民机起落架安全性分析方法研究

冯蕴雯, 朱铮铮, 姚雄华, 马万琪, 薛小锋

1.西北工业大学 航空学院, 陕西 西安 710072 2.中国航空工业集团公司 第一飞机设计研究院, 陕西 西安 710089

民机起落架安全性分析方法研究

冯蕴雯1, 朱铮铮1, 姚雄华2, 马万琪1, 薛小锋1

1.西北工业大学 航空学院, 陕西 西安 710072 2.中国航空工业集团公司 第一飞机设计研究院, 陕西 西安 710089

以满足民机起落架全寿命周期的安全使用为目标，结合结构、机构、系统可靠性理论，提出了一套完整的民机起落架安全性分析方法。以某型民机前起落架不能放下或放下未锁定故障模式为例，进行了安全性分析，当分析结果不满足安全性指标要求时，则需通过安全性灵敏度分析，开展民机起落架的安全性设计改进。该分析方法适用于飞机设计全过程，可指导起落架设计优化，并可为民机适航取证提供技术支持。

起落架；失效模式；可靠性分析；风险分析；安全性工程

统计资料显示，现代民机飞行事故或事故症候大多发生在飞机的起飞与着陆阶段，这也同时表明了民机起落架在民机安全使用中的重要性越来越高。

起落架的设计工作均需在保证起落架安全性的前提下开展[1-3]。目前，针对起落架的设计研究主要集中在局部的结构、机构、系统可靠性及对起落架可靠性计算过程中算法的改进等方面。如文献[4-5]对飞机前起落架液压收放作动筒缸筒、活塞杆末端的失效形式进行了分析，并给出了优化建议；文献[6]考虑飞机飞行过程中起落架应急放机构所承受的各种载荷对工作可靠性的影响，并开展了可靠性计算及影响性分析；文献[7]给出了飞机起落架收放锁系统的失效模式影响性分析和失效树分析，并探讨了如何确保飞机起落架收放锁系统的可靠性；文献[8]为了提高飞机起落架控制系统的安全性能，提出了基于马尔科夫模型的起落架控制系统可靠性评估方法。但是从起落架全寿命的安全性设计要求出发，对起落架系统进行分析、设计及优化的研究却十分少见。鉴于起落架的安全性直接影响到飞机飞行安全。本文从民机起落架设计要求、适航条款规定、事故统计等多方面展开相应的研究工作，结合常用的可靠性分析方法，提出了一套完整的民机起落架系统安全性分析方法，可为民机起落架综合优化与安全性设计提供技术支持。

1 民机起落架安全性指标的确定

1.1 主要故障模式及安全性影响分析

民机起落架的故障模式与其所需要完成的功能直接相关。收集了近20年因起落架故障导致的民机飞行事故[9-10]共计412起。按飞机机型分类统计如下：波音B7XX系列135起、空客系列65起、麦道系列43起、福克系列22起、庞巴迪系列22起、ERJ系列12起、图系列7起、其他机型106起。不同故障模式导致的事故等级[11]详细统计结果如表1所示。

从统计结果可看出，起落架不能放下引起的Ⅰ、Ⅱ类事故较多，因此需重点防范；爆胎和坍塌主要导致Ⅱ类事故，占总的Ⅱ类事故的57%，也是起落架安全性分析研究的重点。

表1 民机起落架不同故障模式导致的事故等级分布情况

1.2 安全性指标的确定

中国民用航空规章CCAR25-R4[12]中对起落架的设计做出了明确的规定和要求，例如：§25.1309a.b.c.d对起落架系统进行了说明；§25.729b.c.d.e对起落架收放机构做了说明；§25.731、25.733对起落架机轮和轮胎做了说明。由于起落架系统复杂，适航条款的规定较多，以起落架收放机构失效的主要故障模式、故障等级及其指标要求为例进行说明，具体情况如表2所示。(备注：适航条款是民机设计过程中需满足的最低标准)

表2 民机起落架收放机构主要故障模式及安全性指标要求

2 民机起落架安全性分析设计方法

2.1 民机起落架安全性分析

民机起落架安全性分析是在确定起落架主要故障模式、故障等级及对应的安全性指标基础上展开的分析研究工作，主要内容包括：

1) 根据起落架设计指导性文件，进行系统的功能危险性分析(FHA)。在分析起落架工作原理的基础上，结合FHA分析得到的起落架系统灾难性、危险性及较大影响的主要故障模式，确定故障树所需要的顶事件；

2) 对不同的故障模式、故障等级和指标开展不同的工作，例如：对故障等级为Ⅰ和Ⅱ的，需开展故障模式影响性分析(FMEA)、故障树分析(FTA)及共因故障分析(CCA)方面的工作，其中CCA主要包含区域安全性分析(ZSA)、特定风险分析(PRA)和共模故障分析(CMA)；对故障等级为Ⅲ的，只需开展故障模式影响性分析(FMEA)和故障树分析(FTA)；

