航空裝備“未發現故障”的診斷與排除

孟 飛,楊繼恩

(空軍第一航空學院航空儀電工程系,河南信陽 464000)

航空裝備“未發現故障”的診斷與排除

孟 飛,楊繼恩

(空軍第一航空學院航空儀電工程系,河南信陽 464000)

“未發現故障”(NFF)是近年來困擾航空界的一大難題,無論是新機的電子設備還是老機的機械、線路系統,NFF逐漸成為一種新的多發故障模式,影響飛機正常使用,增加了維修成本。從NFF的定義入手,具體分析其產生的原因。在對比國內外NFF診斷與預防技術的基礎上,采用基于本質參數測量的NFF診斷與排除方法來減少NFF故障發生率,提出相應診斷與預防的流程。以某型飛機“發動機降轉”故障為例驗證了該方法的有效性,并對當前NFF的現狀提出幾點對策與建議。

航空裝備;未發現故障;故障重現;故障診斷;本質參數

1 引 言

在航空維修工作中經常會出現這種情景:對機上設備檢測時發現某機件有故障而進行更換,但隨后對其進行專門測試時故障現象卻消失;飛行員反映空中出現過某個故障,但隨后地面檢查測試卻不能復現;甚至諸如“發動機降轉”的危險性信號都時有時無,給技術人員排故造成了很大困難。其實,這就是所謂的“未發現故障”(No Fault Found,NFF),它是航空維修工作中較為常見的一個問題。根據文獻[1]的定義,所謂NFF是指在機上或外場維修中因故障而更換的設備,送到維修車間后卻沒有發現故障,或發現不了故障。據美軍統計,飛行員報告的航空電子部件故障中,大約有三分之一在維修車間不能復現[2],因而無法進行故障的隔離和修理。根據多年以來軍方和民航方面的技術總結,NFF已不僅僅被定位于發生故障更換后無法復現故障的器件,時隱時現無法離位的系統組件、成批次的設計缺陷部件以及很難表征故障的機械元件也成為NFF的多發部位。隨著飛機使用時間的增長,NFF逐步從電子部件向電氣、機械及線路方向發展,嚴重危及飛行安全。而減少NFF則會顯著降低航空業運輸成本,特別是有關備件、后勤、維修時間、檢測設備和培訓費用,因此必須引起高度重視。

本文在分析NFF產生原因的基礎上,對比分析了國內外NFF診斷的研究現狀,以某型飛機“發動機降轉”為例,采用基于本質參數的NFF診斷方法,綜合對滑油溫度傳感器、滑油壓力傳感器、振動傳感器和金屬屑傳感器的采集數據和本身特征參數值進行序列分析,由此診斷機件或系統發生NFF的可能性,從而達到降低NFF故障發生率、提高維修效率的目的,最后通過實例驗證了本文方法的有效性。

2 發生NFF的原因

偶然性、突發性、不可重現性以及分布范圍廣等特點使得NFF成為近年來國內外和軍方密切關注的一個問題。據統計,在所有NFF故障中,航電系統占74%,氣動系統占19%,液壓系統占4%,其他系統占3%[1]。例如:電子設備裝機不久即突現故障,隨后一直工作正常;電氣插頭連接不緊密或油污、濕氣、氧化等造成的接觸不良,會瞬時影響設備的工作狀況;線路的逐漸磨損易導致指示儀表不穩定、操控機械不工作、信號不正常等。隨著電子技術在現代飛機上的廣泛應用及飛機使用時間的增長,NFF會越來越多。

2.1 產品本身特性決定了電子設備NFF的多發性

由于硬件軟件的設計缺陷、部分元件的瑕疵退化及電磁輻射干擾等[3],都會造成機載電子設備本身特性的變化,從而引起電子設備的瞬時失效或間歇性失效。電子設備的這種特點,很可能使新件裝機不久即會突然失效;或在使用過程中出現故障無法隔離,地面測試卻無法重現。如某型飛機電傳操縱系統經常發生計算機通道燈閃亮的故障,當飛行員把燈按滅后故障即永久消失;告警系統由于工作狀況的突變經常誤報故障等,大多是由電子設備本身特性的變化造成的。現代飛機機載設備的故障突現性和間歇失效是電子產品NFF最為常見的失效模式,尤其是短期內功能喪失隨后恢復的情況已成為困擾技術人員的一大難題。

