1 概述

可靠性是決定直升機效能的重要因素，亦是直升機質量的重要內涵，已經成為直升機發展中引人注目的關鍵問題。直升機不但要性能優越，而且要壽命長、故障少，使其具有較高的效能及較低的壽命周期費用，以獲取最佳的效費比。

可靠性技術是與國民經濟及國防科技密切相關的學科，世界各發達國家均對此予以高度重視。通過可靠性技術在直升機領域中的開展和應用，在民用產品與武器裝備的研制中都獲取了巨大效益。可靠性設計與分析就是要在直升機性能、可靠性、費用等各方面的要求之間綜合權衡，從而得到產品的最優設計，其主要工作項目有可靠性建模、可靠性分配、可靠性預計、故障模式及影響分析、故障樹分析及可靠性設計準則等。

2 可靠性模型

可靠性模型是指系統的可靠性框圖及其數學模型，它是進行可靠性預計與分配的基礎。可靠性框圖表示系統中各部分之間的可靠性邏輯關系，建立各級產品可靠性模型的目的是估算、評價產品的可靠性，定量計算系統可靠性指標。基本可靠性模型一般為串聯模型，串聯模型是指組成系統的所有單元中任一發生故障都會導致整個系統故障。串聯模型的可靠性框圖為：

數學模型為：

式中

——系統的可靠度

——第i個單元的可靠度

若各單元的壽命分布為指數分布，即

則

——系統的故障率 系統的平均無故障時間為：

可見串聯系統中各單元的壽命為指數分布時，系統的壽命也服從指數分布。

3 可靠性分配 3.1 目的及方法

可靠性分配，就是根據任務書中規定的系統可靠性指標，制定出各分系統或元器件的可靠性指標，使設計人員明確其設計要求，并研究實現其要求的可能性及辦法。

要進行可靠性分配，必須首先明確設計目標與限制條件。隨著目標及限制條件不同，可靠性分配方法也不同，一般分為等分法、比例組合法和評分分配法等。等分法是最簡單的可靠性分配方法，它分配給各分系統的可靠性指標都相等；比例組合法是新系統與老系統非常相似，各分系統的類型相同，只是對新系統提出了新的可靠性要求，

那么可以采用比例組合法給新系統的各分系統分配故障率；評分分配法是根據可靠性工程師的實踐知識和經驗，由工程師小組用表決的方法給出。這種方法是按照幾種因素進行“評分”，給每個分系統分配可靠性指標。

3.2 基本假設

在評分分配法等可靠性分配方法中，進行系統可靠性分配時，為了使問題簡化，一般作三點假設：

1）組成系統的各分系統、設備及元器件的故障是獨立的。

2）組成系統的各分系統、設備及元器件的故障率λ都是常數，即假設它們的壽命均服從指數分布。

3）系統是由各分系統串聯組成的。也就是說系統的可靠度為各分系統可靠度Ri的乘積，即

其中，i=1，2，……n——分系統數。

由于上述假設，系統的故障率為各分系統故障率λi之和，即

其中，i=1，2，……n——分系統數。

3.3 評分因素

1）復雜度——它是根據組成分系統的元器件數及其組裝難易程度來評定。最簡單的評1分，最復雜的評10分。

2）技術發展水平——根據分系統目前的技術水平和成熟程度，來評定。水平最低的評10分，水平最高的評1分。

3）工作時間——根據分系統工作的時間來評定。系統工作時，分系統一直工作的評10分，工作時間最短的評1分。

4）環境條件——根據分系統所處的環境來評定。分系統工作過程中會經受極其惡劣而嚴酷的環境條件的評10分，環境條件最好的評1分。

3.4 計算公式

分配給每個分系統的故障率

為

式中 Ci——第i個分系統的評分系數

——系統規定的故障率指標

Ci =

式中

——第i個分系統的評分數

ω——系統的評分數

式中

——第i個分系統，第j個因素的評分數

j=1代表復雜度 j=2 代表技術發展水平 j=3 代表工作時間

j=4 代表環境條件

式中 i=1，2，……n——分系統數。

4 可靠性預計

可靠性預計是根據組成系統的元件、部件及分系統的可靠性預測系統的可靠性。這是一個由局部到整體，由大到小，由下到上的綜合過程。它是在設計階段對可靠性進行的定量評估，審查是否能達到要求的可靠性指標。方案論證階段，通過可靠性預計，比較不同方案的可靠性水平，為最優方案的選擇提供依據。設計階段，通過可靠性預計，發現影響可靠性的主要因素，找出薄弱環節，采取設計措施，提高系統的可靠性。可靠性預計方法一般有相似產品法、評分預計法、應力分析法

