飞机系统老龄化评估研究
[硕士论文] 陈磊 飞行器设计 中国民航大学 2009
摘要
1998年,美国联邦航空局与航空营运人、原始设备制造商联合发起老龄运输类飞机非结构系统研究计划,该计划中明确提出要加强对老龄运输机队系统性能的研究,建立系统安全评估模型。近年来,飞机系统老龄化及其对安全影响的研究一直是各国民航当局和航空营运人关注的焦点。我国对飞机系统老龄化的研究刚刚起步,目前,在评估理论和评估方法的研究中相对落后。
本文针对国内目前没有一套成熟的用于评估飞机系统老龄化的方法,通过研究近10年老龄机队系统性能评估方面的科研成果,结合中国民航实际情况,给出了一套以对数据分析为基础,科学性和动态性相结合的用于评估飞机系统老龄化的方法。该方法的建立对今后的相关研究工作具有指导作用。
在该评估方法的指导下,本文研究了不确定层次分析方法在评估飞机系统老龄化中的应用,基于MATLAB强大的运算功能,给出了一种改进的区间数互反判断矩阵权重求解方法,实践证明,该方法在小阶次区间数判断矩阵权重求解中更合理、有效。同时,建立了评估机队系统故障指数随飞行小时、飞行循环变化的模型,应用该模型对XX航空公司 B737·3 机队空调系统、电源系统、飞行操纵系统、液压系统、起落架系统和导航系统老龄化趋势进行研究,对系统老龄化严重章节提出具体解决方案。
关键词 老龄飞机,系统,不确定性,评估
第一章 绪论
1.1老龄飞机的概念及中国民航老龄机队状况分析
1.1.1设计服役目标
飞机设计服役目标(DesignserviceObjective,简称DSO)是在飞机设计和(或)合格审定时所确定的一段期限,在该时期内,飞机主结构不会出现重大开裂,这段期限通常以日历时间、飞行循环(起落)或飞行小时计算。飞机的设计服役目标不是一个固定的寿命,是与设计能力、水平和使用、维护情况相关的一个目标期望值,它可以通过结构的再评估和服役实践计划而延伸。现行运输类飞机的实际使用时间,也叫经济寿命,可以达到设计服役目标的巧倍。
1.1.2 老龄飞机的定义
目前,判定老龄飞机的指标主要有以下三个: 运营的日历时间、飞行小时、飞行循环,但在判定具体基准线上各国民航组织还没有形成统一而明确的定义。笔者认为对飞机是否老龄化的判定应从宏观和微观两个方面来分析,所谓宏观判定是指飞机运营的日历时间,例如,中国民航局将投入运行使用时间超过14年的民用航空器定义为老龄化飞机。然而,由于不同机型初始设计定位不同,例如用作中短程飞行的B737飞机其初始DSO分别为75 次和51M小时,而用作长程飞行的B747飞机其初始DSO分别为2-次和6-小时,因此,单独以飞行循环或飞行小时来判断飞机的老龄化是不科学的、不合理的,通常以任一目标先达到 75%DSO 来认定老龄飞机;另外,不同系统受飞行小时和飞行循环的影响不同,例如,起落架系统受飞行循环的影响更大,电源系统对飞行日历时间依赖更大,飞行控制系统则对飞行小时数更敏感,因此,对飞机老龄化的判定还要做到具体系统具体分析,这就是微观判定。
1.1.3中国民航老龄机队状况分析
截至2佣8年7月4日,中国民航在役飞机巧61架,其中机龄超过14年的老龄飞机共计311架,约占总数的20‰ 在某些特定机型老龄化情况严重。图1·1 给出了中国民航机龄超过 14年的各型飞机数量及占机队百分比,按各机型老龄飞机数量由大到小排序,从图中看出我国老龄飞机主要集中在Y5、B737·300 (分别为83架、54架)两种机型,其中 Y5、Y12、MD-82机队老龄化情况最为严重,老龄飞机占机队总数量分别己达到 %、61%和50%。图1·2 给出了各航空集团/公司机龄超过14年的飞机数量及占该航空集团/公司数量的百分比,从图中看出国航、南航、东航三大航空公司老龄飞机数量最多,分别己达到34架、27架和9架,中国货运航空公司 (中货航)飞机老龄化情况最为严重,老龄飞机己占到70‰ 这与该公司从事货运飞行有关。
