陳圣斌，操宏斌，蘇 強，曾曼成

(1.中航工業(yè)直升機設計研究所，江西景德鎮(zhèn) 333001;2.上海三維工程建設咨詢有限公司，上海 200060)

0 引言

可靠性建模、分配、預計是GJB450裝備可靠性通用要求的三個重要工作項目，這三個工作項目不僅影響著可靠性、維修性的分析設計工作，也影響著綜合保障資源的規(guī)劃。因此，無論新研的直升機，還是改進改型的直升機，在它們的可靠性大綱中都選用和規(guī)定了這三個工作項目的要求。然而，近20年的實際工作中，由于這種建模、分配、預計結(jié)果的不確定性，或者說分配預計結(jié)果與外場實際統(tǒng)計數(shù)的不相符性，部分人員產(chǎn)生迷茫，甚至失去了對建模、分配、預計工作的信心。因此，有的人僅僅將可靠性建模、分配、預計工作作為型號可靠性一個必做的工作程序，而沒有注重可靠性建模、分配、預計對可靠性設計的影響。這正如美國早期剛剛開始可靠性分析設計工作一樣，人們將這種與實際不符的可靠性建模、分配、預計工作戲稱為“數(shù)字游戲”。

本文論述了型號工作中可靠性建模、分配、預計與實際不相符的相關問題，分析了這些問題的原因，提出了相應的解決方法，其目的是提高可靠性建模、分配、預計的有效性，實現(xiàn)可靠性建模、分配、預計的預期目標。

1 主要的問題

從20世紀90年代初研制的直11型機開始，之后所有新研和改型的直升機都提出了可靠性定量要求。這樣，每一型號的直升機都按GJB450的要求開展了可靠性建模、分配、預計工作。應該說，隨著這一工作經(jīng)驗的不斷積累和豐富，建模、分配、預計越做越好。然而，實際工作中仍不盡如人意，為了總結(jié)經(jīng)驗教訓，本文首先回顧了可靠性建模、分配、預計工作中存在的問題。

這里以基本可靠性建模分配預計為研究對象，任務可靠性的建模分配預計的情況另行論述。

1.1 可靠性建模存在的問題

可靠性建模包括可靠性框圖和相應的數(shù)學模型兩部分。

所說的可靠性框圖，即是表示產(chǎn)品各個單元故障如何導致產(chǎn)品故障的邏輯關系，就基本可靠性而言，系產(chǎn)品中任一單元可能發(fā)生的故障發(fā)生之后，導致產(chǎn)品需進行維修或更換的邏輯關系。因此，其可靠性框圖是一全串聯(lián)模型。

圖1 可靠性框圖

其數(shù)學模型是:

顯然，這一可靠性框圖簡單直觀，其數(shù)學模型，即其數(shù)學表達式也是簡潔明確。

那么，實際工作中會發(fā)生什么樣的問題呢?

從20年來的工程實踐來看，可靠性建模的問題主要集中于可靠性框圖上:

1)可靠性建模的假設條件不統(tǒng)一

由于建模的假設條件不統(tǒng)一，使得同一型號的直升機，其相同產(chǎn)品或部件在不同系統(tǒng)的可靠性框圖中，有的包括在內(nèi)，有的就未包括在內(nèi)。

例如，電源系統(tǒng)中的自動保護電門和開關都未包括在其可靠性框圖之中，而照明系統(tǒng)包括了自動保護電門和控制開關。

同樣，在航空電子系統(tǒng)中，其可靠性框圖，有的系統(tǒng)如綜合顯示和火控系統(tǒng)往往也不考慮自動保護電門和控制開關，而導航和通訊系統(tǒng)則都包括了電門和開關。

2)有壽件(包括有總壽命、翻修間隔期和使用期限的相關部件)沒有列入到可靠性框圖中

如電源系統(tǒng)的發(fā)電機，操縱系統(tǒng)的助力器，液壓系統(tǒng)的蓄壓器等有壽件，未包括在它們的可靠性框圖中。

3)不同系統(tǒng)或部件交連的接插件未包括在相應的框圖中(僅以備份形式包括在定量分配的余量之中)

