郭俊毫 杜晓峰

摘  要：全机结构疲劳试验由多种复杂系统组成，包括控制系统，液压系统，加载系统和测量系统等，试验现场参试人员需处理多个型号试验值班工作，试验故障排查难度大且耗费时间长。为了提高故障诊断效率和提高试验可靠性，将故障树分析法应用于疲劳试验故障分析中。故障树分析法是一种评价复杂系统可靠性与安全性的方法[1]，通过收集疲劳试验运行过程故障信息，综合分析故障信息，最后建立疲劳试验故障树。对故障树进行定性分析，建立疲劳试验故障事件的最小割集，确定疲劳试验故障事件。针对故障树分析结果，提出疲劳试验过程中预防措施，提高试验运行的可靠性。

关键词：疲劳试验;故障诊断;故障树;可靠性

中图分类号：V216         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）28-0116-03

Abstract： The fatigue test of the whole machine structure is composed of many kinds of complex systems， including control system， hydraulic system， loading system and measuring system. Test fault detection is difficult and time-consuming. In order to improve the efficiency of fault diagnosis and the reliability of the test， the fault tree analysis method is applied to the fault analysis of fatigue test. Fault tree analysis is a method to evaluate the reliability and safety of complex systems. By collecting fault information in the process of fatigue test， comprehensive analysis of fault information， and finallyestablishesthe fatigue test fault tree. The fault tree is qualitatively analyzed， the minimum cut set of fatigue test fault events is established， and the fatigue test fault events are determined. According to the results of fault tree analysis， the preventive measures in the process of fatigue test are put forward to improve the reliability of test operation.

Keywords： fatigue test; fault diagnosis; fault tree; reliability

1 概述

飛机结构疲劳试验目的是验证结构设计、疲劳分析方法和制造工艺质量，暴露结构疲劳薄弱部位，为确定结构疲劳寿命提供试验依据机疲劳试验[2]。疲劳试验持续运行时间长、组成结构复杂，试验现场往往存在多个型号飞机疲劳试验并行情况。疲劳试验运行过程中，值班人员需要及时排除试验故障，保证试验的安全和运行进度。因此需要采用一种疲劳试验故障分析方法，将以往运行过程中出现的所有故障信息进行定性分析，分析各种故障的原因，并针对分析结果有针对性的采取补偿措施，保证试验的可靠性。故障树分析法是可靠性分析的一种经典方法。文献[3]针对电梯系统故障，使用故障树诊断方法，建立故障树模型并提取故障树最小割集，实现了电梯故障的快速准确诊断。文献[4]将故障树分析法运用到数控机床故障诊断过程中，建立数控机床主要部位的故障树模型，可快速高效诊断故障。针对疲劳试验故障特点，将故障树分析法运用到疲劳试验过程中，建立疲劳试验故障树模型，对试验运行过程的故障进行分析，提出补偿措施，可提高试验运行效率和可靠性。

2 FTA分析方法

故障树分析法，简称FTA（Fault Tree Analysis），是一种评价系统可靠性与安全性的方法，该方法将系统故障与部件故障联系在一起，寻找系统的全部可能的失效状态，能够清晰地说明系统的失效原因。因此在故障树模型建成后，可以作为一种形象化的技术资料，对参与系统的管理、运行人员提供直观的维修指南。

建立故障树是FTA中最关键的环节，其完善程度直接影响分析结果的准确性，而其化简程度则关系到分析的工作量，也影响故障树的直观性。建造故障树的步骤如图1所示。

结合全机疲劳试验特点，具体分析流程如下：

（1）收集疲劳试验运行资料，建立疲劳试验故障信息库，并对故障原因进行深入分析。

（2）根据疲劳试验运行的要求，选择与分析目的相关联的事件为顶事件。

（3）从顶事件角度出发，建立子级事件，逐级找出导致各级事件发生的所有可能的直接原因，并用相应的符号表示。

（4）分析到底事件为基本事件停止。

（5）绘制故障树模型图，从故障树的最下级开始，逐级确定下级事件的逻辑关系，直到顶事件为止，根据逻辑运算对故障树结构进行简化。

故障树建立之后，对故障树进行定性分析。定性分析的主要任务是寻找故障树的全部最小割集。其中某些事件所组成的集合中全部基本事件都发生时，顶事件必然发生，则称这个集合为故障树的一个割集，系统的全部最小割集就构成系统的故障谱[5]。