图1一2 中国民航机龄超过14年的各运营人飞机数量
由于老龄飞机进行营运具有很大的利润空间,所以各航空公司很少退租或出卖老龄飞机,甚至购买或租赁老龄飞机进行营运,因此中国民航的飞机老龄化情况会日益严重。
1.2研究背景
飞机老龄化及其对安全影响的研究起始于1988年ALOHA事件之后,美国联邦航空局(FederalAviationAdministration,简称FAA)发起老龄飞机研究计划(NationalAgingAirplaneResearchPro 灬,简称NAARP)中包括结构修理评估、补充结构检查、广布疲劳损伤等问题,以飞机结构老龄化研究为主。
1996年环球航空8 号航班空难发生以来,飞机系统老龄化及其对安全的影响引起各国政府、航空工业部门、运输部门等的高度重视,白宫航空安全委员会提出将飞机老龄化的研究扩展到飞机系统部分。作为对此的回应,1998年FAA与航空营运人、原始设备制造商 (Or n EquipmentManufacturers,简称OEM)联合发起老龄运输类飞机非结构系统研究计划 (AgingTransport№nstructuralSystemsPlan,简称ATNSP),从飞机设计、常规检查、维护、修理四方面评估其对减缓飞机系统老龄化的作用,提出一切研究计划都要以对维修数据的分析和拆换件的评估为基础,ATNSP包括以下七项任务:
1、建立老龄运输类飞机系统监督委员会,同FAA协调老龄飞机系统的各种倡议;
2、对老龄运输机队系统性能进行深入研究,建立系统安全评估模型:
3、加强飞机的维护,更好地解决老龄飞机系统问题:
4、将老龄飞机系统的相关任务增加到NAARP中:
5、改善包括导线系统在内的老龄飞机系统故障/失效报告和维护行为;
6、评估是否需要对老龄飞机燃油箱导线进行额外维护,解决任何影响安全的状况;
7、改进导线的安装图和说明,提高老龄飞机的持续适航性。
ATNSP 将老龄机队,特别是系统老龄化情况严重的机队的状态监控,健康评估作为一项重要任务来抓: 认为应根据抽样调查的方式,采用建立评估模型、确定标准、制定计划、执行评估的步骤评估老龄机队系统健康状况;评估对象不仅包括机队中大机龄飞机,还应包括大修飞机、停场飞机和机龄较小的飞机。
为此,本论文结合飞机老龄化对系统性能的影响及对策研究课题,以xx航空公司波音737一300 〈以下简称B737一300)机队为研究背景,研究系统老龄化评估方法,建立系统老龄化评估模型,编制飞机系统老龄化评估软件,分析典型章节系统老龄化趋势并找到解决方案。
1.3研究现状
1.3.1国外研究现状
从1998年FAA启动ATNSP到今天,对飞机系统老龄化的研究己走过10个年头,在这十年中,国外各级政府机构、科研中心、专家、学者对飞机系统老龄化的实践和理论研究取得了丰硕的成果。
在政策和培训方面,1999 年 FAA 成立老龄飞机系统法制咨询委员会 (AgingTransportSystemRulemakmgAdvisoryCommittee,简称ATSRAC);制定了 8小时的“飞机布线法则”的培训,要求所有美国联邦航空局的工程师和检查员都必须接受培训,开展“飞机布线实践”的帮助,通过互联网提供给所有技术性团体: 发布了关于导线安装图要求的一项新政策。
在技术研发方面,完成导线分离要求的研究和维护工作对导线影响的研究;研制成功单相交流电弧故障断路器 (ArcFau1t CircuitBreakers,简称AFCB)并安装在商用飞机上完成数据收集;已完成导线的无损检测技术的研究。
同时,对老龄飞机系统健康状况的评估也在进行。目前,已完成 30 座的老龄飞机导线系统的评估。FAA和波音公司合作完成对5 架典型的老龄飞机的研究,包括 3架DC·10、1架 DC-9、1架B727飞机;重点研究了导线系统、防雷系统、飞行控制系统,研究结果表明这些飞机不需要停场维修,但需要改善检查和维修方式。2 2年12月,FAA工作组完成对1架退役的老龄B747飞机机械系统性能完成地面测试,研究报告中指出该机绝大部分系统都能完成维修手册中规定的功能,但自动飞行系统、导航系统、客舱增压系统和通讯系统存在一定问题。
