基于功能共振的萊康明發動機點火系統故障分析

周長春 蘇月 肖荃益

（中國民用航空飛行學院，四川 廣漢 618307）

航空活塞發動機具有性能穩定、油耗低、動力充足等特點，在通航領域得到廣泛運用。萊康明發動機因其獨特的構造特點在國際市場占有主導位置，并且在中國的市場需求也在穩步增長，截止目前萊康明公司已生產超過1000 臺發動機，國內飛行訓練使用的教練機如Cessna172R、TB20、西門諾爾都配備萊康明公司的發動機。

隨著對萊康明發動機的使用及維護不斷增多，發現其中點火系統的故障率占比最高。點火系統作為活塞發動機重要系統之一，較高的故障率不僅增加了飛行訓練的安全風險，也影響飛行學生的培養計劃，增加維護部門的維護成本。因此以下選用萊康明公司生產的IO-360-L2A 型發動機點火系統為研究對象，通過使用功能共振分析方法對點火系統進行分析研究，得出對點火系統正常工作影響較大的致因因子，提出有效的安全建議。

1 萊康明發動機點火系統基本組成及工作流程

點火系統的主要功能是為在適當的時刻產生電火花，以點燃汽缸內的油氣混合物，從而保證發動機的正常起動。萊康明發動機的點火系統為電磁機式點火系統，主要由磁電機、磁電機點火開關、高壓導線及電嘴等組成的。此型發動機一共有四個水平對置的汽缸，其各有兩個電嘴，并且裝配有兩個電磁機通過高壓導線分別控制，因此具有兩套獨立的點火系統。

在發動機起動系統功能完好的前提下，首先將磁電機開關至于“START”位，起動機接通電源，帶動發動機曲軸轉動。磁鐵轉子跟隨曲軸轉動形成與鐵芯變化的相對位置，產生數值與方向都變的基本磁通。初級線圈內因其產生感應電動勢，大小與基本磁通變化率成正比，并接通低壓電路。而隨之產生的電磁場阻礙低壓電流的變化，因此低壓電流的最大值點在磁電機轉子中立位置后一定角度。在低壓電流最大時斷開斷電器，使軟磁芯中磁通變化率最大，產生最大的高壓電以提供電嘴所需的擊穿電壓。為防止斷電器觸點產生電火花，并聯電容吸收斷電時自感應電動勢產生的自感電流。分電器根據點火次序分配高電壓。選用沖擊聯軸器解決發動機剛啟動時因轉速太小而無法產生足夠高壓電動勢的問題。在發動機正常起動后，開關自動跳至“BOTH”位以斷開電源，兩個磁電機同時工作，并持續到正常工作過程。高壓導線傳輸高壓電至點火電嘴，電嘴兩級間形成高電位差電離兩級間氣體，產生電火花。最后，發動機停車后，磁電機開關轉至“OFF”位，切斷磁電機與螺旋槳的聯系，防止誤點火。點火系統工作流程圖如圖1 所示。

圖1 某型發動機點火系統工作流程圖

2 功能共振分析方法

功能共振分析方法（FRAM），最初也被稱之為功能共振事故模型，它是由Erik Hollnagel 于2004 年提出，FRAM 認為失敗是功能或任務的正常可變性的共振出現的結果，因此它以系統正常運行情況的描述為基礎，從而找出系統未達到預期情況下的致因。該方法適用于復雜系統的事故分析或風險評估。

功能共振方法有四個原理：成功和失敗來自同樣的源頭，事件發生后結果的好壞都是由同樣的原因引起；近似調整原則，當情況不明確或資源不足時，通過調整以完成工作；事件的發生不遵循因果關系原理，有可能是涌現的結果；系統功能間的耦合與關聯無法精準預測，需用特定的原理說明。

FRAM 具體步驟如下所示：

（1）準備工作：理解并確定系統日常情況下應當如何運行，轉換為系統為目標所必須的功能；同時確認此次FRAM 分析是用于事故調查還是風險評估。

（2）識別與描述功能：根據系統設計原理及結構構成等信息，對系統日常運行過程中所需功能進行識別；再以功能的六角形模型表示為模板，從以下6 個不同的方面對功能的特征進行語言描述：輸入：使功能啟動的事物，或功能將要處理轉化的事物；輸出：功能運行的結果；前提：功能發生必須存在的前提條件；資源：功能執行中所需或消耗掉的事物；控制：用于監督或控制該功能的限制，如計劃、步驟、指導指示等；時間：對功能正常運行起到影響的時間約束。識別和描述系統的所有功能后，使用FMV 軟件進行表征，形成一個正常運行狀態下的系統網絡圖，方便后期分析。