事實上，許多系統(tǒng)的故障往往發(fā)生在接口部位，如直11型機增穩(wěn)系統(tǒng)的故障中有1/3都發(fā)生在各個部件的接插件上，同樣，液壓、燃油、滑油系統(tǒng)的滲漏油故障亦大多數(shù)都發(fā)生在管接頭上。

上述所涉及的問題，即在可靠性建?；蚩煽啃钥驁D中，有可能使一部分有可靠性要求或存在故障隱患的產(chǎn)品或部件，或者有可能要進行維修、更換的產(chǎn)品/部件，排除在可靠性框圖或排除在可靠性建模之外。這就是說默認這些產(chǎn)品或部件的 λi=0，Ri=1。無形中，人為拉抬了系統(tǒng)中這些產(chǎn)品/部件的可靠性，它給可靠性的分配和預計都帶來了相應問題，也給可靠性分析(如FMEA、FTA等)和可靠性設計帶來誤會和迷惑。由于這些產(chǎn)品λi=0，有可能認為不必進行故障模式及影響分析;進行綜合保障規(guī)劃時，有可能對這些產(chǎn)品不進行維修保障分析等。

1.2 可靠性分配存在的問題

可靠性分配是將整機的可靠性定量要求分配到各個功能系統(tǒng)，然后，各功能系統(tǒng)將整機所分配的結(jié)果繼續(xù)分配到各產(chǎn)品/部件。在可靠性分配中存在下列問題:

1)可靠性建模的缺陷是人為地提高和降低了產(chǎn)品/部件的可靠性

由于可靠性建模是可靠性分配的依據(jù)，或者說，可靠性分配是按可靠性建模的結(jié)果，將整機可靠性定量要求分配到各個系統(tǒng)，之后又分配到相應的產(chǎn)品或部件，這樣可靠性建模的缺陷，是使一些有可靠性要求或者存有故障隱患的產(chǎn)品或部件在可靠性分配中被人為地忽略了。顯然，這無形中使可靠性分配中本應分配較高MTBF值的部件/產(chǎn)品，都分配較低的MTBF值，其后果是:

①降低了這些部件/產(chǎn)品的可靠性設計要求，如有可能降低元器件的選用等級，降低產(chǎn)品的環(huán)境要求等;

②給維修性設計造成問題，如有可能增加自檢要求和可達性要求等;

③加大了綜合保障資源的需求，如有可能增加備件和工具要求等。

2)系統(tǒng)可靠性分配的不協(xié)調(diào)，造成不同系統(tǒng)相同或相似產(chǎn)品或部件的可靠性指標不協(xié)調(diào)

在以往的可靠性分配中，常常發(fā)生整機可靠性分配到各個系統(tǒng)的可靠性要求不協(xié)調(diào)，有的系統(tǒng)分配的MTBF偏高，有的分配的MTBF偏低，結(jié)果是不同系統(tǒng)的同一產(chǎn)品或相似產(chǎn)品的可靠性指標相差很大。

3)利用專家評分方法分配時，有湊數(shù)之疑

在可靠性分配時，有些產(chǎn)品或部件已提供了相應的可靠性要求(如在技術協(xié)議書中規(guī)定了可靠性(MTBF)的目標值)，于是，為了完成所規(guī)定的可靠性分配程序，便按專家評分法進行可靠性分配。此時，為滿足已確定的可靠性指標值，便在專家評分的5個因素中，通過“湊數(shù)”的方法進行分配。如某型機的某一系統(tǒng)為了“湊數(shù)”分配，對于同一系統(tǒng)都同時工作的部件，它們工作時間的評分居然不盡相同。

4)基本可靠性(MTBF)與任務可靠性(MTBCF)之間不相協(xié)調(diào)

