某轻型直升机的可靠性工程设计浅析

曾宪君 李秀枝

(重庆恩斯特龙通用航空技术研究院有限公司 重庆 401135)

引 言

系统或设备在规定的条件下和规定的时间内完成预定任务的能力称为可靠性。可靠性包括稳定性、耐久性和安全性，通常用百分比表示。可靠性是衡量系统或设备质量好坏的重要标准之一。提高可靠性是一个系统工程，单纯提高零部件的可靠性是难以实现的[1]。为达到系统可靠性要求所进行的相关设计、管理、试验等一系列工作的总和称为产品的可靠性工程。可靠性设计提高了系统的固有可靠性；可靠性管理从研制、试验等方面的全面质量管理保障了系统的固有可靠性。

我国已进入新型直升机的自行设计、研制阶段，现代直升机组成部件越来越多，飞行环境也越发复杂，这对直升机可靠性提出了更高要求。与固定翼飞机相比，直升机有其自身的特点，直升机的操纵系统和动力系统(包括旋翼、尾桨、传动系统、自动倾斜器和发动机等)中动部件较多，受高周疲劳载荷，工况极为严酷，疲劳振动问题影响较大。与此同时，直升机没有弹射救生系统，一旦发生部件出现故障往往容易导致严重的飞行事故，直升机的设计制造对可靠性工程提出了很高的要求[2-6]。直升机可靠性的提高，能很大程度防止故障和事故的发生，尤其避免灾难性事故的发生，从而保证驾驶员的安全，降低直升机总的运行费用，减少停机和维修的时间，大大提高直升机的利用率。设计直升机时，需要对直升机操作系统的可靠性预计和分析，向直升机各部件分配可靠性指标，进行可靠性设计。本文以某轻型直升机为例详细介绍可靠性工程设计。

一、可靠性设计指标

可靠性定量要求直接关系到系统的使用效能和全寿命周期费用优劣。根据效能和费用权衡原则，正确选择和确定可靠性定量要求，对于直升机新机可靠性的设计、研制和使用有其重要意义。

常用的可靠性参数有：1.可靠度。平均故障间隔时间(MTBF)。是指相邻两次故障之间的平均工作时间，单位为“小时”。2.平均故障间隔飞行小时(MFHBF)。

可靠性参数及其量值的选取，既要充分考虑直升机的使用特点，也要参考国内外同类型直升机的可靠性参数。选择的可靠性参数要能覆盖本型号飞机的使用特点，尽量选取国际上较通用的参数，并能通过相关性准则可转换为固有值的外场使用指标。

根据上述可靠性指标的选取原则，确定某轻型飞机的可靠性定量指标MFHBF(平均故障间隔飞行小时)为：

1.设计定型最低可接受值为5h；

2.成熟期目标值为12h。

二、可靠性框图和模型

可靠性框图直观地展示了系统的功能和组成系统的单元之间的可靠性功能关系。了解系统中各个单元的功能，这些功能的相关联系，以及这些单元功能、失效模式对系统的影响又是可靠性框图的建立的先决条件[3]。

建立的可靠性数学模型为：

其中：

Rs(t)为系统可靠度；

λs为各系统的失效率；

n为框图中系统单元数；

λi为各单元的失效率。

从可靠性数学模型可以看出，系统中的单元数与系统的可靠度成反比。因此，减少系统中的单元数或提高系统中最低的单元可靠度(即提高系统中薄弱单元的可靠度)均可提高系统的可靠度。

以某轻型直升机为例，可以绘制出基本可靠性框图如图1所示。

图1 某轻型直升机基本可靠性框图

根据某轻型直升机的基本可靠性框图，可靠性数学模型建立如下：

可靠性框图的绘制和可靠性模型的建立，对系统可靠性进行评估，以及系统失效判定准则的确定，返修依据的明确，并根据返修率对售后服务策略进行调整。

三、可靠性预计

可靠性预计的目的在于估计产品在给定工作条件下的可靠性，运用以往的工程经验、故障数据、以及当前的技术水平，尤其是以元器件、零部件的失效率作为依据，从而预报产品(元器件、零部件、子系统或系统)实际可能达到的可靠度的综合性过程，此过程表现为由局部到整体、由小到大、由下到上。

以失效率预计法为例，对系统进行可靠性预计，图2为失效率预计法的流程图，一般步骤为：

1.依据产品功能完成可靠性框图的绘制；

2.根据所绘制的可靠性框图进行相应数学模型的建立；

3.各方框中元部件或设备的失效率的确定，该失效率应为基本失效率。

图2 失效率预计法的流程图

四、可靠性分配

可靠性分配，用于逐层分解总体的可靠性指标值，将装置的可靠性设计指标要求值分配到各部件，并实现各部件可靠性设计指标要求值的形成。同时，将各部件所选用器件的大致分类、数量和使用条件作为输入完成可靠性预计，得出每个装置基本可靠性设计值的大致范围，再结合预计的结果，最终得到相对合理的各部件可靠性指标设计要求值[4]。根据某轻型直升机的基本可靠性框图，结合可靠性预计值，得到可靠性分并配的结果如表1所示。

表1 某轻型直升机可靠性分配结果

由分配结果可知，得到的MFHBF为12.06h，大于成熟期目标值12h，满足设计的要求。

五、结束语

本文从应用的角度出发，从设计指标、可靠性框图、可靠性模型及可靠性预计等方面对某轻型飞机的可靠性进行系统研究，最终得到平均故障间隔飞行小时(MFHBF)为12.06h，大于成熟期目标值12h，满足设计的要求，为提高轻型飞机的可靠性水平及通用航空开展可靠性设计与评价提供支持。