针对实验室高温试验系统复杂安全隐患多，故障不易排除的问题，本文采用故障树分析法（FTA）结合高温试验系统故障事件构建了总分式故障树模型，获得了影响试验系统安全运行的主要因素及关键设备，通过确定最小割集对试验系统可靠性进行了定性分析，并给出了试验系统安全的定量分析方法，对实验室高温试验系统的维护和可靠运行具有指导意义。

 

飞机实验室高温试验是以一架可飞行的全状态飞机为研究对象，在实验室内模拟极端高温环境，考核飞机高温环境适应性能力；同时获取其地面保障设备耐高温环境极限能力信息，并根据研制要求、失效判据及试验数据对其高温环境适应性进行综合评价，确定其高温环境适应性能力是否满足设计要求；发现飞机与高温气候环境相关的飞行安全缺陷，可为飞机的设计优化与工艺改进提供支持，从而有效降低飞机试飞风险，提高试飞效率，缩短试飞周期。

 

试验系统可靠性是指在要求的试验条件下和试验持续时间内，实验室各环境模拟系统能完成规定功能的能力，即实验室各系统在要求的试验条件下和试验持续时间内不出现故障或者能保持正常工作的概率。飞机实验室高温试验系统包括的子系统多，且各子系统关联关系复杂。在试验过程中，若有某个系统或设备出现故障，极可能引起环境条件超差，造成飞机遭遇超出其设计指标以外的极端气候环境的作用而出现损坏，或环境条件未达到试验要求，使得试验结果无效。

 

影响高温试验系统可靠性的主要系统

 

01.高温试验系统工作原理

 

高温试验系统热量传输系统工作原理图如图1所示。高温试验系统的热源由室外的几台蒸汽锅炉产生，分别输送给载冷载热系统和发动机补气系统；载冷载热系统为闭式循环系统，将制冷系统产生的冷量和由蒸汽锅炉输送的热量转送给循环风系统和新风系统；循环风系统对循环空气进行直接温度和湿度处理，将处理好的空气再送入环境室，调节环境室内的温湿度；新风系统将室外空气进行升温和除湿，然后再送入循环风系统，与循环风系统共同调节实验室湿度，维持实验室内保持微正压；微正压系统的主要功能是配合新风系统共同控制室内压力和温湿度；集成控制系统协调各系统的运行，控制各设备的开启和中断等，以实现环境室温湿度环境。

 

02.高温试验系统可靠性分析

 

由高温试验系统工作原理可知，载冷载热系统是热量及冷量传输的关键性系统，同时也是结构复杂，故障率较高的系统，该系统包含3套独立的子系统：

 

  1).30%乙二醇常温载冷系统，载冷剂为30%乙二醇水溶液，简称为乙二醇系统；

 

  2).LM-8中高温载冷载热系统，载冷剂为LM-8，简称为LM-8系统；

 

  3).二氯甲烷低温载冷系统，载冷剂为二氯甲烷，简称为二氯甲烷系统。

 

由载冷载热系统的组成可知，乙二醇系统和二氯甲烷系统负责冷量的传输，其子系统LM-8中高温载冷载热系统主要负责热量的传输，LM-8中温载冷载热系统包括载冷剂泵、气动阀门、定压罐、电加热器等，这些设备的正确操作和检查维护是高温试验正常运行的关键环节。本文以LM-8中温载冷载热系统为结构重要度，构建实验室高温试验系统可靠性框图见图2。

 

 

图2 实验室高温试验系统可靠性框图

 

高温试验系统典型故障统计分析

 

统计分析实验室高温试验系统故障模式、故障原因分析及采取措施如表1所示。

 

表1 高温试验可能出现的故障特征和采取措施

 

 

从表1可以看出，以上故障发生的原因主要有三方面：

 

  1).设备故障，比如混温调节阀故障、温度传感器故障、回风口格栅堵塞、冷却水阀门故障；

 

  2). 操作失误，这主要与操作人员经验不足，对阀门的开度大小控制不当，比如蒸汽阀开度过大过小、载冷剂温度过低或过高；

 

  3).管理失误，设备没有严格按要求检查维护，比如Y型过滤器堵塞、回风口格栅堵塞等。

 

基于故障树法的高温试验系统典型故障分析

 

01故障树分析法（FTA）

 

针对系统故障问题，把系统的故障症状或不正常工作情况都定义为故障事件。一般把所研究系统发生的故障设置在故障树顶端，称为顶事件；把故障树分析中得到的结果事件，设置在故障树底端，称为底事件；把引起各级故障事件发生的所有原因事件，设置在故障树中间，称为中间事件，故障树分析方法就是把顶事件、中间事件和底事件之间的因果关系按树状逐级细化关联的分析方法。