（3）功能變化的識別：為了能夠理解上下游功能耦合，需要密切關注功能的可變性，在FRAM 中，較之于功能本身會發生的變化，分析中更加側重于能夠引起功能的輸出變化的變化。主要有三種變化：內在變化、外在變化、上下游功能耦合。判斷出變化的來源后，通過對時間和精度的描述對功能變化進行簡單篩選，對需要深入分析的單個功能，再進行復雜描述。

（4）確定功能共振：上下游功能耦合是指一個功能的可變性可以由上游功能的耦合而產生，在上一步中確定好單個功能的變化后，借助上下游功能耦合的概念，尋找引發不期望結果的因素，確定功能共振,分析影響功能共振因素以及失效連接關系。

（5）分析結果：通過前三步對系統建模的完成進行結果分析，針對發生共振的功能模塊，根據特定情況下的上下游功能耦合及功能間的失效連接關系，識別導致功能發生性能變化的原因，并制定相應的保護措施。目的是在不失去控制的情況下提高結果成功的可能性。除了普遍使用的消除、預防、保護和易化的方法外，FRAM 分析中提出了另外兩種手段，即監控與抑制。

3 FRAM 在點火系統中的運用

3.1 識別和描述系統功能

此次使用FRAM 對點火系統進行建模分析的結果將用于點火系統的故障分析及風險評估。通過對點火系統的研究，將點火系統工作過程分為12 個步驟，由此識別出點火系統12 個功能：F1 接通起動系統、F2 加速轉子、F3 產生磁通、F4 產生低壓電、F5 接通低壓電路、F6 斷開低壓電路、F7 吸收電流、F8 產生高壓電、F9 分配高電壓、F10 傳輸高電壓、F11 點火、F12 進行正常工作。根據FRAM 的功能描述的六個方面進行具體描述，以F6 斷開低壓電路為例，其描述如表1 所示。

根據FRAM 建模的基本規則，每項功能的特征必須與至少一項其他功能的某個特征相對應，從而形成上下游關系。結合12 項功能的六角功能分析結果，建立點火系統功能網絡，如圖2 所示。

圖2 某型發動機點火系統功能網絡

3.2 功能變化的識別

利用各單元功能六角功能分析表中具體的描述內容，結合以往關于點火系統的故障分析文獻及數據，從時間或精度對可能造成每個單元功能輸出發生變化的原因進行評估。文獻[4]對Slick 磁電機中斷電器觸點電腐蝕及化學磨損的故障進行了理論分析，并且系統闡述了斷電器及周圍部件工作原理。文獻[5]選用與本文相同的研究對象，對其常見故障的現象進行描述并提出建議措施及維護要求。文獻[6]在同型點火系統故障數據統計的基礎上，對最常見的電嘴故障及磁電機故障進行了理論分析并提出預防措施。文獻[7]中對同型發動機出現抖動現象進行致因分析，以求以后的維護工作中能快速有效的排除故障。本文結合以往文獻中提出的故障致因與2020 年某通航單位同型發動機點火系統故障數據，判斷各功能變化的可能性，如表2 所示。

表2 點火系統中功能輸出的變化

3.3 確定功能共振

根據圖2 所示的某型發動機點火系統功能網絡，確定與變化的功能有相互影響的單元功能，分析其影響力的大小，從而找出系統可能的故障致因，即失效連接中產生影響的因素就可能是系統發生故障的因素。因此點火系統功能共振單元能、失效連接及影響因素如表3 所示。

表3 某型發動機點火系統失效連接與功能共振影響因素

3.4 分析結果及安全建議

經過本文的分析，某型發動機的點火系統維護及維修工作需要注意以下方面：第一，對于故障次數較高的部件做好航材管理，主要以維修維護代替更換，節約維修成本；第二，對磁電機的功能完整性需要定期檢查，完善維護及定檢工單，仔細檢查可能發生故障的部件；第三，提高測溫等數據檢測系統的可靠性，以及時發現未達到預期的情況；第四，要求飛機操作人員正確學習并使用貧富油調節技術，給予發動機一個良好的工作環境。

4 結論

本文將功能共振分析方法運用到萊康明IO-360-L2A 型發動機點火系統的故障分析中，根據點火系統的工作流程識別出其系統功能，繪制功能網絡圖，從系統的角度分析了在工作過程中故障率較高的斷開低壓電路、吸收電流、點火等單元功能輸出發生變化可能造成的影響，從而分析出可能導致系統故障的原因，并提出針對技術、人員及組織各方面有效的安全建議，以求減少事故或故障的發生。