2.2 使用環境的變化是發生NFF的重要因素

環境變化使機載設備故障的發生具有很大的不確定性。飛機的飛行高度、速度、姿態等特征在地面無法準確模擬,加之高空的氣壓、溫度、濕度等環境因素與地面大相徑庭,使機載設備在不同的使用環境中故障時隱時現。軍用飛機經常執行特殊任務,要從溫暖潮濕的沿海機場飛赴寒冷干燥的戈壁機場,飛機自動控制系統、大氣數據系統、電傳操縱系統及儀表設備等受高度、氣壓、空速、溫度、濕度、鹽霧等環境條件的影響較大,容易引起機載設備瞬時或間歇性失效,空中問題在地面無法復現,在其他機場發生的故障返場后不再重現。

2.3 維修時間的不足也是造成NFF發生的原因

民航要求中途轉場的時間限制或軍機為了縮短飛機的再次出動時間,致使技術人員沒有足夠的時間進行故障分析,從而使得這種“消失”的故障仍然滯留于飛機上。雖然這種維修保障一定程度上確保了保障的時效性,但一旦遇到NFF,那么這種安全隱患將有可能導致嚴重后果。

2.4 導致NFF發生的其它因素

由于駕駛員手冊與維護手冊的區別或飛行員與技術人員使用方法的改變、NFF故障件檢測方法的繁簡,甚至不同的檢測測試方法都可能使故障無法重現。某些機件交聯復雜、設備眾多,很可能更換一個部件后故障消失但一段時間后又會重現。線路故障已成為老舊飛機發生NFF的主要模式,線路老化或絕緣層磨損可在一架飛機上多處出現,且難以檢測,飛行中長時間的頻繁振動可使線路頂在連接點或其他硬表面,擦破絕緣層;維修時線路可能會被工具弄出缺口而損壞絕緣層,過度彎曲也會破壞電線絕緣層,使線芯暴露,引起電弧、短路及電磁輻射與干擾[4];搭鐵線及防波套的磨損、油氣污漬的侵蝕等都可能導致故障時隱時現而引發NFF,這些都是工作中需要注意的問題。

3 NFF診斷與排除的方法

對于減少NFF的方法,文獻[1]和文獻[4]提出了如下定性的診斷方法。第一,建立產品數據庫,將經常發生NFF的產品列入庫內進行監控,結合以往的歷史數據進行分析,由此改進測試系統的檢測能力。第二,建立“黑名單”。連續出現 3次同類的NFF故障,就應列入“黑名單”對其進行徹底檢查,如果能找到導致故障的真正原因并解決問題,可以重新裝機,否則只能更換備件,并對列入“黑名單”的故障件慎重使用。第三,加強溝通與交流,通過交流掌握故障產生時機、條件等重要信息,了解故障產生的原因、發生時各項參數的運行情況、現場其他設備的運行狀態,對排故和定位提供有力的支持。

定性、定量地對NFF進行診斷與排除,除了需要隔離影響NFF的發生因素、盡可能模擬NFF發生時的環境及充分地檢查測試外,平時維護工作中收集的大量的相關信息、資料和統計數據等都會對NFF的排除起到關鍵作用。認真研究這些信息和數據,發現研究對象的特征和變化規律從而建立起數據模型,進而獲得分析結果并修正反饋所建的模型,就能更好地進行NFF的診斷與預防。

3.1 基于本質參數的NFF診斷

航空設備的性能特征如電流、電壓、電阻等是反映其正常或故障狀態的重要參數,通過監測這些本質參數的變化來發現故障,已成為當前應用最廣泛、置信度最高的故障診斷方法。典型的方法包括電子產品的機上測試(Built in Test,BIT)以及非電子產品功能系統的故障診斷等。

在航空裝備維護工作中經常測量大量的電壓、電阻等數據,基于本質參數的方法可以用在目前對監測發動機工作狀態的各種傳感器進行NFF預測與健康管理,這些傳感器包括發動機振動傳感器、滑油溫度傳感器、滑油壓力傳感器、金屬屑傳感器等。它們用電壓、電阻等形式隨時檢測發動機相關工作狀態,評價發動機性能指標,有時自身的失效或工作狀態變化就會導致發動機誤報故障或發生NFF。將傳感器反映的性能數據和傳感器本身的特征參數分門別類使用Excel統計,用時間序列分析方法[5],利用Excel和Matlab的關系鏈接[6],建立差分方程形式的數學模型,再根據模型或得出的曲線趨勢圖進行分析研究,可較好地掌握機件設備的歷史工作狀況,發現或預防NFF,并對下一步的工作提出維修建議,成為當前航空裝備保障的新理念。基于本質參數的NFF診斷流程如圖1所示。