3) 将计算的失效概率与安全性指标进行对比。若满足指标要求，则无需调整；如不满足指标要求，则需开展参数灵敏度分析，确定对失效概率影响较大的参数并进行调整，直到满足安全性指标要求。

2.2 民机起落架可靠性模型的构建和求解方法

可靠性模型的建立，需根据不同底事件的特点，建立对应的可靠性分析模型。可靠性模型的建立主要包含参数的分布形式、参数的确定、可靠性安全边界方程的建立、可靠性计算方法的选用等工作。

进行可靠性模型求解计算的同时，还需分类分析影响起落架可靠性安全边界方程所涉及的各个参数及其分散性大小，确定各参数及分散性大小对起落架可靠性的影响程度，即进行可靠性灵敏度分析(主要进行局部灵敏度分析)，指出哪些参数变化导致可靠性急剧下降，并给出倾向性改进建议。

3 算 例

本文以某型民机前起落架不能放下或放下未锁定典型故障模式为例，开展起落架安全性分析研究。某型民机前起落架主要结构示意图如图1所示。具体分析过程如下：

图1 某型民机前起落架主要结构示意图

3.1 民机前起落架不能放下或放下未锁定FHA分析

起落架收放系统主要完成的功能为：在飞行中按要求收起和放下起落架。对某型民机起落架收放系统进行FHA分析，其主要功能故障形式包含：a.起落架收起功能失效；b.起落架放下功能失效；c.起落架非指令收起；d.起落架非指令放下。现将起落架收放系统FHA中关于前起落架不能放下或放下未锁定的FHA分析结果汇总在表3中。

3.2 民机前起落架不能放下或放下未锁定FMEA分析

为实现民机前起落架的正常放下或放下锁定功能，对该前起落系统功能进行分析。限于篇幅，现将前起落架不能放下或放下未锁定部分零组件FMEA分析结果汇总如表4所示。

表3 起落架收放系统中关于前起落架不能放下或放下未锁定的FHA分析表

(备注：F4——进场；L——着陆)

表4 前起落架不能放下或放下未锁定部分零组件FMEA分析结果

3.3 民机前起落架不能放下或放下未锁定定性FTA分析

根据前述故障原因，假设各底事件相互独立，可以建立某型民机前起落架不能放下或放下未锁定故障树如图2和图3所示。

对故障树进行定性分析，可以得到前起落架不能放下或放下未锁定的全部最小割集

K1={X1}; K2={X2}; K3={X3}; K4={X4};

K5={X5,X10};K6={X5,X11};K7={X5,X12};

K8={X5,X13};K9={X5,X14};K10={X6,X10};

K11={X6,X11};K12={X6,X12};K13={X6,X13};

K14={X6,X14};K15={X7,X10};K16={X7,X11};

K17={X7,X12};K18={X7,X13};K19={X7,X14};

K20={X8,X10};K21={X8,X11};K22={X8,X12};

K23={X8,X13};K24={X8,X14};K25={X9,X10};

K26={X9,X11};K27={X9,X12};K28={X9,X13};

K29={X9,X14};K30={X15};K31={X16};

K32={X17};K33={X18};K34={X19};

K35={X20};K36={X21};K37={X22};

K38={X23};K39={X24};K40={X25};

K41={X26};K42={X27};K43={X28};

K44={X29};K45={X30};

K46={X31};K47={X32}

假设顶事件、底事件及最小割集的概率分别表示为PT2、PXi、…、PKi。由最小割集可知,顶事件发生的概率为最小割集之和,即

图2 某型民机起落架不能放下或放下未锁定故障树(1)

图3 某型民机起落架不能放下或放下未锁定故障树(2)

3.4 民机前起落架不能放下或放下未锁定定量FTA分析

为了获得各底事件准确的失效概率,针对不同的失效情况,需建立合适的可靠性模型、确定模型参数(均值、方差、系数等)、分布形式,最后采用合理的可靠性求解方法,进行求解。需要说明的是:电机、控制单元(单片机)等成品件由供应商提供产品的失效概率。该型民机前起落架不能放下或放下未锁定底事件典型可靠性模型如表5所示。

表5 某型民机前起落架不能放下或放下未锁定底事件典型可靠性模型说明

因篇幅有限,本文以前起落架下位锁上锁不到位为例给出详细的求解过程。下位锁机构由锁摇臂、锁连杆和前撑杆上臂组成一套四连杆机构。下位锁上锁原理是摇臂和连杆过中心形成自锁。当起落架下位锁需要上锁时,锁摇臂必须通过中心位置(图4中位置B),下位锁才能上锁成功。由机构运动精度可靠性模型可知,θ0>0 时表示该机构满足运动精度要求;θ0<0时表示该机构不满足运动精度要求,则有:

