夏遠(yuǎn)飛

（空軍第一航空學(xué)院，河南 信陽(yáng)464000）

0 引 言

對(duì)飛機(jī)電源系統(tǒng)可靠性評(píng)估是衡量電源系統(tǒng)可靠性是否達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)和促進(jìn)可靠性增長(zhǎng)的重要途徑。目前對(duì)飛機(jī)電源系統(tǒng)的可靠性評(píng)估方法很多，但還沒(méi)有一個(gè)理想的方法，有必要進(jìn)行科學(xué)合理的可靠性評(píng)估方法研究。

平均無(wú)故障時(shí)間（mean time between failure，MTBF）是可靠性評(píng)估中最常用指標(biāo)之一，傳統(tǒng)的評(píng)估方法只統(tǒng)計(jì)故障數(shù)量，不考慮故障的危害性，難以體現(xiàn)可靠性指標(biāo)對(duì)產(chǎn)品的安全性和任務(wù)成功率與戰(zhàn)備完好率的影響。該文針對(duì)某型飛機(jī)電源系統(tǒng)在外場(chǎng)使用過(guò)程中出現(xiàn)的大量故障數(shù)據(jù)，提出一種基于危害度的故障統(tǒng)計(jì)方法，并應(yīng)用于飛機(jī)電源系統(tǒng)的可靠性評(píng)估[1-2]。

1 基于故障危害度的統(tǒng)計(jì)模型

數(shù)學(xué)平均值法不計(jì)算母體的分布，直接用子樣統(tǒng)計(jì)量去估計(jì)母體的特征值，因此也稱為非參數(shù)法。用數(shù)學(xué)平均值法計(jì)算飛機(jī)電源系統(tǒng)的MTBF是一種經(jīng)典的點(diǎn)估計(jì)方法，其優(yōu)點(diǎn)是算法簡(jiǎn)單，但結(jié)果比較粗糙，而且其結(jié)果對(duì)故障數(shù)目的變化非常敏感。另外數(shù)學(xué)平均值法把飛機(jī)電源系統(tǒng)的所有故障同等看待，因此無(wú)法計(jì)算出故障對(duì)飛機(jī)電源系統(tǒng)供電危害性的影響。

對(duì)故障樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行可靠性評(píng)估，傳統(tǒng)的分布計(jì)算法是將所有的故障樣本進(jìn)行混合，分布檢驗(yàn)，確定分布模型，計(jì)算可靠性指標(biāo)，這種方法可以檢驗(yàn)出符合的分布類型，在數(shù)學(xué)上是合理的。從工程角度上看，各故障樣本屬于不同的失效模式，而失效模式?jīng)Q定了故障的分布類型，相同的故障模式是屬于同一分布類型的，因此，由失效模式去建立分布類型也是科學(xué)合理的。

基于危害度的故障統(tǒng)計(jì)模型是以故障對(duì)飛機(jī)電源系統(tǒng)供電危害性的影響進(jìn)行分級(jí)，從每個(gè)故障的失效機(jī)理出發(fā)建立相應(yīng)的分布統(tǒng)計(jì)模型，再采用分布計(jì)算法和二次分布計(jì)算法進(jìn)行可靠性指標(biāo)計(jì)算，具體分析流程如圖1所示。

圖1 基于危害度故障統(tǒng)計(jì)流程

基于危害度故障統(tǒng)計(jì)分析中，應(yīng)注意對(duì)于同一故障同時(shí)存在多種失效模式時(shí)，首先對(duì)各種失效模式分別進(jìn)行分布檢驗(yàn)和參數(shù)估計(jì)；然后利用二次分布方法對(duì)該故障的各種模式的指標(biāo)進(jìn)行分布檢驗(yàn)和參數(shù)估計(jì)，得到該故障的可靠性指標(biāo)；最后對(duì)所有故障的分布參數(shù)利用二次分布法進(jìn)行分布檢驗(yàn)和參數(shù)估計(jì)，得到系統(tǒng)整體可靠性參數(shù)的分布，從而確定系統(tǒng)整體的可靠性指標(biāo)。

