的最低安全性保障体系，是一项极其复杂的系统工程，适航管理业务种类繁多，涉及到型号合格审定、生产许可审定、单机适航证等业务[4]，其目的是确保航空器的设计符合标准，制造符合设计。而军用飞机同样是为满足国防需求，在国家军用标准体系下进行设计、生产及应用，军机产品应用于民机或民机产品应用于军机屡见不鲜，但由于这2种产品的标准体系、设计审查体系及使用要求存在一定的差异，导致不能完全替代，也会产生一定的影响。

目前，随着新型军用飞机研究工作进程的推进，我国也开始加强对军用飞机适航性的研究力度，旨在提高我国军用飞机飞行质量与安全性，但由于我国对军用飞机适航性研究起步较晚，还存在很多问题，对我国军用飞机适航性提高产生较大影响[5]，而将军用飞机的成熟产品应用与民机研究的较少。因此，分析军机民机差异对元件、系统乃至整机的影响，提前做好改进工作，能够保证军机产品和民机产品的相互转化，节省装备的研制成本、提高效率。

1 民用航空液压产品的审查要求

民用航空液压设备的批准方式，可以简单分为单独批准和随机批准。国内正在参研的民航型号配套机载设备项目大部分属于随机批准的适航审定方式。随机批准项目适航管理流程如图1所示[1]。

图1 随机批准产品适航取证流程框图

在审查组审查的过程中，一般需要确定航空液压设备设计概念的原理和可靠性准则等符合要求。其中包括功能要求，即产品实现其目的的一种行为模式；性能要求，即产品实现预期功能的能力特性；环境要求，即产品的工作环境和运行环境，典型的工作环境有：高度、温度、温度变化、湿度、冲击、振动、防爆、防水、液体敏感性、沙尘、霉菌、盐雾、磁影响、电源波动、电压尖峰、电源音频传导敏度、感应信号敏感度、射频辐射/传导敏感度、射频辐射/传导发射、雷电感应瞬态敏感度、闪电直接影响、结冰、静电放电。典型的运行环境有：运行类别、昼夜、飞行高度、雷雨、结冰、地面导航条件、空地通讯条件、最小垂直间隔、机场运行条件、一般水域上空、广阔水域上空、仪表、飞行规则、目视飞行规则、无人地域上空、高海拔山区上空、风切变、繁忙空域、复杂条件机场、火山灰、机场噪声等。航空液压产品通过分析及试验表明其符合工作环境的要求，民用飞机一般通过满足RTCA/DO-160《机载设备环境条件和试验方法》[6]标准的相关要求表明符合性，军用飞机机电产品则需满足GJB150《军用装备实验室环境试验方法》[7]和GJB150《军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求》[8]等，因此，在军民产品相互转换之前，应根据标准的差异性要求对液压产品的影响进行分析。

2 鱼叉组合阀的故障影响分析

鱼叉组合阀是实现H425-100航遥型直升机液压系统功能的重要关键元件，对直升机的影响可通过故障模式影响及致命度分析进行评价。鱼叉组合阀为鱼叉装置收放提供一定压力和流量的液压源，并提供监测压力的电信号，若鱼叉组合阀发生故障甚至损坏，关系到直升机着舰安全。通过分析鱼叉组合阀和刹车组合阀特性，从影响系统功能和飞行安全的角度考虑，建立故障模式影响模型，并进行致命度分析，由于机载设备环境试验是验证航空机电设备能否实现自身功能的重要适航要求，可根据故障模式影响及致命度分析结果来考察液压机电设备环境试验的必要性。

鱼叉组合阀故障模式和致命度分析根据组合阀组成单元各种故障模式对产品功能的影响，量化故障模式影响的致命度，对每一种故障模式按其严酷度分类，提出预防改进措施，提高产品的可靠性，同时从设计、制造、使用维护等方面减少故障的发生概率，并可以根据不同的致命度对产品的质量提出不同的要求或要求增设保护、报警和检测系统[9-13]。

鱼叉组合阀的原理如图2所示，外形如图3所示，爆炸图如图4所示，鱼叉组合阀故障将导致鱼叉不能正常收放，当鱼叉不能正常收放时，将影响飞机执行着舰与离舰的飞行任务。

1-单向阀；2-蓄压器；3-减压阀；4-二位三通电磁换向阀；5-二位二通电磁换向阀；6-快卸自封阀；7-压力传感器

图3 鱼叉液压组合阀外形图

图4 鱼叉液压组合阀爆炸图

鱼叉组合阀的故障模式一般有泄漏、机械损坏及流量不足等，即使是同一种表现形式，其机理也不尽相同，表1显示了鱼叉液压组合阀的故障模式和故障机理。

表1 鱼叉液压组合阀的故障模式和故障机理

鱼叉组合阀的故障影响如图5所示。

图5 鱼叉组合阀的故障影响框图

在特定的环境条件下，产品的故障模式中某一故障模式具有的致命度量值为Cij，即为产品i的第j个故障模式的致命度，可以用式(1)进行计算：

Cij=αijβijλit

(1)