 

故障树分析法主要包括如下步骤：

 

1）构建故障树；

 

2）建立故障树的数学模型；

 

3）分析系统可靠性故障树。

 

分析方法包括定性分析和定量分析，定性方法是分析故障树中所有引发顶事件的最小割集（即故障模式）；定量方法是确定底事件的故障分布及其参数、底事件发生的概率等，进而求出顶事件发生的概率。

 

02故障树的构建

 

通过故障树的建立，能够充分了解系统结构构型，发现系统运行中的薄弱点，为系统的改进、使用和维护提供技术支持，同时提高系统的可靠性、可维护性和安全性。

 

由于实验室高温试验系统结构复杂、设备众多，故需要通过分析高温试验系统的工作原理及各设备关联关系，统计分析系统中设备故障次数和故障模式等资料，来构建高温系统可靠性总分式故障树。设置高温试验系统工作异常为总故障树顶事件，总分式故障树见图3～图9。

 

 

图3  高温试验系统总故障树

 

 

图4(左)升温过程中升温速率偏慢分支故障树;

 

图5(右)升温过程中升温速率偏快分支故障树

 

 

图6(左)回温过程中降温速率偏慢分支故障树;

 

图7(右)回温过程中降温速率偏快分支故障树

 

 

图8(左)稳态低温送风温度波动超过3℃分支故障树;

 

图9(右)回风温度波动较大分支故障树

 

03故障树模型分析

 

FTA是安全系统工程领域最重要的分析方法，分为定性分析和定量分析，定性分析主要是找出故障树顶事件的所有最小割集，定量分析又可分为两种方法：第一种是计算顶部事件的发生概率，依据底事件的失效概率来推算；第二种是求出底事件的结构重要度、概率重要度和关键重要度，根据重要度的大小排序得出故障诊断结果和修理先后顺序。

 

由于气候实验室高温试验系统刚刚开始运行，不能够采集到足够的数据，无法估算底事件失效概率，即定量分析数据不足，故暂且进行故障树的定性分析。对图3～图9事件进行编号，得出高温试验系统故障树的主要事件见表2。

 

表2 故障树事件表

 

 

故障树模型的数值分析

 

实验室高温测试系统故障树中共有19个最小割集，每个最小割集都为一阶，对应实验室高温试验系统分支故障树的底事件，是确保总系统高可靠性的先决条件，因此针对底事件进行试验前检查和平时维护是系统可靠性的基础。

 

 

式中：

 

T——为顶事件发生概率；

 

Yi——为中间事件（i=1～6）发生概率；

 

Xi——为底事件（i=1～19）发生概率。

 

根据实验室高温试验系统设计过程中的数据手册，以及实验室高温试验系统实际运行中故障统计分析，例如设定的事件概率值见表3。

 

表3 故障树底事件概率值选取表

 

 

从表3可以发现每一个底事件发生概率P(Xi)都小于0.1，则19个最小割集可以看作独立小事件。根据统计计算，得到实验室高温试验系统的失效率P（T）和可靠度R如下： 

 

 

根据以上计算结果，可计算实验室高温试验故障树最小割集的概率重要度和关键重要度，得知X2、X4、X8、X17底事件为引发故障树顶事件的主要事件，分析主要事件的中间事件故障模式，确定高温试验系统需要重点监测和维护设备有混温调节阀、载冷剂供液控制阀以及送风温度传感器。

 

结  束  语

 

本文以实验室高温试验的工作原理及系统运行故障统计信息为基础，采用总分式故障树分析法（FTA）对气候实验室高温试验系统进行可靠性分析，分析结果表明FTA与高温试验系统实际运行故障吻合度高；以“高温试验系统工作异常”作为顶层事件，建立了高温试验系统的总分式故障树模型，并进行了定性和半定量分析；根据最小割集的概率重要度和临界重要度，得到导致故障树顶事件的主要事件；可为实验室高温试验系统的定期检测、维护提供参考意见，确保实验室高温试验系统的正常运行。

 

引用本文：

 

张亚娟，吴敬涛，邓文亮，王红斌.飞机气候环境实验室高温试验系统可靠性研究[J].环境技术，2021，232(04):90-94+101.

专家简介：张亚娟（1972-）,女,高级工程师，硕士，主要从事飞机气候环境适应性试验技术研究。