等。相似產品法是利用現用產品的可靠性數據，通過把設計中的新產品與現用相似產品進行比較，來確定新產品的可靠性。

可靠性評分預計法假設組成系統的各分系統、設備及元器件的故障是獨立的，且其壽命均服從指數分布。評分預計法評分因素主要考慮四種，即復雜度、技術發展水平、工作時間、環境條件，評分數為1～10分。系統的故障率為λS

式中

——第i個分系統的評分系數 ——已知第i個分系統故障率

式中

——第i個分系統的評分數

ω——系統的評分數

式中

——第i個分系統，第j個因素的評分數

j=1代表復雜度

j=2 代表技術發展水平

j=3 代表工作時間

j=4 代表環境條件

式中 i=1，2，……n—分系統數。

5 故障模式及影響分析（FMEA）

故障模式及影響分析的目的是為了研究產品故障對系統工作所產生的后果或影響，將每一可能的故障模式按其嚴酷度進行分類，并采取必要的糾正措施。

初步設計階段就應該進行FMEA，填寫FMEA表（見表1），以便對設計方案進行評定，對多個方案的優缺點進行比較。設計階段系統地分析零件、元器件、設備所有的故障模式、故障原因及后果，以便發現設計、生產中的薄弱環節，確定單點故障，加以改進。隨著設計工作的進展，應重新進行FMEA，并充分考慮設計更改部分的所有潛在故障模式。

FMEA的基本方法包括硬件法和功能法，對復雜系統進行分析時，可以將功能法和硬件法綜合利用。硬件法是列出各個硬件產品，并對他們可能出現的故障模式加以分析。功能法認為每個產品用于完成多個功能，應列出各個輸出功能，并對其進行分析。

為了度量其潛在影響，應對每一潛在故障模式進行嚴酷度分類。嚴酷度一般分為以下四類。 Ⅰ類（災難的）——引起人員死亡或飛機毀壞；

Ⅱ類（致命的或危險的）——引起人員嚴重傷害，重大經濟損失或任務失敗； Ⅲ類（臨界的）——引起人員輕微傷害、一般經濟損失、任務延誤或降級；

Ⅳ類（輕度的）——不會導致人員傷害及一定程度的經濟損失，但會導致非計劃維修。

6 故障樹分析（FTA） 6.1 故障樹建樹步驟與方法

?

建樹一般可按以下步驟進行：

表1 故障模式及影響分析表格

初始約定層次 任務 審核 第 頁共 頁 約定層次 分析人員 批準 填表日期

? 廣泛收集并分析有關技術資料； ? 選擇頂事件； ? 建立故障樹； ? 故障樹的簡化。

建樹的一般方法為先寫出頂事件表示符號作為第一行，在其下面并列寫出導致頂事件發生的直接原因，人為因素作為第二行，把它們用相應的符號表示出來，并用適合它們之間邏輯關系的邏輯門與頂事件相連接。如果還要分析導致這些故障發生的原因，則把導致第二行故障事件（稱為中間事件）發生的直接原因作為第三行，用適當的邏輯門與第二行的故障事件相連接。按照這個線索步步深入，一直追溯到引起系統發生故障的全部原因，或其概率分布都已知不需要繼續分析為止（稱為底事件）。這樣就建成一顆以頂事件為“根”，中間事件為“節”，底事件為“樹葉”的具有n級的倒置故障樹（fault Tree簡稱FT）。

6.2 符號說明

1）基本事件

基本事件是故障樹分析中無需探明其發生原因的事件。基本事件用圖（a）的圓形符號表示。 2）未探明事件

未探明事件是應進一步探明其原因但暫時不必或不能探；基本事件、未探明事件都稱作底事件；（a）基本事件（b）未探明事件；(c)頂事件或中間事件；3）頂事件；頂事件是故障樹分析中所關心的結果事件；4）與門；與門表示僅當所有輸入事件發生時，輸出事件才發生；或門表示至少一個輸入事件時，輸出事件就發生；（d）與門；(e)或門；(f)禁門；6)禁門；禁門表示僅當條件事件發

  

 

