容差分析在航空机载设备修理中的应用

蔡承文，孙 辉(．南京工业职业技术学院,江苏 南京 00；.江苏金陵机械制造总厂,江苏 南京 00)

容差分析在航空机载设备修理中的应用

蔡承文1，孙 辉2
(1．南京工业职业技术学院,江苏 南京 211100；2.江苏金陵机械制造总厂,江苏 南京 211100)

依据机载设备修理中参数容差确定的实际需求，提出了机载设备修理中常用的容差分析方法，对某型飞机高精度稳压电路容差进行了分析确定。

容差分析；航空机载设备；修理；应用

航空机载设备对可靠性要求很高，受限设计水平、制造工艺能力和使用环境等诸多因素，产品设计时，从可靠性、经济性角度考虑对影响大的参数给予一定的容差[1]。由于使用环境影响，机载设备的某些参数发生偏差，可靠性下降，因此需对其进行容差确定和修理。

1 容差确定面临的问题

对于自主研制的机载设备，设计规范和定型文件通常规定参数中心值和容差，实施修理活动时可以此为基线确定参数容差。但对于引进装备，由于资料缺失、资料来源差异以及其他因素，某些参数仅给出中心值，未规定容差范围，造成修理标准制定困难。产品修理中，为了参数的精确，保证使用可靠性，有时采取更换新品的策略，造成资源极大浪费。

2 容差分析的作用和确定方法

在技术可行的前提下，修理参数容差是经济性与可靠性的平衡产物[2]。较为严格的参数容差确保了产品可靠性，但往往导致“过修理”，付出过多的修理经济成本。在机载设备修理活动中，容差分析作用体现在两个方面：一是参数容差确认。对参数容差进行逆向分析，确认现有容差设计的合理性和经济性，并结合机载设备实际使用和维护情况，对参数容差进行调整优化；二是参数容差输出。通过容差分析制定容差标准，并依据实际修理活动中的影响进行调整。

对一些非重要参数修理标准的确定，实践中多采用经验统计法确定参数范围。该方法确定的参数容差精确性与个人能力紧密关联，理论支撑力度稍弱。对一些重要参数修理标准，修理实践中一是采用靠标法，即根据相关通用标准、产品规范执行，领先使用验证；二是根据产品实际状态进行容差分析，制定修理执行标准。在不同精度等级的器材代用、国产化研制等修理活动时，常采取容差分析的方法确定修理标准。

3 容差分析原理

在机载设备修理中常采用三种方法开展容差分析。一是经验估算法；二是最坏情况分析法；三是蒙特-卡罗法[3]。

3.1 经验估算

在机载设备实际修理中，对于某些特定情况，将分析对象拆分成具备简单传递关系的基本电路结构，并结合标准和经验估算参数容差。经验估算流程如图1所示。

图1 经验估算流程

(1)确定对象重要度。根据分析对象在所属机载设备中的作用，除关键参数外，均可采用该方法估算。

(2)落实标准。一是分析对象有无明确的行业标准、强制标准等；二是有无相似特征产品参照。有标准或参照对象时，分析结果靠标执行。

(3)电路结构拆分，确定基本电路构型。对分析对象进行结构拆分，划分出具备简单传递关系的基本结构电路。

(4)基本结构电路的容差传递。根据传递关系，结合经验估算参数容差的传递和最终影响，并给定容差范围。

(5)容差验证确定。按估算的参数容差上下限值进行试验验证，对机载设备整体性能进行测试。

3.2 最坏情况分析法

最坏情况分析法是已知基础单元参数的容差而不知其统计分布规律的条件下，基础单元参数在其容差范围内取某种组合时，按照容差传递函数关系计算出参数最坏偏差。

3.3 蒙特-卡罗法

蒙特-卡罗法是一种统计模拟方法。在已知电路所有元器件参数的统计分布规律，根据这种分布规律随机地多次抽取元器件参数，并对随机抽取的电路进行计算机模拟，就可以估计出电路性能的统计分布规律[4,5]。

对需要分析的电路特性进行分析，按电路包含的元器件以及其他有关的实际参数X的分布，对X进行第一次随机抽样X1，该参数抽样值依次记作(X1，……，Xn)，并将其带入传递函数，得到第一个随机值Y1，如式1所示：

Y1=f(X1，……，Xn)

(1)

如此反复n次，得到n个随机值，从而可以对Y进行统计分析，求出不同允许偏差范围内的Y出现的概率。进行蒙特-卡罗分析时，抽样次数n必须满足统计分析的精度要求。

4 应用分析

4.1 某型飞机激光测距精度估算

某型飞机激光测距器用于测量近距目标距离，主要用于航炮的格斗状态，但航炮近距格斗已不是飞机对空作战主要手段，且距离精度对可视目标的攻击影响不大，属于非重要指标。图2为激光的传播路径和计时电路框图。

图2 激光光路及计数

发射激光从分光器产生基准光和出射光，基准光经过光电转换器、波形整形，形成计时基准脉冲；出射光经过空间辐射遇目标返回后经过相同变换通道，形成计时截止脉冲，相同的通道，延时相互消除，对计数精度不产生实质影响。实际测量精度误差来源时间计数电路。