3 疲劳试验故障树定性分析

针对疲劳试验特点，收集试验运行过程中的故障信息，故障树事件定义表见表1，疲劳试验运行过程最大故障即为试验停止，因此选取试验停止为顶事件，以此为基础按照图1顺序逐级分析，最终根据故障事件建立疲劳试验故障树模型，见图2。

采用下行法求得疲劳试验故障的最小割集：{X1}、{X2}、{X3}、{X4}、{X5}、{X6}、{X7}、{X8}、{X9}、{X10}、{X11}、{X12}、{X13}、{X14}，即为任一底事件的发生均会导致顶事件的发生。其中底事件{X10}出现3次，在14个故障事件中应加以注意。

4 疲劳试验可靠性保障措施

结合FTA分析结果，将14个底事件进行归类分析，提出预防措施，具体如下。

（1）元件故障事件，包括{X3}，{X4}，{X5}，{X6}。此类故障为试验过程中，部分元件故障或者线缆连接不正常故障，此类故障可以通过试验前的排查解决。例如试验启动前逐项核对线缆连接情况，定期对可能松动位置进行预防处理。对性能存在隐患的阀件及时更换，选用可靠性能较高元件。

（2）试验操作故障事件，包括{X2}、{X7}、{X8}、{X11}，例如X7，试验加载过程中回油未打开，作动筒只能往外放，此类故障不仅会导致现场超限卸压，也是可能导致严重故障的事件。针对此类与人员操作相关故障事件，一是建立系统级培训，对试验的参试人员进行定期培训考核，参试人员必须掌握必須的理论知识;二是建立规范化操作流程，每一步工作有记录，有签字确认，将每项工作落到纸质上，减少人员操作导致的试验故障。

（3）试验参数设置故障事件，包括{X10}、{X13}，疲劳试验加载点多，特别对于硬式加载点多的型号试验，加载参数设置是一个逐步完善过程，通过前期的调试以及试验运行过程中单点的跟随情况，逐步调整加载参数，直到最大限度满足试验要求。

（4）试验设计不足故障事件，包括{X9}、{X14}、{X15}。例如X9加载点作动筒过长，试验设计过程中为了解决加载点作动筒形成问题，采用多节过渡段螺栓连接方式，试验过程中发现加载点作动筒过长，容易导致加载点震动出现，最终会导致试验的卸压。疲劳试验运行后，需根据现场的运行情况，逐步完善试验的设计工作，提高试验加载精度和试验运行速度。

5 结论

全机疲劳试验是一项持续时间长、检查要求高的试验，采用高效的检测手段不仅可以快捷解决故障，更能提高试验的可靠性。将故障树分析法运用到全机疲劳试验过程中，建立疲劳试验的故障树，得到基本故障事件，建立故障事件最小割集。结合故障树分析结果，提出预防措施。目前已在试验中采用此方法并取得良好效果，极大提高了疲劳试验的运行效率。

参考文献：

[1]曾声奎.可靠性设计与分析[M].北京：国防工业出版社，2011：89-92.

[2]中国飞机强度研究所.航空结构强度技术[M].北京：航空工业出版社，2013：376-377.

[3]宗群，李光宇，郭萌.基于故障树的电梯故障诊断专家系统设计[J].控制工程，2013，03：305-308.

[4]杨曾芳，吕希胜.基于故障树的数控机床故障诊断系统[J].科技创新导报，2012，18：68-69.

[5]卢长海，刘向阳.测控装备面向协同智能诊断系统应用研究[J].自动化技术与应用，2014，03：34-37+58.