基于故障樹的APU無引氣分析及維修建議

付堯明 何健夫 閆鋒

摘要：根據(jù)某航空公司的歷史數(shù)據(jù)，APU無引氣是APU故障的常見形式。本文基于故障樹分析方法對APU無引氣事件進行安全性分析。以APU無引氣為頂事件構(gòu)建故障樹，計算出頂事件發(fā)生概率，結(jié)合故障樹的最小割集和概率重要度，確定導(dǎo)致頂事件發(fā)生的主要原因，并提出相應(yīng)改進措施。

關(guān)鍵詞：故障樹分析；輔助動力裝置；引氣

Keywords：FTA；APU；bleed

0 引言

波音737NG飛機APU引氣系統(tǒng)的功能是為主發(fā)動機啟動系統(tǒng)、空調(diào)和增壓系統(tǒng)提供氣源。在實際維護過程中，APU引氣系統(tǒng)出現(xiàn)故障的頻率和重復(fù)率較高，主要分為兩類：APU無引氣和APU引氣壓力低。根據(jù)某航空公司歷史數(shù)據(jù)，APU無引氣事件發(fā)生概率更高，因此，應(yīng)針對其提出改進措施，減少該類事件的發(fā)生。與傳統(tǒng)的分析方法相比，故障樹分析法能夠直觀、準(zhǔn)確、全面地分析出導(dǎo)致故障發(fā)生的原因，這在排故過程中有著極大的優(yōu)勢。本文針對APU無引氣事件，結(jié)合某航空公司的歷史數(shù)據(jù)，運用故障樹分析方法進行定量的安全性分析，確定導(dǎo)致APU無引氣的主要故障原因，并提出相應(yīng)的維修建議。

1 故障分析

造成APU無引氣的原因有多種，主要涉及APU引氣系統(tǒng)。APU引氣系統(tǒng)一般由負載壓氣機、進口導(dǎo)向葉片（IGV）、進口導(dǎo)向葉片作動筒（IGVA）、引氣活門（BAV）、防喘活門（SCV）及壓力傳感器組成，功能是為飛機的一些氣動操作提供壓縮空氣。

電子控制組件（ECU）是APU的重要控制組件，其有4種引氣方式：1）無引氣方式；2）管道增壓方式；3）主發(fā)動機點火方式；4）空調(diào)系統(tǒng)方式。ECU通過接收輸入信號，選擇不同的引氣方式來控制IGV、BAV和SCV的開度，達到為飛機提供氣源的目的[1]。

1.1 BAV故障分析

APU引氣開關(guān)、轉(zhuǎn)速傳感器和進口壓力傳感器分別向ECU發(fā)送輸入?yún)?shù)，ECU根據(jù)接收到的信號選擇合適的工作方式，向控制電磁閥發(fā)送指令。只有在ECU發(fā)出指令、負載壓氣機提供氣源時，BAV才會打開，如圖1所示。

根據(jù)BAV工作原理圖和手冊，如果進口壓力的值減去總壓力的值>10psia，則BAV可能無法打開，或當(dāng)控制電磁閥的螺線管驅(qū)動器電路斷開時，電磁控制閥無法控制BAV的位置。

1.2 IGVA工作原理

ECU根據(jù)進口溫度和進口壓力等輸入?yún)?shù)選擇不同的引氣方式，向燃油調(diào)節(jié)器（FCU）和進口導(dǎo)向葉片作動筒（IGVA）伺服閥發(fā)出信號，控制伺服燃油流向IGVA，IGVA利用FCU的燃油壓力來控制進口導(dǎo)向葉片（IGV）在15°～115°之間轉(zhuǎn)動。IGV的角度會影響負載壓氣機的進氣量。線性差動可變傳感器（LVDT）同時向ECU反饋IGV的角度，如圖2所示。

1.3 SCV工作原理

總壓傳感器（PT）和壓差傳感器（DP）向ECU發(fā)送輸入?yún)?shù)，ECU控制伺服閥上的扭矩馬達，扭矩馬達帶動APU燃油系統(tǒng)供應(yīng)高壓燃油，作動筒利用燃油壓力控制防喘活門在10°～90°之間移動。線性差動可變傳感器（LVDT）向ECU反饋防喘活門的角度，如圖3所示[2-3]。

2 APU無引氣故障樹分析

以波音737NG飛機APU無引氣事件為頂事件，分析導(dǎo)致該頂事件發(fā)生的底事件，計算該頂事件是否滿足安全性要求并針對薄弱環(huán)節(jié)提出改進措施。

2.1 故障樹的建立

通過上述對APU引氣系統(tǒng)的分析，結(jié)合航空公司機隊航線數(shù)據(jù)，構(gòu)建APU無引氣故障樹，如圖4所示。導(dǎo)致APU無引氣事件的所有最小割集如表1所示。