式中：αij为鱼叉组合阀的零件i故障模式j出现的次数与零件i出现的全部次数之比，综合《非电子零件可靠性数据》[14]《飞机液压系统使用故障统计分析》[15]及某型机研制、使用数据，可得αij数值，见表2。

βij为故障影响概率，鱼叉组合阀的零件i在第j种故障模式出现的情况下，故障对系统产生的致命性等级；一般按表3进行选择，由于鱼叉组合阀中任意元件失效均会导致系统失效，因此，βij=1。

表3 故障影响概率

表2中：λi为零件i的故障率，根据《非电子零件可靠性数据》[13]可得λi数值。t为任务持续的时间，按每次飞行2 h进行计算。

就某一特定的任务而言，零件i的致命度Ci是零件i在这一条件下各种故障模式致命度的总和，即：

(2)

式中：n为该零件在相应条件下的故障模式数，其中单向阀故障模式数为1，压力传感器、蓄压器、减压阀和电磁阀故障模式数为2；

包含有m个单元的产品的致命度Cs为

(3)

由于鱼叉组合阀有5个主要零件，因此式中：m=5。

由表2可以看出物理环境与电磁环境均会对鱼叉组合阀中的附件产生影响，其中压力传感器与电磁阀的受电磁环境影响产生的致命度最大，蓄压器受物理环境影响产生的致命度最大。

表2 故障率及致命度影响分析

为了进一步对鱼叉组合阀故障模式和故障机理进行分析验证，按其电磁环境和物理环境使用要求进行试验，电磁环境试验台如图6所示，物理环境试验台如图7所示，试验结果见表4。

图6 电磁环境试验台

图7 物理环境试验台

表4 鱼叉组合阀故障状态试验结果

由表4试验结论可以看出，单向阀、蓄压器、减压阀易在物理试验环境下失效，压力传感器、电磁阀更易受到电磁环境的影响而出现故障。

3 主要军民环境试验标准差异性分析

由第3节结论可知，工作环境对液压系统成品的影响较大，严酷的工作环境将可能导致产品的失效，因此，必须在设计、验证及审查的过程中重点关注工作环境对航空液压产品的影响。由于军用航空液压产品应用于民机前以及通过GJB150A《军用装备实验室环境试验方法》和GJB151A《军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求》的考核，在设计选型的过程中应分析RTCA/DO-160《机载设备环境条件和试验方法》与上述军用标准的差别，要求一致的试验项目和军标的标准严酷于RTCA/DO-160标准的试验项目，可直接引用军机的鉴定结论；军标的标准无法满足于RTCA/DO-160标准的要求或2种标准要求的侧重点差异较大时，应进一步按照RTCA/DO-160标准的要求进行考核。H425-100航遥型直升机液压产品涉及的主要军民环境试验标准差异性分析结论见表5。

表5 军民环境试验标准

因此，在设计初期，将军用航空液压产品——鱼叉液压组合阀应用于民用直升机时，应按照RTCA-DO-160G中第18章B类设备的规定进行音频传导敏感度——电源输入试验；而对于雷电感应瞬态敏感度试验军机无相关标准，应按RTCA-DO-160G中第22章相关要求进行试验。

续表(表5)

4 设计及初始适航管理体系

民用飞机机载设备研制过程要经过CAAC或其授权的人员或组织经过机载设备审定基础确定、工程资料审查、制造符合性审查、符合性验证试验目击检查，最终TCB(型号合格审定委员会)会议审查合格后，完成机载设备的适航审定取证。在符合性验证试验目击检查过程中，机载设备能否按照民用适航标准通过环境试验将影响到民机后续取证进度。对于采用国军标试验标准进行环境试验并满足要求的应对比分析国军标与民用标准之间的差异性，提出切实可行能够满足民用环境试验标准要求的改进方案。对于要求一致的标准，其验证方式和结论应相互采纳，对于存在差异的要求，应结合使用要求及影响分析，重新确定验证方法，合理利用已有结论，并可对必要的项目进行补充验证。在进行差异性分析时，应由民航局审查代表主持，同时发挥DER的作用，由主机厂、承研单位等相关单位提出差异性分析报告，对改进方案、验证方法等进行可行性审查，确保转化产品可以满足使用要求。成附件的军民转化设计流程及初始适航管理如图8所示。

图8 成附件的军民转换设计流程及初始适航管理框图

5 结论

1) 军用机载成品环境试验标准与民用机载成品环境试验标准在电磁兼容性方面存在较大差异。部分民用环境试验标准相对军用环境试验标准要求更为苛刻。

2) 电磁兼容性和部分物理环境影响将导致鱼叉组合阀出现致命度较高的故障，应针对故障原因，对标准要求具有较大差异的项目进行有针对性的验证，确保军用成品向民用成品转化过程中的安全性。

3) 对于军用成品向民用成品转化设计的过程，应建立行之有效的初始适航管理体系，提高审查效率。

4) 液压系统设备为典型的航空器机电设备，其性能、特点及环境要求等具有较强的普适性，其验证方法可用于同类航空器机电设备。