圖1 基于本質參數的NFF診斷Fig.1 The NFF diagnosis based on essence parameters

3.2 某型飛機“發動機降轉”NFF的診斷

“發動機降轉”是某型飛機發動機最具代表性、最危險的故障模式。據統計,近年來空中發生的89起“發動機降轉”導致飛行事故或事故征候中,發動機本身故障23起,發動機附件故障27起,各類傳感器故障及飛參和告警系統故障引起的NFF 23起,其余16起。由此可見,發動機本體故障、發動機附件故障和NFF分別占36%、30%、26%,大約各占三分之一。如果再加上地面試車時出現的“發動機降轉”信號,由各類傳感器故障引起的NFF比例還會大大增加,可達50%以上。

實際工作中,由于發動機振動值超標或振動傳感器故障導致“發動機降轉”NFF時有發生。該機裝備的是磁電式振動傳感器,將發動機的振動信號轉換為電壓,用機載設備判斷振動值是否超標,從而發出“發動機降轉”信號。技術人員平時積累了發動機各工作狀態中的振動值并將其擬合為曲線以判斷故障發展趨勢,但對振動值傳感器本身特性研究較少,一旦振動值傳感器自身弱化就極可能導致“發動機降轉”NFF的隨機產生。因此在平時的工作中,可將某振動值傳感器從裝機使用起的傳感器電阻值在Excel中加以統計記錄,利用Excel和Matlab的關系鏈接[6],將該本質參數統計擬合為曲線,如圖2所示。根據曲線的變化趨勢就可分析該傳感器下一步的工作狀況,判定是否會即將失效導致NFF或徹底失效導致真實故障,以便提前進行相關的維修措施,降低NFF的發生,提高飛機的安全性。

圖2 振動傳感器電阻趨勢及其NFF趨勢分析圖Fig.2 Analysis chart of resistance and NFF trend of vibration sensor

圖2表示經多次統計某號飛機振動值傳感器的電阻值,根據其NFF預測曲線預測出在第40次測量中會是可能導致的NFF失效點。如果繼續使用該機件有可能性能會向NFF預測曲線所示繼續下降,導致故障發生。如果此時適當根據某型飛機交互式電子技術手冊(Interactive Electronic Technical Manual,IETM)中規定的內容(如圖3所示)實施相應的維修策略,則該傳感器性能可期望恢復,減少由于傳感器本身失效導致NFF的發生率。

圖3 振動傳感器NFF預測與維修策略軟件界面Fig.3 The interface of IETM for vibration sensor

同樣,將發動機在某個工作狀態下的振動值進行統計分析,采用以上的診斷方法,就可以判斷發動機振動值的變化趨勢,預防NFF的發生。例如,2009年5月在監控某發動機時,發現振動值變化梯度較大(14 mm/s),隨后用該診斷方法繼續監控,并在振動值即將超標時及時返廠大修,發現了發動機高壓壓氣機鼓筒四、五級裂紋,避免了“發動機降轉”危險性故障的發生。

3.3 NFF的診斷與預防

這種基于本質參數測量的NFF診斷與排除方法是適用于當前某型飛機機電系統NFF診斷與排除的經濟實用快速的方法。對導致“發動機降轉”的滑油溫度傳感器、滑油壓力傳感器和金屬屑傳感器均可以采用這種診斷預測方法。據統計,通過該方法的使用,使“發動機降轉”的NFF發生率降至11%以下,對于減輕技術人員勞動強度和預防危險性故障的發生起到了良好的作用。

基于機件設備本質特征參數的時間序列分析方法在NFF的診斷與預防中通過對大量的傳感器本質參數和傳感器測量數據進行統計,實現平時裝備保障中的實時動態狀態監控,并利用數據趨勢曲線進行NFF的故障診斷,兩者結合共同對傳感器和發動機工作狀態進行評估,以預防“發動機降轉”信號的發生,同時根據IETM實施相應的維修策略,可減少NFF的發生,提高航空裝備的完好率。這種新的可靠性維修理念區別于以往“盲目”的預防性維修,是航空裝備保障的新方向。

當然,診斷與預防NFF的發生,不是靠一種方法就能行而有效的,還應多方面措施相結合:

(1)提高產品的可靠性,延長產品平均非計劃更換時間(Mean Time Between Unscheduled Removal,MTBUR)和平均故障間隔時間(Mean Time Between Failure,MTBF),從而降低NFF發生率;

