可靠性设计在民用飞机设计中的应用

中航飞机研发中心结构所 陈 磊 张云文 陈永利

可靠性设计在民用飞机设计中的应用

中航飞机研发中心结构所 陈 磊 张云文 陈永利

飞机的可靠性彰显飞机的质量，飞机效能、寿命周期、费用都由飞机可靠性决定。运用飞机的可靠性相关理论，可为民用飞机的设计提供技术与思想指导。民用飞机可靠性设计的宗旨在于提升飞机的可靠度，降低运营费用，保证飞机的经济适用性以及市场竞争能力。随着我国综合国力的发展，我国民航运输业也得到了空前的发展，民用飞机的制造与生产面临着新的发展机遇。民用飞机在设计中运用了三种设计方法，即冗杂设计、成熟技术及标准化设计。从而为飞机飞行的安全性和可靠性提供保障。为了使飞机平均故障间隔时间与签派可靠度达到民用飞机设计要求，我们可以通过可靠性分析来进行求证，希望能为处于设计阶段的民用飞机各系统可靠性指标的定量预计提供借鉴与指导。

飞机可靠性；民用飞机设计；飞机平均故障间隔时间；签派可靠度

20世纪70年代,我国民用飞机的可靠性工程开始萌芽,在90年代开始全面发展。在此期间,民用飞机可靠性工程发展缓慢。近年来,国际间民用航空业的合作加强、竞争加剧,我国航空工业取得了一定的发展。飞机的可靠性逐渐受到人们的重视,但由于国内缺乏从事可靠性研究的专业工作人员,航空公司在数据收集方面的欠缺等原因,我国可靠性研究水平还比较低,同发达国家相比还存在很大的差距。在我国的民用飞机可靠性研究方面,还需要进行更加全面和深入的探索。可靠性应用研究能够保证飞机安全运行,并推动航空公司经济效益的实现。当今社会,国、内外航空市场的竞争日益激烈,开展“可靠性设计在民用飞机中的应用”这一课程研究具有重大的现实意义和广阔的应用前景。

1 概述可靠性

可靠性指在规定的时间和条件内,产品完成规定功能的效力。它包括三大要素：规定时间、规定条件、规定功能。可靠性是产品耐久性、维修性、无故障性、经济性以及有效性的体现。规定时间指产品规定的任务时间。同一产品使用时间范围不同,产品的可靠性水平也不同。它取决于产品的特性。规定条件指产品使用时的环境条件、维修条件与工作条件等,如湿度、温度。同一产品规定的条件不同,可靠性水平也不同。规定功能指产品规定的必备的功能和技术指标。产品可靠性指标的高低与其功能的多少、技术指标的高低成正比。

2 可靠性设计目标与方法

目标：民用飞机可靠性设计目标是提高飞机运行效率与飞机质量,减少航空公司运营成本。方法：①冗杂设计：民用飞机安全性影响大的设备通常有多套备份,在一套设备出现故障的情况下,其他的备份设备可以保障飞机各项功能的正常,从而避免航空公司的运营受其影响。②成熟技术：民用飞机设备运用了许多国内外民用飞机的技术和货架产品,在其性能、安全性、外形等达到要求的情况下,能够有效提高系统的可靠性。③标准化设计：为提高飞机设备的可靠性和安全性,民用飞机在设计时采用成熟的标准零件、材料和加工工艺。

3 可靠性设计指标

可靠性指标主要分为平均故障间隔时间(MTBF)与签派可靠度(DR)指标两部分。平均故障间隔时间也称作基本可靠性指标,是用来描述系统、分系统和设备、零部件可靠性的一种参数。在民用飞机可靠性设计中,作为基本可靠性指标的平均故障间隔时间是系统、分系统和设备进行可靠性设计时关注度最高的指标,其度量方法为：在规定的时间内,产品飞行小时的累计数除以同一时间内故障发生次数的总数,也可用其倒数()表示。签派可靠度又称为派遣可靠度,是民用可靠性设计中最重要的指标之一。指在飞机运营时间内,未取消航班或因技术原因延误航班而运营离站的百分数。技术延误指当飞机的设备或部件出现工作异常时,因必要的检查或修理延迟了飞机最后离站的时间,一般超过预定的离站时间是15min。签派可靠度=1-出勤延误率。

4 可靠性基本模型

在对民用飞机可靠性指标进行预计时,需在飞机与其各个系统之间和各系统与设备之间的故障建立逻辑关系模型。通常情况下使用可靠性串联模型。其数学模型关系式如下：

其中：

Ri(t)——产品可靠度;

Ri(t)——第i个单元的可靠度。

假设产品各单元的故障时间服从指数分布,其可靠度计算方法如下

5 可靠性设计指标分配方法

将飞机整体的设计要求、航空公司运营数据作为依据,计算飞机各系统可靠性分配值在飞机可靠性指标中所占的比重,分配各系统的可靠性指标,以部件制造商提交的数据为参考修正分配值,确定各系统的可靠性指标。若飞机和全机各系统的故障率与指数分布相符,其公式如下：

6 可靠性分析

6.1 系统MTBT分析

系统MTBT以各系统部件故障率代数和的倒数表示,运营公司统计数据决定了成熟的货架飞机各系统部件的MTBF值。在设定的时间内与条件下,产品累计飞行时间除以同一时间内的故障总数表示系统部件MTBF值,如表1所示。设计的新产品,部件的MTBF值应借鉴类件的故障率进行相关计算。

表1 系统MTBF统计表

6.2 签派可靠度分析

签派可靠度(DR)等于系统内各部件签派可靠度的乘积,如以下公式所示,部件的签派可靠度与其维修更换时间、部件MTBF、部件出现故障时飞机能否继续派遣等因素有关。

DR系统=DR部件1×DR部件1×部件1×...×DR部件N

7 结束语

随着现代科学技术的进步,我国民用航空业飞速发展。中国由航空大国发展为航空强国,由民用飞机的采购大国发展为民用飞机制造大国,几代航天人的梦想得以实现,人们对民用飞机可靠性的关注度越来越高。民用飞机可靠性指标的分析能够检测设计要求能否达到可靠性指标,还能为可靠性增长试验提供相关数据,并为安全性评估提供定量计算依据,帮助计算。签派可靠度,能够直接反应其市场运营状况,影响飞机的可靠性水平,是民用飞机可靠性设计中最核心的指标之一。本文从可靠性的概念、设计目标、方法等相关理论出发,提出了一系列飞机可靠性设计指标、可靠性基本模型与指标分配方法,希望能够在民用飞机设计阶段对飞机各系统的可靠度建设发挥指导性作用。

[1]刘晓东,张恒喜．飞机可靠性与研制费用相关关系研究[J]．空军工程大学学报(自然科学版),2000,1(1):63-66．

[2]何钟武．某型飞机可靠性外场验证评估与分析[J]．洪都科技,2002,(3):18-21．

[3]何钟武,姜同敏．飞机大系统及机载设备可靠性外场验证分析[C]．航空可靠性工程进展暨可靠性工程专业委员会第9届学术年会论文集．2003:431-435．

[4]王超,闫永刚,刘清饶等．可靠性分析及其在飞机零件分布中的应用[J]．电脑知识与技术,2012,8(25):6149-6151．

[5]姬长法,李国丰,张海周等．军用飞机开展可靠性工作的工程方法研究[J]．洪都科技,2010,(4):71-74．