在整機進行系統(tǒng)可靠性分配時，由于沒有注意與全機任務可靠性分配之間的協(xié)調(diào)關系，使得所分配的可靠性(MTBF)，有些系統(tǒng)的分配結(jié)果有可能不能滿足任務可靠性(MTBCF)要求。例如，某型機直流電源系統(tǒng)是由2個電源系統(tǒng)組成的，任一系統(tǒng)故障，另一系統(tǒng)仍能確保全機供電。

全機分配給直流電源系統(tǒng)的基本可靠性MTBF=100FH，那么，每個分系統(tǒng)MTBFi=MTBF1=MTBF2=200FH。于是，此系統(tǒng)的致命性平均故障時間(MTBCF)

MTBCF=1.5MTBFi=1.5 ×200=300FH

任務時間t=2FH

但是，全機分配給電源系統(tǒng)的任務可靠度

顯然，按所分配的MTBF值所計算的系統(tǒng)任務可靠度不能滿足所分配的任務可靠度。

如果要滿足分配的任務可靠度P*值，必須重新分配，使電源系統(tǒng)的基本可靠性加大，即MTBF=133FH，或者降低所分配的任務可靠度P*值以滿足分配的基本可靠性(MTBF值)要求。

總之，在分配過程中，既要滿足基本可靠性要求，也要滿足任務可靠性要求。

1.3 可靠性預計存在的問題

在以往型號的可靠性預計中，通常是按所建立的可靠性模型，以相似機型、相似產(chǎn)品或部件可靠性(MTBF)的歷史數(shù)據(jù)來估算整機、系統(tǒng)能否達到研制任務書規(guī)定的定量值或整機分配給系統(tǒng)或系統(tǒng)分配到產(chǎn)品/部件相應的分配值。近20年來的工程實踐，幾乎所有型號和所有系統(tǒng)都能達到合同值或分配值。然而，實際外場使用中和一些可靠性試驗中并非如此。例如，某型機的XX吊掛系統(tǒng)，某型機的增穩(wěn)系統(tǒng)，在可靠性鑒定試驗和設計定型時并未達到相應值。

從可靠性預計來看，存在下列問題:

1)建模預計中存在的缺陷，即未進入可靠性模型的產(chǎn)品或部件，不能通過可靠性預計;發(fā)現(xiàn)它對系統(tǒng)可靠性或整機可靠性產(chǎn)生的負面影響。

例如，某型機增穩(wěn)系統(tǒng)，由于各個部件接口的插接件在可靠性建模中未予考慮，使得在建模預計中，這些插接件所發(fā)生的故障對增穩(wěn)系統(tǒng)可靠性的負面影響未采取措施予以控制，從而，在可靠性試驗中，由于插接件故障較多而達不到要求。

2)可靠性預計中所選取的數(shù)據(jù)來自不同的途徑，使得預計結(jié)果令人難以置信。

正如前所述，目前直升機整機及直升機各個系統(tǒng)在可靠性預計時，通常都是相似產(chǎn)品法進行可靠性預計。顯然，整機、系統(tǒng)可靠性預計值的精度或置信性取決于歷史數(shù)據(jù)的質(zhì)量，以及所取數(shù)據(jù)產(chǎn)品或部件與所要預計產(chǎn)品的相似度。然而，在實際工作中，盡管目前已累積了直8型機、直9型機和直11型機各個系統(tǒng)及其部件的可靠性(MTBF)數(shù)據(jù)，或許是這些數(shù)據(jù)(MTBF)太低了，難以達到預計(滿意)效果，于是，從《非電子產(chǎn)品可靠性數(shù)據(jù)手冊》或者教科書等上，查找相應部件可靠性數(shù)據(jù)，作為數(shù)據(jù)源，預計結(jié)果是顯然的，預計能滿足規(guī)定值或分配值。使用結(jié)果也是顯然的，某些產(chǎn)品或部件達不到規(guī)定值或分配值。預計結(jié)果與使用結(jié)果的重大反差，使得人們對預計結(jié)果難以置信。