在理论研究方面,2m7年6月,美国运输部 〈Department of 皿s tion,简称DOT)和FAA合作完成对老龄机械系统方法论(AgingMechanicalSystemsMethodology,简称AMSM)的研究。研究报告中指出,对老龄机械系统的研究要以对数据的研究为基础,研究数据应包括OEM数据、公共数据和航空公司数据,对数据收集、分析、整理是对数据评估的关键,同时指出研究的问题,相关数据的收集、分析,数据的评估和新问题提出这四方面应是一个有机的循环。
近年来,随着老龄飞机数据信息数量增长和种类的增多,对该数据信息的管理与传递越来越受到专家、学者的重视。2佣8年4月21 晊 日在凤凰城举行的第11届老龄飞机会议上,Benjamin等学者认为老龄飞机布线系统的数据信息在提供人与接受者间传递时存在很大漏洞,提出共同的飞机布线信息管理系统 (Common Aircraft Wiring lnformationManagementsystem,简称CAWIMS)的解决方案,并建议推广到飞机其它重要系统的数据信息管理当中。
1.3.2国内研究现状
对飞机系统老龄化的研究国内刚刚起步,可以看到的文献资料很少;对飞机系统性能方面的研究有一些文献可以借鉴。王莲花 、余国林[18]采用威布尔分布对飞机系统故障数据进行分析,拟合出系统使用时间与失效率的关系曲线;孙小宇卩9]研究了通过K-S检验确定飞机不同系统的寿命分布形式,并将研究做到了部件级: 童健 研究了故障对飞机的安全、经济的和使用性的影响,提出对飞机系统的评估研究,简单统计一个出勤可靠度和机组报告率的做法是不科学的,应对故障分类加权再做分析。
1.4研究意义
1.4.1对飞机持续适航性的影响
民用飞机的设计、制造、使用必须满足适航标准和规章。适航标准是为了保证实现民用飞机的适航性而制定的最低安全标准,属于国家法规,必须严格执行。民用飞机的适航管理可分为初始适航和持续适航两大类,初始适航管理是对设计、制造部门的控制,持续适航管理是对使用、维修部门的控制。
老龄飞机是运输类飞机的故障多发群体,针对老龄飞机的维修,安全与可靠是民航运输首先考虑的因素,ATNSP 中明确提出了要加强老龄飞机的持续适航性。因此,对老龄飞机系统性能的研究,直接、客观、准确地对老龄飞机系统的技术状况进行监控并对其健康状况予以评估,推断老龄飞机中存在的具体问题,并及时采取有针对性的措施对加强老龄飞机的持续适航性具有重要意义。
1.4.2对飞机安全运行的影响
FAA对1959·1996年世界空难原因调查结果表明,与飞机系统有关的原因占到事故原因的30%。另据国家民航总局提供的统计资料: 中国民航近20年平均重大事故率是世界平均重大事故率(1 百万起落)的2·2倍,是航空发达国家平均水平的(0·74 百万起落)的4,9倍: 近10年平均重大事故率是世界平均重大事故率(1,45次/百万起落)的1.7倍,是航空发达国家(0·557次/百万起落)的4·4倍。老龄飞机更是这些重大事故的高发群体。
可见,开展对飞机系统老龄化的研究,提高对老龄飞机系统故障规律的认识,真正做到以预防为主、防范安全风险于未然,是保证老龄飞机安全运行的重要手段。
1.4.3 对航空公司经济效益的影响
经济性已成为民用飞机使用时的综合指标,民用运输类飞机的实际服役时间由它的经济性决定,航空公司用于飞机维修的直接和间接费用己经占到运营总成本的近15%,其重要性越来越为人们所重视。
相关资料表明,当飞机进入老龄期后,虽然机体的维修成本将每年增加 5%左右。但是,由于老龄飞机的折旧费或租赁费己基本付清,老龄飞机较新型飞机的经济性仍然更好一些。因此,研究老龄飞机系统性能,深化对老龄飞机系统故障规律的认识,对节约老龄飞机的维修成本,延长飞机的经济寿命,提高航空公司的经济效益具有重要意义。