(2)為新一代的航空電子系統開發自檢測試設備(Built in Test Equipment,BITE)和診斷軟件,因為很多NFF不是由設備故障引起的,而是由于對機上系統的BITE缺乏理想的診斷能力而產生的[1];

(3)在時間允許的情況下全方位檢測故障件,確實判明故障原因,千萬不能認為故障不再重現就是沒有故障。

4 相關對策與思考

從2004年召開的航電維修會議起,NFF被各航空公司代表列為最重要的問題并被持續關注。隨著電子技術在航空工業的應用和飛機使用時間的增長,NFF將會成為飛機的主要故障模式,必須引起高度注意。尤其要重點關注飛行控制系統、導航系統和自動控制系統中電子設備和老舊飛機線路引起的NFF。為了預防或減少NFF的發生,應采取以下措施。

(1)很多NFF的發生看似偶然,其實必然有其根本的深層次原因或缺陷。這就要求生產商首先應努力克服硬件或軟件的設計缺陷,加強與使用方的聯系,盡可能降低產品的故障隱患。

(2)飛行員與地面技術人員也應加強信息交換,確定NFF的發生是由于使用不一致還是空地環境變化導致。飛行員完整的故障描述能使技術人員盡可能地創造故障復現的條件,全面、系統地分析故障發生時的環境特點及飛機所處高度、速度、姿態等參數。

(3)建立相關的數據庫,將容易發生NFF的故障件納入數據庫管理,平時掌握其本質參數的變化情況,以便在某些工作時機根據對該機件的性能檢測趨勢決定是否提前更換該件,從而預防或降低NFF的發生。

(4)針對機場環境特點,把握好設備的使用時機,避免電子設備由于高溫潮濕誘發NFF。針對飛機逐漸老舊的特點,加強重點部位、隔框附近導線、搭鐵線和防波套的檢查,防止出現故障隱患[7]。對于NFF現象,應認真分析其內在原因,絕不能將“未發現故障”作“假故障”處理,這對飛行安全是有極大隱患的。

5 結束語

隨著電子技術的廣泛應用和飛機升級換代速度的加快,NFF會逐漸成為新一代飛機的主要故障模式。因此,應加強航空裝備維修與檢測手段的研究,提高故障檢測與隔離精度,努力減少虛警、故障不能復現等問題的發生。本文采用基于本質參數的時間序列分析方法,對導致“發動機降轉”的信號和傳感器本身特征參數進行分析、診斷,結合IETM的維修策略進行健康管理,據用戶的使用統計結果顯示,NFF的發生率降到了11%以下。

另外,在后續的研究中,應進一步加強對NFF故障原因的分析與收集,尤其是多設備之間電磁干擾造成的影響及設備接口偶發故障的技術原因分析[5],綜合治理才能有效地降低NFF的發生率。

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MENG Fei was borninTaiyuan,Shanxi Province,in 1979.He received the M.S.degree in 2009.He is now a lecturer.His research concerns aviation equipment state inspection and control.

Email:mengfei1979@yeah.net

楊繼恩(1963—),男,河南光山人,副教授,主要從事飛機供電系統教學與研究。

YANG Ji-en was born in Guangshan,Henan Province,in 1963.He is now an associate professor.He is engaged in teaching and research of plane power supply.

Diagnosis and Troubleshooting of“No Fault Found”in Aviation Equipment

MENGFei,YANG Ji-en
(Department of Aeronautics,The First Aeronautic Institute of Air Force,Xinyang 464000,China)

NFF(No Fault Found)is a big puzzle in aviation group in these years no matter the electronic equipment of new planes or circuitry system of aged planes.NFF has become a newly excessive occurrence gradually.NFF lowers the reliability so as to influence missions of aircraft and increase the costsof maintenance.This paper analyses the cause of NFF starting with its definition.Through comparing diagnosis and prevention technique both home and abroad,it uses the method of NFF diagnosis and elimination based on essence parameters measurement to reduce the failure rate and bringsout the flow of NFF diagnoses and prevention.Thismethod is validated by taking the failure “rotate speed fall” of a plane as example.Finally it gives some countermeasures and advices according to the actuality of NFF.

aviation equipment;no fault found(NFF);failure replay;failure diagnosis;essence parameter

TN06;V24

A

10.3969/j.issn.1001-893x.2012.06.044

1001-893X(2012)06-1042-05

2011-12-02;

2012-03-12

孟 飛(1979—),男,山西太原人,2009年獲碩士學位,現為講師,主要研究方向為航空設備狀態監控;