基于隐蔽故障和多失效模式耦合的应急门安全性分析

朱铮铮，徐锦锦，丁鸿飞，韩頔

（上海飞机设计研究院飞机结构强度工程技术所，上海201210）

0 引 言

舱门作为飞机的关键组成部分，中国民用航空局运输类飞机适航标准CCAR-25-R4 783条款［1］对其安全性有着明确的要求。此外，舱门作为飞机应急着陆后人员撤离的主要逃生出口，803条款要求44座以上飞机须通过符合标准要求的应急撤离演示试验来表明其满载乘员能在试验开始后的90 s内从原位置撤离至地面［2］。因此，舱门作为人员正常进出及应急撤离时的出口，其安全性问题显得十分重要。然而，应急门有别于登机门、服务门和货舱门，它属于常闭舱门（通常情况下不开启，仅在维修检查和应急撤离时才被打开），导致该门的故障存在一定的隐蔽性，由于应急门的特殊性，合理地分析其安全性显得尤为重要。

目前，一些研究者从舱门机构的仿真、可靠性和安全性等方面开展了相应研究。例如：许清清［3］在Adams中建立了应急门虚拟样机模型，对其运动机构进行了仿真分析；魏涛等［4］将应急门锁机构拉杆长度、助力弹簧刚度系数和连杆销钉直径处理为随机变量，采用四阶矩法进行锁机构卡滞可靠性灵敏度分析；冯蕴雯等［5］以民用飞机舱门全寿命周期的安全使用为目标，提出了民用飞机舱门机构功能安全性分析方法，且构建了登机门空中意外故障树；秦强［6］提出了舱门安全性分析的具体步骤与流程，开展了基于过中心锁定原理的货舱门典型锁定机构可靠性分析研究，且建立了货舱门空中偶然打开故障树；贾洁羽等［7］基于BP神经网络法和重要抽要法，探究了飞机舱门锁机构关闭系统的可靠性问题；Zhang Chunyi等［8］针对多构件多失效模式系统可靠性分析中计算效率和计算精度较差的问题，采用多重极值响应面法开展了相应的可靠性分析研究；井惠林等［9］在Adams中建立了舱门机构的磨损模型，开展了舱门机构磨损情况下可靠性分析；孙中超等［10］开展了考虑运动副磨损情况下某锁机构的可靠性演化规律研究，提出了针对机构可靠性演化问题的Monte Carlo方法；P.Flores等［11］、M.Saad等［12］针对含间隙连杆机构的运动精度问题，开展了相应的可靠性分析。从现有研究可知，在舱门安全性分析中没有考虑结构隐蔽故障这一分析理念，未考虑多失效模式耦合的机构功能丧失。

本文以某型民用飞机应急门为研究对象，考虑故障模式的隐蔽失效，建立应急门空中意外打开故障树，细化闩机构运动不到位的故障模式，建立细化后的可靠性分析模型，对可靠性分析结果进行对比。

1 应急门安全性分析故障树

1.1 应急门结构形式

某型民用飞机应急门位于飞机翼上两侧，具体分布如图1（a）所示，应急门为了实现其相应的功能，主要由闩机构、锁机构、提升臂机构、增压预防机构和铰链臂机构等组成，其结构简图如图1（b）所示。

图1 某型民用飞机应急门Fig.1 Emergency door of civil aircraft

1.2 应急门空中意外打开故障树

通过对舱门相关适航条款的解读可知，应急门的主要功能包含：锁定、指示、关闭、打开、密封和增压预防。其中“应急门空中意外打开”是指非指令性的打开舱门，是由意外情况导致的打开，从事故统计可知，若在高空意外打开舱门则会导致灾难性故障发生［13］。根据SAE ARP 4761［14］中对失效状态影响等级的划分，在空中应急门意外打开将会导致灾难性事故，其影响等级为I类，安全性指标要求为小于1×e-9/fh。基于应急门的工作原理，结合文献［5］中登机门和文献［6］货舱门空中意外打开案例逻辑，绘制出应急门空中意外打开故障树，如图2所示（因篇幅限制，故障树中转移符号A和B下的底事件未展开）。

图2 应急门空中意外打开故障树Fig.2 FT A of accidental opening of emergency door in flight

从图2可以看出：故障树底事件概率分析涉及的模型主要包括结构/机构静强度可靠性分析、机构运动精度可靠性分析、弹簧疲劳可靠性分析模型等，其中电子产品的故障率由供应商提供。

2 考虑隐蔽故障的应急门安全性分析

2.1 应急门结构/机构隐蔽故障的判断原则

民用飞机舱门包含登机门、服务门、应急门和货舱门等，由于登机门、服务门和货舱门均属于经常开启和关闭的舱门，当舱门发生故障后，很容易被空乘人员发现，并可立刻开展排故和维修工作，因此在对上述舱门开展安全性分析时，故障的风险暴露时间一般为一个飞行循环，也称为“显性故障”。但是在飞机运营过程中，应急门属于常闭状态，当应急门结构/机构发生故障或者失效后，并不能第一时间被空乘人员或机务人员发现，从持续运营安全的角度出发，应确定故障暴露时间以限制飞机的运行时间并纠正隐蔽故障［15］。换言之，在开展应急门安全性分析时，其结构/机构风险暴露时间不能再按照常规的每飞行循环（即3 fh）处理，而是需要考虑故障的隐蔽性，即将其考虑成“隐蔽故障”。