1.1 基于危害度的故障分類

由于元器件的失效所引起的系統(tǒng)失效，并不一定都使系統(tǒng)達(dá)到致命的程度；因此，明確失效后的嚴(yán)重程度及其概率是定量分析中的重要環(huán)節(jié)。對(duì)飛機(jī)電源系統(tǒng)，其系統(tǒng)本身非常復(fù)雜、故障模式很多，不同的故障對(duì)飛機(jī)電源系統(tǒng)供電的危害性差異很大。因此，按照危害度對(duì)飛機(jī)電源系統(tǒng)的故障進(jìn)行等級(jí)分類，會(huì)更有效地對(duì)飛機(jī)電源系統(tǒng)供電的可靠性進(jìn)行評(píng)估。依據(jù)飛機(jī)電源系統(tǒng)在外場(chǎng)發(fā)生大量故障的統(tǒng)計(jì)，并結(jié)合國(guó)軍標(biāo)的要求，提出對(duì)飛機(jī)電源系統(tǒng)故障按危害度等級(jí)分為4類，具體分類如下：

（1）擊穿燒毀類故障。指電源系統(tǒng)中關(guān)鍵件的電子元器件被擊穿燒毀，其破壞后果是導(dǎo)致飛機(jī)電源系統(tǒng)發(fā)生空中斷電或任務(wù)失效，影響飛行安全。

（2）接觸不良類故障。導(dǎo)致電源系統(tǒng)中的元器件工作不正常，時(shí)好時(shí)壞，其破壞后果是導(dǎo)致飛機(jī)不能繼續(xù)飛行或不能完成預(yù)定的飛行訓(xùn)練任務(wù)。

（3）性能參數(shù)偏離額定值類故障。導(dǎo)致電源系統(tǒng)的供電性能參數(shù)偏離額定值，但不會(huì)危及飛行安全或不會(huì)影響預(yù)定的飛行訓(xùn)練任務(wù)的完成。

（4）輕微性故障。很容易排除的或受人為因素影響的故障，故障排除后不會(huì)影響電源系統(tǒng)的供電性能參數(shù)[3-4]。

1.2 各類危害度故障可靠性指標(biāo)評(píng)估

若某類故障只包含單一故障模式，則直接對(duì)該故障模式進(jìn)行分布檢驗(yàn)和參數(shù)估計(jì)，確定該類故障的可靠性指標(biāo)。

若某類故障包含多種故障模式，則需把此類故障按照故障模式進(jìn)行分類。故障機(jī)理決定了分布的類型，對(duì)每類故障模式進(jìn)行分布檢驗(yàn)和參數(shù)估計(jì)，確定每類故障的可靠性指標(biāo)。采用二次分布法，將各故障模式的指標(biāo)二次混合，進(jìn)行分布檢驗(yàn)和參數(shù)估計(jì)，確定此類故障的可靠性指標(biāo)。

飛機(jī)電源系統(tǒng)的故障模式多種多樣，用何種分布來(lái)描述某一具體的故障模式需要通過(guò)典型分布的檢驗(yàn)來(lái)確定，如正態(tài)檢驗(yàn)（W檢驗(yàn)）、指數(shù)檢驗(yàn)（605-x2檢驗(yàn)）、威布爾檢驗(yàn)（M檢驗(yàn)）等。

分布計(jì)算法是首先將飛機(jī)電源系統(tǒng)的故障數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，求出故障的分布規(guī)律，如指數(shù)分布、正態(tài)分布、威布爾分布等，然后根據(jù)分布規(guī)律計(jì)算出可靠性指標(biāo)。二次分布算法是在分布計(jì)算法原理的基礎(chǔ)上，將故障按照失效模式分類，分別計(jì)算同一故障模式的分布規(guī)律和可靠性指標(biāo)，然后再將故障模式的指標(biāo)進(jìn)行二次混合，計(jì)算出總體的分布規(guī)律和可靠性指標(biāo)[5]。

1.3 總體可靠性指標(biāo)評(píng)估

各類危害度故障可靠性指標(biāo)確定后，再用二次分布算法，將各類危害度故障可靠性指標(biāo)進(jìn)行二次混合，得到關(guān)于各類危害度故障可靠性指標(biāo)的混合數(shù)據(jù)。然后進(jìn)行擬合檢驗(yàn)和參數(shù)估計(jì)，從而建立系統(tǒng)總體可靠性指標(biāo)的分布模型，再根據(jù)系統(tǒng)總體分布模型進(jìn)行系統(tǒng)總體可靠性指標(biāo)的評(píng)估[6]。