3)可靠性預計中，人為地選擇過高的相似產(chǎn)品的可靠性預計值，掩蓋了可靠性分配所存在的問題。

例如，可靠性分配時，由于分配不合理，使得某一系統(tǒng)某一產(chǎn)品或部件分配了過高的MTBF值。本應通過預計指出分配過高的MTBF值，使這一產(chǎn)品存在著風險，有可能成為該系統(tǒng)可靠性薄弱環(huán)節(jié)(難以達到分配值)。然而，由于人為地選擇過高的相似產(chǎn)品預計值，不但不能指示可靠性分配存在的薄弱環(huán)節(jié)及分配的不合理性，反而使這一不合理得到了確認，且誤認為該可靠性要求能夠?qū)崿F(xiàn)，從而在后續(xù)工作中有可能放松了對它們可靠性的管理和控制要求。

2 原因分析與改進建議

可靠性建模、分配、預計所存在的上述問題，經(jīng)分析歸納主要是如下4個原因:

1)缺乏型號實用的可靠性建模分配、預計準則;

2)缺乏對一些基本問題的正確理解;

3)缺乏方法的多樣性，以驗證分配、預計、結(jié)果的正確性;

4)缺乏現(xiàn)役型號完整的可靠性數(shù)據(jù)信息庫。

2.1 缺乏型號實用的可靠性建模分配、預計準則

盡管在以往新研和改型的直升機都編制了可靠性建模、分配、預計工作程序，但是，它們基本上都是沿用各種武器裝備都通用的GJB813(可靠性模型建立和可靠性預計)編制而成的，它們的主要問題是沒有直升機特點和直升機型號特點，也缺乏實用性。

例如，基本可靠性建模的定義，凡是引起非計劃維修的產(chǎn)品/部件都應包括在可靠性框圖中。然而，系統(tǒng)可靠性框圖繪制要求中沒有規(guī)定應該包括哪些單元和部件，這樣各個系統(tǒng)繪制可靠性框圖時有很大的隨意性。例如，有些系統(tǒng)的可靠性框圖包括了開關、自動保護電門和電氣連接件，有的系統(tǒng)沒有包括這些部件;又如，對于結(jié)構部件，建模分配、預計中，沒有詳細給出所要包括的部件，如主結(jié)構受力件和二次結(jié)構件，二次結(jié)構件又包括整流罩、艙門、口蓋、內(nèi)部隔板和防火墻、地板、風擋玻璃、鉚釘/構件;再如，對于旋翼系統(tǒng)，沒有給出具體包括的部件，旋翼系統(tǒng)建模中往往簡單地包括主槳葉、尾槳葉、主槳榖、尾槳榖。因此，必須編制具有直升機特點、直升機型號特點，具有實用的可靠性建模分配預計準則。

2.2 對一些問題缺乏正確的理解

1)在可靠性建模、分配和預計中錯誤地認為有壽件在其規(guī)定的壽命期間不會發(fā)生故障，其可靠性為1或失效率為0，這樣這些部件在建模中不包括在內(nèi)，使它們失去了可靠性的管理和控制要求。

2)事實上，有壽件通常可以用圖2的浴盆曲線來表征其壽命特征。

圖2 浴盆曲線

顯然，有壽件不僅有壽命時間，而且在此壽命期間也會發(fā)生偶然故障，例如，SA365N增壓泵TBO:1800FH，MTBF:1380FH;如助力器 TBO:3000FH，MTBF:1750FH;燃油調(diào)節(jié)器 TBO:2500FH，MTBF:2000FH。

因此，有壽件應該包括在可靠性建模分配、預計中，以便在整個研制中對它們進行可靠性管理和控制(包括可靠性分析、可靠性試驗和可靠性考核)。

3)在以往的可靠性建模、分配和預計中，缺乏系統(tǒng)綜合權衡比較的深刻認識。例如在可靠性分配中，只顧滿足基本可靠性要求，而沒有去考慮任務可靠性要求，結(jié)果是:滿足基本可靠性，而未能滿足任務可靠性要求。