机构运动精度失效概率为

Pf=P{θ0=θ-θ*<0}=φ(-βθ)

(1)

机构运动精度可靠性系数为

(2)

图4 起落架收起和放下机构运动形式

由数模可得实际尺寸如表6所示。

代入三角形余弦公式,运用蒙特卡罗法计算得到θ的均值为172.757°,标准差Sθ为0.0499°,由模型可知θ*的均值为180°,标准差Sθ*取0.2°。

表6 模型实际尺寸和标准差

将所求结果代入公式(1)、(2)可得起落架放不到位的失效概率为:PX4=5.02×10-22。

同样,其他底事件的失效概率,可应用表4中所述的可靠性模型和求解方法进行计算,所有底事件计算结果汇总如表7所示。

表7 全部底事件失效概率汇总

由于各底事件与顶事件通过逻辑门连接,将底事件失效概率代入最小割集,可求得前起落架不能放下或放下未锁定的失效概率为

3.5 民机前起落架不能放下或放下未锁定CCA分析

ZSA分析方面，该前起落架所在区域内无影响其工作的相关危险源，可确保飞机前起落架的正常工作。PRA分析方面，前起落架主要包含机械系统、辅助电子指示系统和液压系统，所在区域远离可能的火源、高能设备等因素的影响，因此，这些因素很难造成前起落架不能放下或放下未锁定的事故。CMC分析方面，该前起落架不能放下或放下未锁定故障树中“前起落架上位锁应急解锁失效”和“上位锁正常解锁失效”之间存在“与门”关系。这2个事件的共模故障来源，主要考虑共同的结构传力路线和电子路线，由于应急解锁机构和正常解锁机构分别由机械和液压系统完成，2个事件之间相互独立，所以由共模类型引起的事件不会导致前起落架不能放下或者放下未锁定。

综合以上分析，该前起落架故障模式发生概率不大于所要求的前起落架不能放下或放下未锁定可靠性指标10-7/飞行小时，计算结果符合安全性指标要求，因此无需开展可靠性灵敏度分析。

4 结 论

1)本文以民机起落架为研究对象，以结构、机构及系统可靠性分析方法为基础，以满足起落架安全性指标要求为目标，形成了一套民机起落架安全性分析方法，该方法可用于指导民机起落架机构的优化设计，并能为民机适航取证提供技术支持；

2)可靠性模型的建立和求解方法的选择，是定量计算故障模式失效概率的关键因素。必须基于合理的基本数据，建立易于求解的可靠性模型，同时根据设计经验、工程实践等方式选择合适的可靠性解析方法。在安全性建模分析过程中，对于不能精确求解的底事件，工程经验和试验数据就显得尤为重要，需充分利用设计参数的统计数据或工程经验；

3)以某型民机起落架不能放下或放下未锁定故障模式为例，进行了具体的安全性分析，得到该故障模式下发生失效的概率，计算结果满足相应的安全性指标要求，验证了该方法的可行性。

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收稿日期：2016-04-18 基金项目：国家自然科学基金(11402208)与中央高校基本科研业务费专项资金项目(310201401JCQ01002)资助

作者简介：付鹏(1989—)，西北工业大学博士研究生，主要从事微小型飞行器总体设计、风洞实验研究。

An Effective Safety Analysis Method of Civil Aircraft Landing Gear

Feng Yunwen1, Zhu Zhengzheng1, Yao Xionghua2, Ma Wanqi1, Xue Xiaofeng1

1.School of Aeronautics, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710072, China 2.The First Aircraft Institute, Aviation Industry Corporation of Chain, Xi′an 710089, China

The goal of this paper is to meet the safe use of the whole life cycle of civil aircraft landing gear. Based on the theory of structure, mechanism and system reliability, a complete analysis method of safety of civil aircraft landing gear is given. Taking the nose landing gear failure to extend and down-lock as an example, the safety analysis is performed. When the results do not meet the requirements of the safety indicators, improved safety design of civil aircraft landing gear need to be made using sensitivity analysis. This method is application to the whole process of aircraft design. The method can guide the optimal design of landing gear and provide support for airworthiness.

landing gear; failure modes; reliability analysis; risk analysis; safety engineering

2016-06-18

国家自然科学基金(10577015)与民用飞机专项科研技术研究项目(MJZ-2014-F-06)资助

冯蕴雯(1968—)，女，西北工业大学教授、博士生导师，主要从事飞机结构安全性及可靠性研究。

V226

A

1000-2758(2016)06-0969-07