为了确定本文应急门结构/机构故障的风险暴露时间，需明确该机型的不同检修周期。目前，飞机的检修间隔分为A检、B检和C检，其中很多航空公司取消了B检，或者说已将B检的工作向A检、C检逼近。

A检：目视检查飞机外部、内部和驾驶舱缺陷，目视检查客舱显露项目并加上系统的例行保养［15］，一般在飞机投入运营两年内达到航线级维修间隔。

C检：彻底对飞机内部、外部、驾驶舱和发动机做目视检查，且需要打开检修口盖，彻底清洗、润滑和防腐，进行应急系统的测试，并对影响飞行安全的主要电子和机械系统进行检查［16］，即俗称的基地级维修。

本文研究对象的A检间隔为700 fh，C检间隔为7 000 fh。基于研究对象的特点及其航空公司的运营维修情况，该应急门的检修周期与飞机的C检间隔相同，即应急门隐蔽故障的暴露时间为7 000 fh。

由系统可靠性设计与分析［17］理论可知，根据舱门结构/机构故障是否为隐蔽失效，给出结构失效概率与暴露时间、失效率之间的关系。

（1）若故障为非隐蔽失效时，采用指数分布的形式进行失效概率的计算，其失效概率的求解如式（1）所示。

式中：Pf为失效概率；T为风险暴露时间（即连续两次检修的时间间隔）；λ为故障率。

（2）若故障为隐蔽失效时，需考虑结构周期性的检修时间间隔，其失效概率的求解如式（2）所示。

2.2 细化应急门空中意外打开故障树底事件

基于文献［5］和文献［6］对民用飞机登机门和货舱门空中意外打开故障树中机构运动不到位的处理方法发现，针对“民用飞机舱门机构运动不到位”问题，主要考虑结构制造公差累积导致机构输出角度未能达到预期。结合工程实际问题，仅考虑结构制造公差累积导致的机构运动不到位不能真实反映应急门的安全性问题，因此，有必要开展更深入的研究。本文将舱门安全性分析中常规构建的“公差累积导致闩轴运动不到位”底事件X1调整为中间事件Y10“闩轴运动不到位”，并将其细化成“公差累积导致闩轴运动不到位X1”和“分时机构磨损导致闩轴运动不到位X10”，即考虑多种失效模式对闩轴运动不到位的影响，细化后事件间的逻辑关系如图3所示。

图3 闩机构运动不到位Fig.3 Latch mechanism inadequate movement

应急门闩轴运动原理为：通过机构的传递作用，首先让应急门手柄的运动传递到锁轴，随后通过锁轴上的凸轮机构与闩轴分时机构接触，进而带动闩轴的联动。新增底事件X10的运动过程如图4所示。

图4 分时机构运动状态Fig.4 Motion state of time-sharing mechanism

针对“分时机构磨损导致闩轴运动不到位X10”，主要考虑凸轮与分时机构间的滚动摩擦接触导致的分时机构磨损，进而引起闩轴运动不到位。当容许磨损量W∗大于实际磨损量W时，摩擦副处于磨损安全状态；反之，摩擦副处于失效状态。因此，结构磨损失效的安全边界方程如式（3）所示。

从而可通过相应的可靠性分析方法计算出机构磨损失效的可靠性指标β。

式中：CW*为容许磨损量变异系数；CW为实际磨损量变异系数。

再根据正态分布计算公式可得出对应的失效概率，其表达式如式（5）所示。

基于型号工程经验及数据，分时机构磨损可靠性模型中相关参数如表1所示。

表1 磨损可靠性分析参数Table 1 The parameters of wear reliability analysis

2.3 可靠性分析结果

故障树中的强度可靠性分析模型输入为结构的安全裕度，弹簧疲劳可靠性分析的输入为弹簧的物理参数、载荷循环数等。鉴于篇幅限制，未将所有底事件失效概率一一列举。闩机构运动不到位底事件细化前后的可靠性分析结果对比如表2所示。得到细化前后应急门空中意外打开的概率分别为2.80×e-11和1.17×e-10。

表2 失效概率对比Table 2 Comparison of failure probability

从表2可以看出：（1）当应急门底事件故障的风险暴露时间不再按常规的一个飞行循环处理，而是考虑结构的隐蔽故障，此时底事件“公差累积导致的闩轴运动不到位”的失效概率出现了量级上的增大；（2）细化故障树底事件后，应急门空中意外打开顶事件的概率为1.17×e-10，故障树顶事件的失效概率变大，通常舱门结构/机构的安全裕度较大，故结构出现强度破坏的概率相对较小，反而是制造公差累积、机构磨损等原因导致舱门结构/机构运动不到位的案例更多，即失效概率更大，这一结果与舱门实际使用情况相符。

3 结 论

（1）结合民用飞机应急门的使用特点，在对应急门结构/机构开展安全性分析时，底事件失效概率的求解不能按常规的一个飞行循环处理，需根据应急门的检修间隔确定故障的风险暴露时间，即需考虑底事件故障发生的隐蔽性。

（2）将舱门中常规构建的“公差累积导致的闩机构运动不到位”底事件考虑成由公差累积和结构间磨损共同作用导致的机构运动不到位问题，细化了应急门闩机构运动不到位的故障模式，细化后的可靠性分析模型更符合工程实际。

（3）对比了“应急门空中意外打开”故障树底事件细化前后的可靠性分析结果，细化后的顶事件失效概率更高。