2 飛機(jī)電源系統(tǒng)可靠性評(píng)估

利用飛機(jī)電源系統(tǒng)故障數(shù)據(jù)進(jìn)行MTBF評(píng)估，采用數(shù)學(xué)平均值法是用電源系統(tǒng)總累計(jì)工作時(shí)間除以總故障數(shù)；整體混合分布計(jì)算方法是將所有故障進(jìn)行一次混合，用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行擬合檢驗(yàn)，確定故障分布模型，然后進(jìn)行MTBF指標(biāo)評(píng)估。由于點(diǎn)估計(jì)值是一個(gè)隨機(jī)變量，它與母體可靠性參數(shù)的真值可能很接近，也可能相差很遠(yuǎn)，由于點(diǎn)估計(jì)值的可信度較低，所以對(duì)母體的可靠性特征參數(shù)常常只能給出一個(gè)區(qū)間估計(jì)。對(duì)于飛機(jī)電源系統(tǒng)的MTBF值，關(guān)心的是置信下限。在給定置信度條件下，指數(shù)分布?jí)勖闹眯畔孪薜南禂?shù)受形狀參數(shù)、特征參數(shù)和樣本數(shù)量的影響較大。

針對(duì)飛機(jī)電源系統(tǒng)在外場(chǎng)使用情況進(jìn)行可靠性指標(biāo)計(jì)算分析，以某型20架飛機(jī)為例，2006年8月～2010年8月，電源系統(tǒng)發(fā)生故障105起，其中導(dǎo)致空中斷電故障5起。表1列出應(yīng)用危害度故障統(tǒng)計(jì)模型計(jì)算的飛機(jī)電源系統(tǒng)各類危害度故障的MTBF點(diǎn)估計(jì)值和區(qū)間估計(jì)下限。電源系統(tǒng)故障樣本數(shù)量越多，置信區(qū)間越短；故障樣本數(shù)量越少，置信區(qū)間越長(zhǎng)[7]。

表1 各類危害度故障MTBF評(píng)估

應(yīng)用數(shù)學(xué)平均值法、整體混合一次分布法和基于危害度故障統(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)飛機(jī)電源系統(tǒng)總體可靠性指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估，其結(jié)果如表2所示。

表2 主交流電源系統(tǒng)總體MTBF評(píng)估

由表2可以看出，應(yīng)用數(shù)學(xué)平均值法和整體混合一次分布法的結(jié)果比較接近，這是因?yàn)檫@2種方法采用的故障樣本是相同的，只是計(jì)算方法不同，一個(gè)是平均值，另一個(gè)是分布的數(shù)學(xué)希望?；谖：Χ裙收辖y(tǒng)計(jì)分析方法是從故障模式指標(biāo)出發(fā)，到各類危害度故障可靠性指標(biāo)，再到總體可靠性指標(biāo)，采用二次分布實(shí)現(xiàn)從部分到整體的指標(biāo)融合。對(duì)于故障模式的融合，由于它們的樣本數(shù)量和故障時(shí)間基本相當(dāng)，所以采用二次分布融合比較合理。而對(duì)于各類危害度故障指標(biāo)的融合，由于它們的樣本數(shù)量和危害度有較大的差異，直接采用二次分布，實(shí)際上夸大了擊穿燒毀類故障在數(shù)據(jù)融合中的作用，使得計(jì)算結(jié)果偏大。

表3給出某型20架飛機(jī)（2006年8月～2010年8月）電源系統(tǒng)典型故障模式評(píng)估結(jié)果，從結(jié)果中可以看出主交發(fā)控制器的問(wèn)題較大。

表3 主交流電源系統(tǒng)典型故障模式評(píng)估

3 可靠性指標(biāo)隨時(shí)間的變化

以某型20架飛機(jī)（2006年8月～2010年8月）電源系統(tǒng)累計(jì)使用時(shí)間進(jìn)行分段統(tǒng)計(jì)分析，步長(zhǎng)取為50 h，考察飛機(jī)電源系統(tǒng)在各階段的可靠性指標(biāo)變化情況。統(tǒng)計(jì)分析的結(jié)果如圖2所示。