根据修理经验和电路分析，1MHz计数脉冲由高稳定性的晶体选频，频率误差可以忽略不计。计数电路由10个JK触发器组成同步计数电路，计数延时为JK触发器的固有延时。查找相关数据手册，JK触发器最大延时△t为20nS。测距总误差△S=△t×C×0.5，代入数据计算△S=3m。C为光速。

4.2 某型飞机陀螺组件基准电压容差分析

4.2.1 最坏情况分析法

某型飞机陀螺组件技术资料给出基准电压(10±0.02)V和(10±0.05)V两种容差。该参数属于关键参数，需要对参数容差范围进行规范的计算估算和确认。

图3 高精度基准电源输出部分

图3中，U1是高精度电源的输入，由一块高稳定稳压电路140УД6A保证，U1取值范围为(12±0.01)V，其中C1、C2分别为10nF、10μF，偏差范围±5%，R1、R2分别为高精度电阻，分别为2KΩ、10KΩ，偏差范围均为±1%。直流电压U1、U2之间的传递关系为

U2=U1×R2/(R1+R2)

(2)

为了简化计算，设K=(R1+R2)/R2,即：

K=1+R1/R2

(3)

由公式(3)可知，在R1正向偏移，R2负向偏移时，KMax=1.204; 在R1负向偏移，R2正向偏移时，KMin=1.196。由式(2)、(3)可得：

U2=U1/K

(4)

由公式(4)可知，在U1正向偏移，K负向偏移时，U2Max=10.042V；在U1负向偏移，K正向偏移时，U2Min=9.958V，U2Max和U2Min在(10±0.05)V之间，选择(10±0.05)V作为容差标准值。

4.2.2 蒙特-卡罗法

蒙特-卡罗法是基于数理统计的分析方法，分析精度与采样次数密切相关，为保证分析精度，数据计算量比较大，通常借助计算机程序进行数据分析。Multisim软件能够支持对电路进行蒙特-卡罗分析，在电路模型参数值的容差范围内随机取样[6]，对所选取的参数值进行分析，检验参数在一定范围内变化的情况下对输出响应的影响。进行蒙特卡罗分析时需设定以下参数：

(1)取样次数。根据统计分析的电路精度要求和电路决定。

(2)模型随机取样点获取方式，即选择确定扫描分析的起点。

(3)选择电路中需要进行扫描的模型参数。

以图3的电路为分析对象，性能参数设置：R1、R2为电路中需要进行蒙特-卡罗分析的双参数，电阻值分别为2KΩ±1%、10KΩ±1%，分布类型为高斯分布。蒙特-卡罗分析精度与抽样次数直接相关。本例中选择抽样次数为100，电路输出U2在9.9679V-10.0185V之间,即U2=(10±0.026)V，蒙特-卡罗分析结果如图4所示。

4.3 方法对比

经验估算法适用于简单结构对象，且分析人员熟悉产品并掌握电路分析技巧，能够从多因素中找到关键关联因素，对人员要求比较高，不适合对结构复杂的电路和多因素联合影响的参数容差估算。

最坏情况分析法和蒙特-卡罗适用于所有电路参数容差分析，但前者分析结果精确度相对较差，放宽了容差控制范围，对于存在精确控制要求的电路，不建议采用此类方法。蒙特-卡罗分析结果更为精确，借助计算机能够完成复杂系统的分析，是容差分析中采用频率较高的分析方法。

5 结论

容差分析是电路系统可靠性设计和分析的一个重要环节，为机载设备修理的参数容差确定、不同精度等级的器材代用等方面提供统计分析方法。实践证明，全面运用经验估算、统计分析方法确定修理容差，有效解决了修理标准制定问题，为自主形成修理标准起到了重要作用。

[1] 魏文博.容差分析和设计方法研究[D].西安：西安电子科技大学,2005.

[2] 刘国兴,任世彬.田口方法与稳健性设计[J].电工电气,2010,(10).

[3] 王鑫华,王永.航空产品电路设计中的容差分析仿真方法探讨[J].科技创新导报,2008，(31).

[4] 张尚珠,王海波.容差分析中器件建模技术的探讨[J].电子产品可靠性与环境试验,2007，(3).

[5] 李水平.模拟电路容差分析技术的应用与实现[D].成都：电子科技大学,2012.

[6] 雷跃,谭永红.基于Multisim 10的电子电路可靠性研究[J].计算机仿真，2009，(8).

[编校：杨 琴]

The Application of Tolerance Analysis in the Repair of Airborne Equipment

CAI Chengwen1,SUN Hui2

(1.NanjingInstituteofIndustryTechnology,NanjingJiangsu211100; 2.JiangsuJinlingManufacturerofMachinery,NanjingJiangsu211100)

According to the actual demand of parameters tolerance determination in airborne equipment repair, the paper put forward the-commonly-used tolerance method in repairing airborne equipment, and made an analytical determination of high precision voltage stabilizing circuit tolerance for a certain type of aircraft.

tolerance analysis; airborne equipment; repair; application

2014-10-17

蔡承文(1967- )，女，湖南吉首人，副教授，研究方向为应用数学。

孙辉(1976- )，男，江苏盐城人，高级工程师，研究方向为综合航电。

TN791

A

1671-9654(2014)04-034-04