民用飛機可靠性指標預計方法研究

蔡蔚榮

（中國商飛上海飛機設計研究院，中國 上海201210）

民用飛機可靠性指標的預計結(jié)果不僅能夠評價設計要求提出的可靠性指標能否達到，而且能夠為可靠性增長試驗、驗證等提供依據(jù)，同時為安全性評估提供定量計算依據(jù)。在民用飛機可靠性設計中，作為基本可靠性指標的平均故障間隔時間是系統(tǒng)、分系統(tǒng)以及設備進行可靠性設計時最為關(guān)注的指標。簽派可靠度不僅是民機可靠性設計中最核心的指標之一，而且因其能夠直接反映飛機的市場運營情況，影響飛機的經(jīng)濟性水平，是航空公司目前最為關(guān)注的可靠性指標之一。本文結(jié)合民用飛機系統(tǒng)特點、工作環(huán)境和其他設計因素，建立民用飛機可靠性指標預計方法，可以對飛機各系統(tǒng)、設備的可靠性指標進行定量估計。

1 定義

1.1 平均故障間隔時間（MTBF）[1]

在某一時間內(nèi)的“總設備小時”除以在同一時間內(nèi)該設備發(fā)生的故障數(shù)得到的數(shù)值。它是描述系統(tǒng)、分系統(tǒng)以及設備、零部件可靠性的一種最常用的指標，也稱基本可靠性指標。也可用其倒數(shù)，用故障率（λ）來表示。

1.2 簽派可靠度（DR）[2]

飛機運營階段，沒有因技術(shù)原因延誤或取消航班而運營離站的百分數(shù)。技術(shù)延誤指的是由于飛機的設備或者部件工作異常而進行檢查或者必要修理使得飛機的最后離站的時間延遲，通常超過預定離站時間為15min。

簽派可靠度（RD）=1-出勤延誤率（RDI）

2 可靠性指標預計基本模型

2.1 可靠性指標

平均故障間隔時間和簽派可靠度是民用飛機各系統(tǒng)、子系統(tǒng)、設備可靠性設計中最重要的兩個設計指標。平均故障間隔時間是反映飛機系統(tǒng)、分系統(tǒng)以及設備可靠性水平的一種最常用的指標，也稱基本可靠性指標。簽派可靠度是反映飛機在航線中完成簽派能力的一種常用可靠性指標。

2.2 基本模型

在民用飛機可靠性指標預計過程中，需要建立飛機與系統(tǒng)之間、以及各系統(tǒng)與設備之間故障邏輯關(guān)系模型，按照目前國內(nèi)外民機設計商的普遍做法和工程經(jīng)驗，一般使用可靠性串聯(lián)模型。

在可靠性串聯(lián)模型中產(chǎn)品的可靠度是由產(chǎn)品包含的各個單元的可靠度相乘得到的。

數(shù)學模型關(guān)系式見式（1）：

式中：

Rs(t)——產(chǎn)品的可靠度；

Ri(t)——第i個單元的可靠度。

假設產(chǎn)品所包含的各單元的故障時間服從指數(shù)分布，則其可靠度見式（2）：

式中：

λi——第i個單元的故障率(1/h)。

3 平均故障間隔時間預計方法

3.1 設備級

設備級平均故障間隔時間預計工作比較成熟和完善，一般按照MIL-HDBK-217F[3]和RIAC-HDBK-217PLUS[4]提供的數(shù)據(jù)和方法進行預計。預計方法主要有：相似法；故障率預計法；修正系數(shù)預計法。三種方法的模型均采用一個全串聯(lián)模型，包括那些冗余或代替的單元都按串聯(lián)處理，用以估計產(chǎn)品基本可靠性及其組成單元引起的維修及產(chǎn)品支援要求。

