某型航空地平仪日历寿命延寿分析决策方法

吴宏宇 吕沛伦 李琳

摘要：为提升装备完好率，满足用户的使用需求，根据某型地平仪的相关技术资料，结合近30年的修理经验，分析影响该型地平仪可靠性的主要因素，结合产品寿命控制及产品使用情况，研究该型航空地平仪延寿的可行性。

关键词：地平仪；日历寿命延寿；决策方法

Keywords： gyro horizon instrument；calendar life extension；decision-making method

0 引言

某型航空地平仪日历寿命控制是影响某系列直升机完好率的突出问题，根据OEM相关技术通报规定，地平仪规定总寿命为9000h/20年，而直升机的总日历寿命为35～40年，地平仪的日历寿命远低于直升机日历寿命。目前，国内该系列直升机最长使用时间已超过30年，直升机装配的地平仪已超过或接近规定总日历期，但工作时间仅使用到设计值的约67%，与直升机机体寿命控制不匹配。到寿更换不仅耗费大量人力物力资源，地平仪的使用潜力也没有得到充分发挥，造成资源的严重浪费；同时，该型地平仪采购渠道不畅，国内无替代产品，用户面临地平仪缺口增加问题，将严重影响直升机的完好率。因此，根据地平仪运行状况开展其日历寿命延长研究，制定相应的措施以有效降低其使用成本，具有重要的现实意义。

1 地平仪结构与原理

该型地平仪是一个带机械式修正器的三自由度陀螺仪，主要由陀螺系统、锁定装置、指示系统、故障信号系统、极限倾斜信号装置以及指令指示系统等组成。地平仪的构造组件如图1所示。

1.1 陀螺系统

陀螺系统由三自由度陀螺仪、机械式修正机构组成。陀螺系统工作原理基于三自由度陀螺自转轴在保持空间方向不变（稳定性）的特性。为避免一些不利因素（各轴的摩擦力矩、不平衡力矩等）以及因地球旋转和直升机机动飞行所造成的自动偏移，在陀螺仪中设有由滚珠和导向器组成的修正机构；修正机构产生的修正力矩可将陀螺仪自转轴控制在当地垂线方向上。

1.2 锁定装置

锁定装置能使陀螺仪内外框同时迅速回到起始位置，以缩短航空地平仪的准备时间。锁定装置由内外框锁定机构、上锁手柄组成。在锁定手柄平移运动时，带滑轮的联杆同时移动，松开微动开关按钮，同时关断故障指示器和故障信号器的电源。

1.3 指示系统

该型地平仪采用人工地平线和模拟小飞机的相对变化来反映直升机的飞行姿态，倾斜和俯仰指示靠活动球形刻度盘相对固定小飞机的运动来实现，给飞行员提供有关直升机相对地面的飞行姿态，以及直升机是否侧滑的直观信息。刻度盘与陀螺仪连接并在空间保持平衡，倾斜和俯仰的指示靠仪表壳体与直升机一起相对万向支架纵横轴的转动来实现。根据与仪表壳体钢性连接的小飞机的倾斜来确定倾斜方向，俯仰角按倾斜指标相对刻度盘零度的位置确定；平飞时，倾斜指标应正对倾斜刻度盘的零度。按小飞机相对人工地平线的位置来判断俯仰方向，俯仰角是由俯仰刻度盘相对小飞机固定中心的位置来确定的。

1.4 故障信号系统

该系统是一个电子设备，由故障检查电子组件、终点微动开关、指示器和故障信号电路转换、继电器信号旗、滤波器板和分压器组成，为飞行员提供仪表故障信息，包括陀螺电动机转速减小，没有36V、400Hz电源，电源电压断相，陀螺仪锁定，CKT没有电源电压等。

1.5 极限倾斜信号系统

该系统由电子组件、极限倾斜信号电路转换继电器组成。电子组件为一印刷电路板，用于接收和处理倾斜角传感器的信号；继电器给故障旗和地平仪倾斜故障信号灯输出极限倾斜信号，根据外部信号将极限倾斜角范围从“航行”状态转换到“着陆”状态，为飞行员提供达到极限倾斜角±15°和±32°的信息。

1.6 指令显示系统

该系统显示航迹控制系统提供的直升机倾斜和俯仰的控制指令，由电磁指令指示器和转换继电器组成。磁电指令指示器将航迹控制计算器的电信号转换成指令指标的角位移，继电器用于将各指标的偏移状态转换到工作状态。

1.7 倾斜、俯仰和远距信号发送系统

该系统由安装在万向支架内外框轴上的傾斜和俯仰同步器CKT-250组成，将倾斜和俯仰信号发送到自动驾驶仪、气象雷达、多普勒导航系统等，并实现陀螺仪远距偏转信息发送。

2 延寿可行性分析

目前决策飞机有寿件的延寿方法，主要是通过RCM理论判断设备作为有寿件控制的必要性，对于有必要进行延寿的设备，需按照寿命指标的原则选取合适的指标。根据地平仪的结构特点、失效模式、全寿命使用环境和延寿方法的适用性，选取等效加速试验对其进行延寿，能够较好地解决地平仪延寿问题。