2.2 最小割集及頂事件發(fā)生概率求解

通過某航空公司波音737NG機隊航線數(shù)據(jù)，收集得到故障樹底事件對應(yīng)的故障率，如表2所示。X1為單向活門故障，由于該事件發(fā)生概率較小，在進行故障樹定量和定性分析時可以忽略。

據(jù)圖4、表1和表2，求得頂事件APU無引氣發(fā)生的概率為7.92E-4，在FAA故障概率和失效等級表中處于10E-4到10E-5之間，如表3所示，表明該故障滿足規(guī)定的安全性要求。

2.3 概率重要度求解

概率重要度是指底事件發(fā)生概率變化會給頂事件的發(fā)生概率以多大的影響，用頂事件發(fā)生概率對底事件發(fā)生概率的偏導(dǎo)數(shù)來表示：

其中，gi（t）為概率重要度，F(xiàn)i（t）為部件不可靠度，F(xiàn)s（t）為系統(tǒng)不可靠度。因此，得到如表4所示的概率重要度。

2.4 維修建議

由表4可以看出，ECU損壞和線束損壞的概率重要度較高，說明這兩個底事件容易導(dǎo)致頂事件的發(fā)生。

建議采取以下措施來減少APU無引氣事件的發(fā)生概率。

1）在針對ECU的維護時，ECU電連接器插針容易出現(xiàn)彎曲、磨損等現(xiàn)象。應(yīng)增加插針厚度，減少維修人員插拔導(dǎo)致的損傷。

2）線束容易發(fā)生接觸不良、磨損等現(xiàn)象，應(yīng)選取質(zhì)量好的線束。在裝配過程中，應(yīng)避免因線束纏繞發(fā)生線束變形。

3）進口導(dǎo)向葉片作動器的LVDT經(jīng)常發(fā)生短路現(xiàn)象，應(yīng)選取熱穩(wěn)定性更好、抗短路能力更強的變壓器以及彎度和強度更好的導(dǎo)線，完善變壓器的保護裝置。

4）在檢查引氣活門的螺線管驅(qū)動器電路電壓時，如果大于11V，應(yīng)按照FIM 49-60-815隔離；如果在4.6～11V之間，應(yīng)按照FIM 49-51-802隔離。

5）在針對FIM 49-50-821進行隔離時，還需要注意如果負載壓氣機的空氣流量在6s內(nèi)降至0，則會發(fā)生逆流現(xiàn)象，持續(xù)維持0的狀態(tài)1s，引氣活門將關(guān)閉。

3 結(jié)論

故障樹分析法相較于傳統(tǒng)方法，具有更清晰、形象的因果關(guān)系?？梢酝ㄟ^對可能造成系統(tǒng)故障的硬件、軟件、環(huán)境、人為因素進行分析，畫出故障樹，從而確定故障原因的各種可能組合方式和（或）其發(fā)生概率，有助于確定安全性薄弱環(huán)節(jié)，因此對其采取改進措施來提高系統(tǒng)可靠性和安全性。但是也要求分析人員必須非常熟悉所分析的對象系統(tǒng)，能準(zhǔn)確和熟練地應(yīng)用該分析方法。本文從APU系統(tǒng)原理出發(fā)，分析得出導(dǎo)致頂事件發(fā)生的11個底事件，再運用最小割集和概率重要度求解出具體數(shù)據(jù)，通過具體數(shù)據(jù)可以直觀地看出薄弱環(huán)節(jié)。通過進一步分析得出APU無引氣事件的發(fā)生大多是由線路和電路問題導(dǎo)致，并提出相應(yīng)的維修建議和航線維護中的注意事項，能夠減少和預(yù)防APU無引氣事件的發(fā)生。

參考文獻

[1] Boeing. 737NG飛機AMM手冊[Z].

[2]鄒沁璇，劉昱欣.波音737NG飛機APU引氣工作詳解與地面應(yīng)用分析[J].航空維修與工程，2019（5）：91-93.

[3]孫龍.APU引氣壓力低或無引氣故障[J].科技資訊，2015（8）：49-50.

[4]李穎，鄭進文，梁九生.系統(tǒng)安全性評估在民用航空中的應(yīng)用綜述[C].第八屆中國航空學(xué)會青年科技論壇，2018：100-102.

[5]董力，吳雨婷，韓冰，陸中.基于FTA的某型航空發(fā)動機電子控制系統(tǒng)安全性分析[J].電子技術(shù)與軟件工程，2019（9）：100-102.

[6]喬磊，李艷軍，曹愈遠，趙蘇陽，許振騰，汪雷.航空發(fā)動機高能碎片非包容事件故障樹分析[J].航空計算技術(shù)，2015（5）：35-37.