存在共模故障的载荷均担共载冗余系统的可靠性研究

　　当系统使用某种单元,该单元的可靠性不能达到系统对它的可靠性分配指标时,可用两个或两个以上的功能相同或相似的单元并联使用,组成冗余系统。这种冗余设计有两种方案,一种是只有当使用单元失效后才启动备用单元,称之为备用冗余系统;另一种是由冗余单元共同承担负载,称之为共载冗余系统[1]。若有单元失效,则余下的正常单元平均分担总载荷的共载冗余系统称之为载荷均担共载冗余系统[2]。在民机领域很多系统和零件是载荷均担的,例如,具有两台发动机的飞机,如果一台发动机发生故障,为使飞机仍能保持定高航线飞行,则尚未发生故障的发动机必然增加负载,从而具有更高的失效率(比其在半负载状况时)。也就是说,系统中各单元之间从可靠性的角度看,具有相关性。

　　共模故障作为相关失效的一种重要形式,普遍存在于载荷均担共载冗余系统中。忽略系统的相关性,简单地在各零件失效相互独立的假设条件下对系统进行失效概率分析,会导致较大的误差[2~4]。像民机发动机等存在相关失效的载荷均担共载冗余系统,在进行可靠性分析与评价时,要考虑各零部件的失效相关性,传统独立失效假设下的系统可靠性模型不再适用。

　　近年来,人们对共模故障有了越来越多的认识,也提出了多个以系统出现过的共模故障事件为依据的经验模型。大多数经验模型倾向于把零件的失效概率划分为独立失效和相关失效两部分[5, 6],但零件的失效是独立失效和相关失效相互作用的结果,很难将两者区别对待。笔者从载荷均担共载冗余系统失效机理出发,应用载荷-强度干涉理论,借用次序统计量的概念,建立了存在共模故障的载荷均担共载冗余系统的可靠度模型。在建模的过程中,并没有把共模失效作为一种特殊事件对待,而是始终没有做零件失效相互独立的假设;也没有将共模失效和独立失效区别对待,而是将零件的失效过程看成是共模失效和独立失效相互作用的结果。该模型能反映各零件失效之间的相关性,能可靠地应用于共模故障载荷均担共载冗余系统的失效概率分析。

　　1　载荷均担共载冗余系统共模故障分析流程

　　对于载荷均担共载冗余系统来说,失效相关性是普遍存在的。零件之间隐含的失效相关性一般表现为共因故障。共因故障是由于同一个原因或事件引起系统中多个部件同时失效。共因故障是一种相依失效事件,该事件的结果产生多重故障,当这些故障模式相同时,共因故障又称为共模故障[7]。共模故障的产生说明存在一定数量的故障在统计上不是独立的而是相关的。这种非独立性的存在,增加了载荷均担共载冗余系统的联合失效概率,降低了系统的可靠度,给系统设备带来了巨大的安全隐患。共模故障广泛存在于载荷均担共载冗余系统中,因而研究系统中引发共模故障的原因及降低共模故障发生概率,成为当今可靠性安全性领域重要的研究方向。载荷均担共载冗余系统的共模故障分析如图1所示。