未探明事件是應進一步探明其原因但暫時不必或不能探明其原因的事件。未探明事件用圖（b）的菱形符號表示。

基本事件、未探明事件都稱作底事件。

（a）基本事件 （b）未探明事件

(c) 頂事件或中間事件

3）頂事件

頂事件是故障樹分析中所關心的結果事件。頂事件位于故障樹的頂端，討論的是故障樹中邏輯門的輸出事件而不是輸入事件。頂事件用圖（C）的矩形符號表示。

4）與門

與門表示僅當所有輸入事件發生時，輸出事件才發生。與門符號如圖（d）。 5）或門

或門表示至少一個輸入事件時，輸出事件就發生。或門符號如圖（e）。

（d）與門

(e)或門

(f)禁門

6) 禁門

禁門表示僅當條件事件發生時，輸入事件發生才導致輸出事件發生。禁門的符號如圖（f）。 7）子樹轉移

將樹的一個完整部分（子樹）轉移到另一處復用，用記號A作標記，轉移符號如圖（g）。

（g）子樹轉移

6.3 故障樹定性分析

割集是故障樹的若干底事件的集合，如果這些底事件都發生，頂事件發生。最小割集是底事件

的數目不能再減少的割集，即在最小割集中任意去掉一個底事件之后，剩下的底事件集合就不是割集。一個最小的割集代表引起故障樹頂事件發生的一種故障模式。

計算法的要點是利用“與門”直接增加割集的容量，“或門”增加割集的數目這一性質。這種算法是沿故障樹自上往下進行，即從頂事件開始，順次將上排事件置換為下排事件。遇到與門將門的輸入橫向并列寫出，遇到或門將門的輸入豎向串列寫出，直到全部門都置換為底事件為止。這樣得到割集，再用集合運算規則加以簡化、吸收，方能得到全部最小割集。以圖1故障樹為例，求割集和最小割集。下表是這一過程（見表2）。

由表可以得到9個割集：｛x1｝ , ｛x4，x6 ｝, ｛x4,x7 ｝, ｛ x5,x6 ｝, ｛x5,x7｝, ｛x3｝, ｛x6｝, ｛x8｝, ｛x2｝。

將割集由小到大排列后，把這些數依次相除，若能整除就不是最小割集，可以剔掉。最后剩下的數都不能相互整除。與之對應的就是最小割集。上例對應的最小割集為｛x1｝，｛x4,x7｝,｛x5,x7｝,｛x3｝, ｛x6｝,｛x8｝,｛x2｝。

研究最小割集就可以發現系統的最薄弱環節，集中力量解決這些薄弱環節，可以提高系統的可靠性。對于最終設計的產品，可由定性分析結果確定產品頂事件的故障模式、監測裝置最佳配置，指導故障診斷和使用維修方案的制定，還可為后勤保障、管理人員提供指導。

表2 故障樹割集求解過程

7 可靠性設計準則

為了將產品的可靠性要求和約束條件轉換為產品的可靠性設計細則，應根據產品的類型、特點、任務及其他約束條件，將通用的標準、規范進行剪裁，同時加入現有產品研制的豐富經驗，形成產品專用的可靠性設計準則。經審查和總師系統批準頒發后，供廣大設計人員對照執行。可靠性設計準則不僅是產品設計的依據，也是可靠性評審的重要依據，某型機可靠性設計準則的一般要求如下：

1) 對直升機可靠性指標進行合理的分配，確定系統及設備等的可靠性要求； 2) 在進行設計工作的同時進行“故障模式、影響分析”；

3）設計中各系統、設備之間的接口密切協調，確保接口的可靠性；

4) 在滿足技術要求的前提下盡量簡化設計方案，盡量減少零部件、元器件等的規格、品種和數量；

5) 盡量實施標準化、統一化設計；采用標準的零部件、元器件、材料等； 6) 設計中若采用新的技術、新工藝、新材料、新元器件時，必須經驗證合格； 7) 導管卡箍的相鄰間隔及卡箍與固定件的間隙符合系統管路安裝要求； 8) 設計中要采取防靜電措施，要把雷擊造成損傷的可能性減到最小程度；

9) 對有減振要求的設備要具有減振裝置，在安裝時與直升機周圍結構要留有足夠的間隙。

8 結束語

綜上所述，在直升機研制工作中，根據規定的可靠性指標全面開展可靠性設計與分析工作是十分必要的，既能保證直升機的研制質量與可靠性水平，避免設計反復，又能為直升機的使用奠定良好可靠性基礎。

經哈飛多年來幾代人的不懈努力， 各型號直升機在具備了良好安全性基礎上又具有了更高的可靠性，但機型設計定型工作的完成并不意味著可靠性工作的結束，而應是更深入工作的開始。