襟翼运动机构的系统可靠性分配研究

张 柁，张 园，杨兆林，勾利娜

(1.中国飞机强度研究所，全尺寸飞机结构静力/疲劳重点试验室，陕西 西安 710065；2.西安长庆科技工程有限责任公司，陕西 西安 710021；3.长庆油田勘探开发研究院，陕西 西安 710021；4.西部机场集团有限公司，陕西 西安 710075)

1 引 言

航空航天飞行器、工业设备中存在着大量的机械运动机构，例如飞机的襟翼、缝翼、副翼、扰流板等操纵机构，空间站上用于维修的机械手臂，汽车生产线进行焊接操作的机械臂等。尤其是飞机上的操纵机构，其可靠性严重影响到飞机的安全性，因此都是具有极高可靠性要求的重要机构。而设计高可靠性机构的前提，是要进行合理的系统可靠性指标分配。

可靠性分配是将规定的系统可靠度指标，在构成该系统的若干个子系统之间进行适当地分配，也就是确定各子系统的可靠度指标，从而保证整个系统的可靠性指标达到要求。由于机械产品的可靠性指标与成本、维修费用、重要性、复杂度、制造技术等诸多因素有关，故在进行可靠度分配时，针对不同的约束目标，有不同的分配方案。

区别于电子产品，适用于机械产品的传统可靠度分配方法有：相对失效率法、再分配法、评分分配法[1]、因素综合法[2]、拉格朗日乘数法、动态规划法、直接录查法等。近年来，国内外学者尝试一些新的分配方法。文献[3]引入了模糊数学方法，运用三角模糊法与层次分析法相结合对机械系统可靠度进行分配，文献[4-5]从优化的角度对复杂系统进行分配，文献[6-7]还提出了运用遗传算法、神经网络法等进行可靠性分配。

上面提到的分配方法均是假设机械系统的各部件相互独立，其分配过程就是把系统的整体指标值分配给独立的各个部件，赋予每个部件一个指标值。而在实际工程上，根据机械系统的特点，其失效模式均为损耗型，失效概率随时间增长，同一部件一般存在多种失效模式，各失效模式间带有很大的耦合因素，因此机械系统各部件均为关联的。

对于一般的简单机械系统，采用上面提到的传统分配方法进行分配，在一定的误差范围内可以得到相对有效的分配结果。但对于含有典型运动机构的机械系统，例如飞机的襟翼、缝翼、副翼等，其运动机构各部件的关联性比较大，各失效模式间的耦合性也比较大，这时就不能简单地把运动机构各部件单独处理，传统的分配方法就不适用了。

在对含有运动机构的机械系统进行可靠性分配时，不能把运动机构的各部件区分开，而是将机械系统中的典型运动机构作为一个整体，然后对其分配一个指标，或者直接对其提出一个需满足的指标，这里可以通过参考相似运动机构的可靠度或仿真的方法来确定这个指标。

2 运动机构失效模式分析

某机型襟翼运动机构如图1所示，包括襟翼驱动连杆(传动杆和连杆臂)、襟翼托架、滑轨、襟翼支架等部件。

图1 襟翼运动机构

根据该机型襟翼系统故障模式影响分析(FMEA)，襟翼故障失效模式主要包括：机械卡阻、关键件的强度破坏、操纵精度不够、襟翼开度不一致、其他部件对襟翼性能的影响等模式。其中襟翼运动机构的主要故障失效模式及对应部件和故障原因如表1所示。

表1 某机型襟翼运动机构主要失效模式

由表1可知，襟翼运动机构的关键件为襟翼驱动连杆、襟翼托架、滑轨、襟翼支架，主要失效模式为精度不够、卡阻、强度破坏。其失效模式分析简图如图2所示。

图2 失效模式分析简图

图2描述了襟翼运动机构失效模式与失效发生部件及故障原因的对应关系。其中，精度不够和卡阻失效的一个故障原因均是运动机构部件之间的磨损和变形。例如，襟翼系统中的托架滑轨系统，当滑轨托架磨损量过大，会导致滑轨轨迹变形，引起襟翼操纵精度不够。当这种变形量过大时，滑轨与托架还将产生卡滞和咬死现象，这是由相互运动的两部件耦合造成的，而不是由单个部件引起的失效。因此，将襟翼驱动连杆、整流罩驱动连杆、襟翼托架滑轨作为运动机构的子部件进行失效模式分析。

根据失效模式与部件的对应关系可知，同一部件一般存在多种失效模式，各部件的部分失效模式相同，相互交叉。因此，各部件之间是相互关联的。根据失效模式与故障原因的对应关系可知，各失效模式有多个故障原因，且一个故障原因可能引起多种失效模式。因此，部分失效模式存在很大的耦合因素。在图2中，精度不够与卡阻失效模式便是相互耦合的。

可靠性分配就是对各部件进行指标分配，而各部件的可靠性指标也可以认为是其主要失效模式的指标。由于运动机构的各部件是相关联的，各主要失效模式也是相互耦合的，因此在进行可靠性指标分配时，不能仅仅把运动部件分开以简单的串联形式对各组件分别分配一个指标，还需要考虑部件之间的耦合因素。这些耦合因素给运动机构的可靠性分配带来了很大困难，上面提到的常用的可靠性分配方法针对含有运动机构的机械系统均有一定的局限性。

3 可靠性分配

由运动机构失效模式分析可知，在对运动机构进行可靠性指标分配时，还要考虑运动机构的耦合性。由于各组件都是相关联的，而这种相关联带有很大的不确定性，如果要对运动机构的各组件分别分配一个指标，很难在考虑各组件关联性的前提下用传统的可靠性分配法对运动机构进行指标分配。