3.2 系統(tǒng)級

系統(tǒng)級平均故障間隔時間的預計計算一般分為兩類，一是基于不同環(huán)境（區(qū)域）給定溫度的系統(tǒng)級平均故障間隔時間預計，二是基于不同環(huán)境（區(qū)域）溫度包線的系統(tǒng)級平均故障間隔時間預計。

3.2.1 基于不同環(huán)境（區(qū)域）給定溫度的系統(tǒng)級平均故障間隔時間預計

當基于不同環(huán)境（區(qū)域）給定溫度計算時，已知某一給定溫度下設備的故障率用λi表示，設備的平均故障間隔時間TMBF″見式（3）：

用ni表示某一類設備的數(shù)量，系統(tǒng)的故障率λs與設備的故障率λi的關(guān)系見式（4）：

系統(tǒng)的平均故障間隔時間TMBF′見式（5）：

3.2.2 基于不同環(huán)境（區(qū)域）溫度包線的系統(tǒng)級平均故障間隔時間預計

當基于不同環(huán)境（區(qū)域）的環(huán)境溫度包線計算時，先根據(jù)不同階段設備的故障率（λi1、λi2……λin）及該階段所占的時間比例計算出設備總的故障率λi，見式（6）：

用ni表示某一類設備的數(shù)量，系統(tǒng)的故障率λs與設備的故障率λi的關(guān)系見式（7）：

系統(tǒng)的平均故障間隔時間TMBF′見式（8）：

3.3 飛機級

飛機級平均故障間隔時間的預計是在系統(tǒng)級均故障間隔時間的預計結(jié)果的基礎上，一般按照可靠性串聯(lián)模型進行計算得出。已知各系統(tǒng)的故障率λs，則飛機的平均故障間隔時間TMBF見式（9）：

4 簽派可靠度預計方法

簽派可靠度反映了飛機在航線中完成簽派的能力，推薦采用基于系統(tǒng)構(gòu)型的簽派分析法，即根據(jù)供應商可以給出的飛機構(gòu)型清單和PMMEL（初始主最低設備清單），或是類似系統(tǒng)構(gòu)型的MMEL（主最低設備清單），以及供應商所提供的設備MFHBF、MTTR清單進行相應的預計工作。MTTR（平均修復時間）

根據(jù)飛機簽派可靠度與飛機出勤延誤率的關(guān)系，一般通過計算飛機的出勤延誤率，從而得到飛機的簽派可靠度。飛機的簽派可靠度與飛機出勤延誤率存在如式（10）的關(guān)系：

式中：

RD——飛機的簽派可靠度；

RDI——飛機的出勤延誤率。

飛機的出勤延誤率是飛機出勤延誤次數(shù)與飛機計劃飛行次數(shù)的比值，見公式（11）：

式中：

NI——飛機出勤延誤次數(shù)；

NS——飛機計劃飛行次數(shù)。

其中，飛機出勤延誤次數(shù)由飛機延誤次數(shù)與飛機取消航班次數(shù)組成，見式（12）：

式中：

ND——飛機延誤次數(shù)；

NC——飛機取消航班次數(shù)。

5 結(jié)束語

本文根據(jù)民用飛機各系統(tǒng)之間的關(guān)系和基本可靠性的特點，充分考慮系統(tǒng)的構(gòu)成和結(jié)構(gòu)特點、系統(tǒng)的工作環(huán)境等因素，給出了民用飛機可靠性指標預計基本模型，提出了民用飛機平均故障間隔時間和簽派可靠度兩大可靠性指標的預計方法，能夠在民用飛機設計階段對飛機各系統(tǒng)可靠性指標的定量預計提供借鑒和指導。

［1］GJB 451A-2005可靠性維修性保障性術(shù)語[Z].

［2］AC-121/135-49民用航空器主最低設備清單、最低設備清單的制定和批準[Z].

［3］MIL-HDBK-217F Reliability Prediction of Electronic Equipment[Z].

［4］RIAC-HDBK-217PLUS Reliability Prediction Models[Z].