圖2 可靠性指標(biāo)隨使用時(shí)間的變化

由圖2可以看出，飛機(jī)電源系統(tǒng)在不同階段的可靠性指標(biāo)變化較大，隨著使用時(shí)間的增長(zhǎng)，曲線的總體水平在逐漸向后移動(dòng)。這意味著飛機(jī)電源系統(tǒng)在使用前期故障率較高，總體MTBF值較低，隨著累積工作使用時(shí)間的增加，飛機(jī)電源系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)在逐步提高，性能趨近穩(wěn)定，當(dāng)累積工作使用時(shí)間增加到一定值后，曲線又向上移動(dòng)，這說(shuō)明飛機(jī)電源系統(tǒng)在使用后期故障率也較高[8]。

4 結(jié)束語(yǔ)

利用基于危害度故障統(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)飛機(jī)電源系統(tǒng)可靠性指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估，可考慮不同危害度等級(jí)的故障對(duì)電源系統(tǒng)整體可靠性的影響。通過(guò)對(duì)各危害度故障的指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可以找到影響飛機(jī)電源系統(tǒng)整體可靠性指標(biāo)主要問(wèn)題的根源，明確了提高飛機(jī)電源系統(tǒng)整體可靠性指標(biāo)的主要方向。用二次分布法對(duì)各個(gè)危害度故障指標(biāo)進(jìn)行融合，同等對(duì)待了各危害度故障樣本在評(píng)估中的作用，因此，為了使數(shù)據(jù)融合更加合理可采用Bayes數(shù)據(jù)融合方法，先收集系統(tǒng)試驗(yàn)之前的各種可靠性信息，然后根據(jù)系統(tǒng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，充分考慮不同危害度故障樣本在融合中的作用，使對(duì)飛機(jī)電源系統(tǒng)整體可靠性指標(biāo)評(píng)估更加科學(xué)。采用Bayes數(shù)據(jù)融合方法的優(yōu)點(diǎn)是在滿足可靠性指標(biāo)的前提下，可減少評(píng)估用的整系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)量，大幅度減少試驗(yàn)費(fèi)用。

運(yùn)用危害度故障統(tǒng)計(jì)分析模型對(duì)飛機(jī)電源系統(tǒng)可靠性指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算和分析可以看出，該型飛機(jī)電源系統(tǒng)采用的技術(shù)還不夠成熟，工作性能不夠穩(wěn)定，隨著使用時(shí)間的增長(zhǎng)，電源系統(tǒng)可靠性指標(biāo)發(fā)生明顯的變化，因此不能用整體故障樣本對(duì)其可靠性進(jìn)行評(píng)估。在使用的前期階段，電源系統(tǒng)的故障率較高，隨著使用時(shí)間的增長(zhǎng)，在不同的階段電源系統(tǒng)可靠性指標(biāo)的變化規(guī)律是由低到高再由高到低的變化過(guò)程，故障在樣本中有明顯的時(shí)間效應(yīng)。因此，要準(zhǔn)確反映電源系統(tǒng)的可靠性水平，在進(jìn)行可靠性評(píng)估時(shí)就要考慮故障樣本的時(shí)效性。

[1]GJB 1909.10—1998裝備可靠性維修性參數(shù)選擇和指標(biāo)確定要求-電子系統(tǒng)[S].1999.

[2]GJB 450A—2004裝備可靠性工作通用要求[S].2005.

[3]孔學(xué)東，恩云飛.電子元器件失效分析與典型案例[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2006.

[4] 劉成印，薛安忠，李強(qiáng)，等.電力直流操作電源系統(tǒng)的可靠性分析[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)，2007，25（5）：22-24.

[5] 王錫吉.電子設(shè)備可靠性工程[M].西安：陜西科學(xué)技術(shù)出版社，1999.

[6] 劉成印，嚴(yán)仰光.高頻開關(guān)電源系統(tǒng)可靠性指標(biāo)MTBF的計(jì)算方法[J].電工技術(shù)雜志，2001，12（1）：20-23.

[7] 曾利偉，呂川.通信裝備可靠性指標(biāo)的確定及其驗(yàn)證[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)，2006，24（1）：14-18.

[8] 何國(guó)偉.可靠性試驗(yàn)技術(shù)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1995.