如果考虑运动机构的耦合性，就不能仅仅把运动部件分开以简单的串联形式对各部件分别分配一个指标，而是将运动机构作为一个整体进行指标分配，也就是对运动机构的主要失效模式分配一个指标，这包含了运动机构内部的相关性，而不必去量化这种不确定的相关性。

经研究分析，针对含有典型运动机构的系统可采用的几种可靠性指标分配方法如下：

(1)直接分配法。将典型运动机构作为一个整体，即子系统，并运用合适的分配方法对运动机构分配一个整体指标，这只需要将襟翼系统的运动机构各部件合成一个子系统组件(襟翼运动机构)。其合成之后的可靠性基本方框图如图3所示，进行合适的指标分配后就可得到襟翼运动机构的指标值，即襟翼运动机构主要失效模式的失效概率。

图3 可靠性方框图

(2)仿真确定法。通过运用运动学和动力学仿真软件LMS建立典型运动机构的仿真模型，然后根据典型运动机构的失效模式影响分析(FMEA)，选取几个主要的失效模式为仿真对象。运动机构的CATIA模型结构尺寸参数、LMS分析模型中的结构驱动运动副参数以及外部载荷参数等均可以作为可靠性计算机仿真的仿真输入，按照运动机构可靠性典型失效模式进行随机变量的选择，将与失效模式相关的参数作为仿真模型的随机变量参数，即仿真输入；对模型中随机变量参数进行计算机随机抽样，抽取足够的随机数，同时在LMS分析模型中进行仿真运行设置，完成运动机构可靠性典型失效模式的模拟试验；按照运动机构可靠性典型失效模式选择相关的模拟试验结果作为仿真计算的输出，并利用这些输出结果数据完成对运动机构典型失效模式的可靠性仿真计算分析。

在运动机构的仿真过程中，可选取几个主要的失效模式作为仿真对象，同时考虑其中的一个或几个，这要取决于各失效模式的关联性。如果各失效模式是相互独立的，便可以单独考虑；如果各失效模式中有相关联的，便可将相关联的失效模式同时考虑进行仿真分析。对于襟翼运动机构，精度不够和卡阻失效可同时考虑，强度破坏失效可单独考虑。在完成所有可靠性仿真计算分析后，就可得到主要失效模式的失效概率，作为襟翼运动机构的可靠性指标值。在襟翼运动机构可靠性指标值已知的前提下，再根据图3可靠性方框图对襟翼系统其他组件进行指标分配，保证系统满足可靠性指标要求。

(3)参考相似系统。参照相似机型典型运动机构的可靠性水平，再根据我国目前的生产水平和经验直接对运动机构提出一个整体指标。襟翼运动机构作为飞机典型运动机构之一，可以参照相似机型襟翼运动机构的可靠性水平给新研襟翼运动机构提出一个指标，然后根据襟翼系统整体的可靠性指标再对襟翼系统其他组件进行分配指标，保证整个襟翼系统达到指标要求。相似机型襟翼运动机构的可靠性指标可以直接通过调研相似机型襟翼运动机构的故障率统计数据分析得到。

4 评分分配法

工程中常用的可靠性分配方法有比例分配法、评分分配法、重要度及复杂度分配法、拉格朗日乘数法、动态规划法、直接录查法。根据目前对各部件失效情况的掌握，这里采用了比较现实的评分分配法。

4.1 分配模型

基本思想：在缺乏可靠性数据的情况下，根据经验对影响因素评分并进行分配。

主要考虑的因素：(1)复杂度，(2)技术水平，(3)工作时间，(4)重要度，(5)故障率，(6)环境条件。在考虑部件故障率的情况下同时考虑其他5个因素，这样考虑的因素更加全面，使得分配结果更加准确。

数学模型如下：

(1)

其中：

(2)

(3)

4.2 评分准则

传统分配方法关于评分的规定是：各因素的分数在1～10之间，共分10级，每级1分。这一规定不能完全反映产品各单元的有关因素之间的差异性。为了评分的合理，分数不必限制在1～10之间，视情况而定。关于这一问题，下面将针对复杂度进行具体的分析。

复杂度是根据组成功能单元的基本构件的大致数量以及组装难易程度来评定。

评分步骤：

(1)评估各单元的基本构件数量ni；

(2)选择基本构件数量最少(nmin)的单元为基本单元，评分为1分；

(3)按下式计算其他各单元的评分：

(4)

从原理上讲，将ni当作评分亦可，用上面公式计算，是为了规范化，组装难易程度可以在评估基本构件数量时统一考虑。这一评分方法要比“最简单的评1分，最复杂的评10分”更合理，特别是当ni/nmin>10时更是如此。

5 算 例

假设襟翼系统整体失效概率指标F=10-6，在襟翼运动机构的可靠性指标未知的情况下，将其作为一个整体，按照上述评分分配方法，直接对襟翼系统进行指标分配。得到襟翼系统各组件的可靠性分配值，如表2所示。

表2 襟翼系统可靠性分配

通过以上的可靠性分配，就可得到襟翼运动机构的一个整体可靠性指标值，依据这个指标值便可对襟翼运动机构进行整体可靠性设计。

6 结 论

本文只对直接分配法进行了算例分析，在相关数据支持的条件下，也可以采用仿真确定法和参考相似系统。前者是在缺乏运动机构可靠性数据的时候适用，而后者充分利用了已知的运动机构信息，结果更加准确，但需要大量的信息。将襟翼运动机构作为一个整体，其各部件的相关性作为整体的一部分，而不必去量化这种带有很大不确定性的相关性，可以快速得到一个更加准确的整体可靠性指标值，其结果更加符合工程实际。依据这个指标值，可以方便地对运动机构进行整体可靠性设计。