2.1 失效模式

根据地平仪的结构原理、工作状态，识别受日历期、工作时间影响的零组件，从振动因子、温度因子和湿度因子分析其失效模式，见表1。

2.2 全寿命周期使用环境分析

1）外部环境

我国幅员辽阔、经纬度跨度大，地表特征明显；北方低温、干燥、多风沙等，东南沿海高温、高湿、高盐，北方低温、干燥、多风沙等。该系列直升机在我国南方的主要使用地区为江苏、福建、广东一带，夏季气温高、湿度大。直升机地面停放状态下，地平仪主要受温度、湿度、大气污染物等各种地面自然环境因素的影响（极限停放环境温度可达-40℃～+70℃）；直升机飞行状态下，则主要经受温度（由大气环境温度、驾驶舱温度和地平仪工作发热叠加产生）、湿度、振动（由机体振动导致，振动频率约为14～40Hz，振动加速度为0.3g～0.4g）等诱发环境因素的影响。

2）内部环境

地平仪各零部件装配完好，封装在产品外壳中，且头部和尾部均安装有封严胶圈，密封胶圈随翻修一律换新，对防潮、防尘和防腐蚀有一定的作用。

2.3 可靠性分析

根据上述地平仪全寿命使用环境可以看出，其整个过程受外界温度、湿度、振动影响。由于日历期延寿的地平仪工作时间剩余较多，结合工厂近30年的修理经驗，未发现产品内部受湿度影响产生的腐蚀、生锈、元器件老化等现象，因此产品内部受环境湿度因子影响很小。本次延寿分析影响地平仪工作可靠性的因素，仅选取温度因子。

3 延寿方法

根据原国防科工委第1325号文件《航空技术装备寿命和可靠性工作暂行规定》，产品延寿应根据产品特点及直升机的使用情况来选择延寿方式，确定产品的使用期限，常用的方法有厂内寿命试验法、领先使用法、外场信息法和相似法。领先使用法是在内场确定寿命初始值的基础上，通过外场领先使用，不断将寿命延长到一定水平，适用于改型、沿用以及新研产品。相似法是与相似产品进行比较，然后根据相似产品寿命确定或延长寿命，适用于国产化部件。

3.1 厂内寿命试验法

19世纪阿伦尼斯研究了温度因子激发的物理化学变化过程，在机电、电子类产品加速寿命试验中得到了广泛应用，因此本次方案采用阿伦尼斯模型进行分析研究，得出地平仪延寿的可靠性。阿伦尼斯模型反映的是产品特性与激活能和施加应力的关系，本方案考核产品通过高温试验到常温试验的过程，根据地平仪全寿命周期环境可知，工作状态和停放贮存状态均不受低温结冰影响，产品高温带电工作状态才是加速老化的因素，因此选取高温因子进行试验。

通过三件样件进行温度因子的选取。根据地平仪使用维护手册，该型地平仪在（-40℃～+60℃）温度范围内可正常工作，因此可选取初始温度因子t0=65℃为初始温度，直至最高温度达到85℃（参考地平仪内部电路系统全部由独立分立元器件组成，其中电容、继电器、PN结、漆包线绝缘层、触点胶液等受高温会损坏，一般工程试验中不超过100℃，此处为保证产品试验通过率，选取保险值85℃），在该温度下保温24h，冷却至常温后进行性能试验，试验结束。选取到总日历期的地平仪，通过一系列试验，认为总日历期可延长至25年。

3.2 领先使用法

根据对地平仪各零组件失效因子的分析及地平仪全寿命周期环境剖面分析，制定环境加速试验方案，对经过延寿修理的地平仪开展寿命加速试验，由此确定经延寿修理的地平仪能否进行日历期延寿及日历期延长年限，并根据试验情况给出装机领先使用指导寿命。开展装机领先使用，并制定相关技术监控措施，验证延寿研究结论的正确性。然后根据外场领先使用情况，给出延寿结论。以5件样本进入领先使用。领先试用期间定期收集用户意见，若无故障发生，领先使用一年后做简单目测和性能测试，未见异常。领先使用的样本总日历期为5年。因此，认为总日历期可延长至25年。

3.3 外场信息法

根据修理经验统计，各型地平仪常见故障有故障旗不收、启动时间超差、产品工作声音异常等，主要常见故障详见表2。收集飞行使用数据，认为总日历期可延长至25年。

4 延寿预防措施

该系列直升机单机配装2～3件地平仪，正常情况下为飞行员提供直升机相对于真实地面的倾斜和俯仰位置信息，此外，该系列直升机均配装了组合导航系统，具备直升机姿态信息的指示功能。每架直升机的地平仪供电系统相互独立、互不影响。极端条件下，当单件地平仪失效后，另一件地平仪可正常工作。直升机仪表板右侧地平仪为主地平仪，给自动驾驶仪提供姿态信号，因此规定延寿的地平仪装于左驾，可防止失效后对自动驾驶仪系统产生影响。

5 结束语

地平仪的日历寿命延寿工作是一项复杂的系统工程，应充分利用所收集的各类数据以及现有的设备条件，依据现实情况，选取恰当的验收方法进行实施。单一方法得出的日历寿命结论往往考虑因素不周全，有一定局限性。

本文提出的方法为地平仪日历寿命延长提供了新的理论指导方法，延寿结论由日历寿命延长值与延寿预防措施共同组成，保证了地平仪延寿目标的实现。本文所述方法可为地平仪延长日历寿命的工程运用提供参考。

参考文献

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