為了在可靠性分配中，既滿足系統(tǒng)基本可靠性要求，又滿足系統(tǒng)的任務可靠性要求，便要同時進行基本可靠性分配和任務可靠性分配，通過反復權衡比較以選擇能滿足基本可靠性要求和任務可靠性要求的分配值。

2.3 缺乏方法多樣性以驗證可靠性分配的合理性

在可靠性分配中，人們都是利用專家評分法進行整機系統(tǒng)的可靠性分配。由于這些評分因素因人而異，它有相當大的隨意性，因此，分配的結(jié)果不盡一致，人們往往對其分配結(jié)果難以置信。

這就是說，僅僅利用一種方法進行分配而沒有相應的方法驗證分配結(jié)果的合理性，這就難免對分配結(jié)果提出疑問。為了使分配結(jié)果合理而又置信，應提供其它方法進行驗證說明。

本來可靠性預計方法是一種驗證可靠性分配合理的方法之一，然而實際操作中往往利用不相似系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行預計，或者利用分配之后的數(shù)據(jù)經(jīng)與轉(zhuǎn)承制方協(xié)調(diào)稍作修改又返回來預計(自己驗證自己的方法)，無疑，它們都不能達到目的。

為了驗證專家評分法進行可靠性分配的合理性，可采用相似系統(tǒng)法和比例組合法來驗證分配結(jié)果。例如，在某型機的可靠性分配中，除了應用專家評分法進行整機系統(tǒng)的分配之外，還可利用SA365N型機的各個產(chǎn)品/部件數(shù)據(jù)求得各個系統(tǒng)產(chǎn)品/部件在整機和系統(tǒng)中的分配比例數(shù)據(jù)，從而求得各個系統(tǒng)和產(chǎn)品/部件的分配值，之后還利用比例組合法(直9型機外場數(shù)據(jù))進行可靠性分配。

經(jīng)后面兩種方法的驗證，專家評分法的分配結(jié)果較為合理，之后，又按后面兩種方法的分配結(jié)果經(jīng)綜合權衡，形成整機系統(tǒng)分配結(jié)果。

2.4 缺乏現(xiàn)役型號可靠性數(shù)據(jù)庫難以支撐可靠性建模分配預計工作

如前所述，在可靠性預計時往往東拼西湊一些并非相似系統(tǒng)相似產(chǎn)品或部件的數(shù)據(jù)來說明可靠性分配的合理性，幾乎所有型號和所有系統(tǒng)的預計結(jié)果都認為滿足可靠性分配結(jié)果，它沒有達到發(fā)現(xiàn)和識別可靠性薄弱環(huán)節(jié)的預期目標。

造成這一問題的主要原因是沒有建立現(xiàn)役直升機型號(包括直8、直9、直11型機等)的可靠性信息庫，即沒有對現(xiàn)役型號直升機外場的統(tǒng)計信息進行研究分析，給出它們的可靠性數(shù)據(jù)如MTBF(λ)、MTBCF以及故障模式、故障原因、故障影響等，如果有了這些真實的數(shù)據(jù)，就不會使用這些似是而非的數(shù)據(jù)進行可靠性預計和可靠性分析。

因此，必須建立現(xiàn)役型號系統(tǒng)和產(chǎn)品/部件的可靠性信息庫，從這一信息庫中不僅能得到可靠性的相關信息，而且還能挖掘潛在的其它信息。如信息中的故障是批次性故障還是偶發(fā)性故障，從而確定是否進行重新設計或通過維修以消除或減少故障影響。又如，故障是耗損性故障還是隨機性故障，從而確定是否采用定時或狀態(tài)監(jiān)控維修方式。

3 結(jié)束語

上述的討論僅是個人的看法，其目的是提出這些問題與同行共鳴，以便使直升機可靠性建模、分配、預計工作達到GJB450的目標。