1.5本文主要工作
本论文各章节主要研究工作如下:
第二章,介绍了民用航空器维修管理的相关知识,对故障的定义、分类、维修和维修性进行了研究,并详细阐述了维修大纲、维修计划文件和维修方案三者之间的关系。
第三章,针对国内目前没有一套成熟的评估方法用于研究飞机系统老龄化问题,笔者通过研究近10年ATNSP对老龄机队系统性能评估的科研成果,结合中国民航实际情况,提出一套以对数据分析为基础,科学性和动态性相结合用于评估飞机系统老龄化的方法,该方法的建立对今后的相关研究工作具有指导作用。
第四章,研究了不确定层次分析方法在评估飞机系统老龄化上的应用,基于MATLAB 强大的运算功能,提出一种改进的区间数互反判断矩阵权重求解方法,该方法在小阶次区间数判断矩阵权重求解中更合理、有效。同时,建立机队系统故障指数随飞行小时的飞机系统老龄化评价模型,该模型的建立为研究老龄机队系统健康状况与机队飞行小时和飞行循环的关系提供了方便,也为研究中综合飞机定检维修因素提供了可能。
第五章,对 xx航空公司B737·300机队初始可靠性数据进行研究,提出数据收集过程中要验证数据的真实性、完整性和逻辑性,并挖掘数据深层信息。第六章,编制老龄飞机系统性能评价系统,应用该系统对 航空公司 B737·机队空调系统、电源系统、飞行操纵系统、液压系统、起落架系统和导航系统老龄化趋势进行评估,并对老龄化严重系统提出解决方案。
第二章民用航空器维修管理
2.1前言
随着航空器的使用,航空器的可靠性、技术状态会发生客观的不以人们的意志为转移的变化;另一方面,航空器的营运必须是有计划的,也就是必须事先主观规划航空器航班飞行、维护、技术、诊断、修理、待飞等各种使用状态,并按照可能的方式随时间连续更替。航空器技术状态的客观的变化过程与航空器各种状态的主观的使用过程构成了民用航空维修最基本的矛盾运行形式,这种矛盾运行形势的本质即故障与维修。
2.2故障与维修
故障是航空器技术状态变化的集中表现形式,维修是保证航空器良好技术状态,满足各种使用状态要求的方式和手段,故障和维修是航空维修这对基本矛盾中的核心要素:故障、维修以及由它们构成的民用航空维修的基本矛盾从根本上影响了航空器的持续适航性、航班飞行的正常性以及运行的经济性。
2.2.1故障的定义
所谓故障是指在空中飞行或地面停放的飞机,由于状态受到外部因素或内部因素的影响而发生变化,偏离规定的条件或技术状况的一种状态。故障需从以下三方面理解:
(1)机件的功能
机件的故障与其功能之间,有着直接的联系,在研究一个机件或系统的功能时,往往发现它的功能是由许多能力组合而成的,重要的是要把机件的功能全部列出来,因为只有列出这些功能之后,才能给出机件故障的明确定义。
(2)结构层次
在可靠性设计关系中,零部件的故障不一定会造成分系统或系统的故障;局部功能与全体功能之间的关联情况不同,故障的影响及其带来的后果也不同。定义机件的故障前必须弄清楚这个机件的级别,是系统级,还是构成该系统的分系统级,或者属于更低层次。一般地说,在功能密切关联的情况下,下级机件的故障往往是构成上级机件的故障原因;层次越高的机件的故障,其危害也越大。
(3)使用范围
飞机及其机件的使用范围不同,其技术状况合格与不合格的标准也会不同,对故障判断必须要以确定机件的使用部门和使用环境为前提。
2.2.2 故障的分类
(1)功能故障和潜在故障功能故障指一个机件或包含这个机件的装备不能完成规定功能的状况,我国把可修产品的功能故障称为故障,把不可修产品的功能故障称为失效。
潜在故障是一种指示功能故障即将发生的可以鉴别的实际状况,通过对这种实际状况的识别,可以在功能故障发生之前,将机件拆换掉或进行修理,以保障装备的正常运转。对潜在故障的识别,不仅能避免功能故障带来的后果,而且还能充分地利用机件的寿命,提高预防维修的经济效益。
识别机件的功能故障或者潜在故障的能力取决于三个因素:清楚地定义机件所在的装备及使用条件下完成的有关功能,清楚地定义构成每一种功能故障的状况,清楚地定义指示该故障即将来临的状况。
(2)渐发性故障和突发性故障渐发性故障是由各种使机件初始参数退化的损耗过程的发展而产生的,它是一种发展速率较慢的故障。其主要特征是在给定的时间间隔内,机件发生故障的概率与机件已经工作的时间有关,若机件已经使用的时间越长,那么在以后使用时间间隔内发生故障的概率越大。
突发性故障是指突然发生,事前没有任何可见先兆的故障。当各种不利因素和偶然的外界影响共同作用下,超出机件所能承受的限度,突发性故障便会产生。突发性故障的主要特征是在给定的时间间隔内,发生故障的概率与机件己使用时间无关。
2.2.3 维修与维修性
航空工业中的维修是航空运输技术使用系统中的一个职能。技术使用包括两部分,一是地面的工作,即维护和修理,维护工作主要是由民航企业的一般航站和其他航站负责,修理工作主要是指由各级航空修理工厂负责;另一是空中的工作,主要指整个空勤组对飞机及其各种机载设备的使用,最优工作状态的选择,以及监控、诊断等维修手段的使用等。
维修性指机械设备在规定的条件下,规定的时间内,按规定的程序和方法进行维修时保持或恢复到规定状态的能力。所谓规定的条件,是指选定了合理的维修方式,准备了维修用的测试仪器及装备和相应的备件、标准、技术资料,由一定技术水平和良好劳动情绪的维修人员进行操作;所谓规定的时间,是指机械设备从寻找、识别故障开始,直至检查、拆卸、清洗、修理或更换、安装、调试、验收,最后达到完全恢复正常功能为止的全部时间。
维修与维修性是两个不同的概念,维修是指维护或修理进行的一切活动,包括保养、修理、改装、翻修、检查等。维修性是指机械设备在维修方面具有的特性或能力,反映发生故障后进行维修的难易程度,是维修需要付出的工作量大小、人员多少、费用高低以及维修设施先进或落后的综合体现;是由设计、制造等因素决定的一种固有属性。
2.3 维修大纲与维修方案
民用航空器营运的一生就是故障与维修的一生,发展民用航空器维修工程对保证民用航空器的持续适航性具有重要意义。因此,当新型民用飞机投入使用时,航空公司必须要有一个经适航当局批准的维修纲领性文件,即维修大纲,并且依据此维修大纲结合本单位的具体情况制定出维修方案,选择适宜的维修工作组合和计划。
2.3.1维修大纲维修大纲即新设计的型号飞机在其型号合格审定时,由适航部门批准的维修审查委员会报告(Maintenance Review Board Report,简称MRBR),MRBR规定了该型号飞机持续适航的最低维修要求。
一个适宜的维修大纲,能够使飞机保持固有的安全性和可靠性水平;能够在飞机性能恶化时将其安全性和可靠性水平恢复到固有水平;能够对失去固有安全性和可靠性的项目,提出改进或重新设计的要求;能够以最低的维修费用达到保持飞机固有的安全性和可靠性的目的。
23.2维修方案维修方案是民用航空承运人或飞机用户根据飞机构型、运行环境和维修经验,按照航空器维修大纲、适航和运行规章要求及制造厂建议而制定的计划维修检查要求。维修方案包括:一般性检查、定期检查、非定期维修、翻修或结构检查等。
从图2-1中可以看出,维修大纲是编制维修方案的基础性文件,其中维修计划文件(Maintenance Plan Document,简称MPD)是厂家推荐给承运人或用户的维修方案,不同厂家的维修计划文件格式可能不同。维修方案不要局方批准,对于承运人或用户来说也不是需要强制执行的文件,但依厂家推荐的维修计划文件编制的维修方案更易于被局方接受并批准,所以实际上编制维修方案时通常采用维修计划文件。
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