故障樹(shù)分析法在飛機(jī)維修中的應(yīng)用

張玉

【摘 要】 在飛機(jī)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，有很多故障發(fā)生時(shí)，并沒(méi)有警告信息，設(shè)備的自我診斷功能是有限的，僅僅依靠維修人員故障診斷經(jīng)驗(yàn)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，它要求建立起一套標(biāo)準(zhǔn)化的故障檢測(cè)方法，本文介紹的故障樹(shù)分析法是一種切實(shí)可行的飛機(jī)故障診斷方法，在實(shí)際飛機(jī)維修中應(yīng)用得到較好的效果。

【關(guān)鍵詞】 故障樹(shù)分析法 飛機(jī)維修

1 故障樹(shù)分析法簡(jiǎn)介

故障樹(shù)分析法（Fault Tree Analysis，F(xiàn)TA）是一種自上而下逐層展開(kāi)的圖形分析方法，是通過(guò)對(duì)可能造成系統(tǒng)故障的硬件、軟件、環(huán)境、人為因素等進(jìn)行分析，畫(huà)出邏輯框圖，也就是故障樹(shù)，再對(duì)整個(gè)系統(tǒng)中發(fā)生的故障事件，由總體至部分地按樹(shù)狀逐級(jí)進(jìn)行細(xì)化分析，這樣能夠判明基本故障、確定故障發(fā)生的原因、故障的影響和故障發(fā)生的概率等。故障樹(shù)分析法的步驟常因分析對(duì)象、分析目的等地不同而略有區(qū)別。但一般可以按以下四個(gè)步驟進(jìn)行，即；

（1）建立故障樹(shù)；

（2）建立故障樹(shù)的數(shù)學(xué)模型；

（3）故障樹(shù)的定性分析和定量分析。

故障樹(shù)分析法用于飛機(jī)各系統(tǒng)的故障診斷，是因?yàn)樗哂腥缦聨讉€(gè)特點(diǎn)：

（1）故障樹(shù)分析法可以針對(duì)某一特定的故障作層層深入的分析，用清晰的圖形直觀、形象地表述系統(tǒng)的內(nèi)在聯(lián)系，指出部件故障與系統(tǒng)故障之間的邏輯關(guān)系。

（2）故障樹(shù)可以清楚地表明，系統(tǒng)故障與哪些部件有關(guān)系，有什么關(guān)系，以及關(guān)系的緊密程度。同時(shí)，也可以從故障樹(shù)看出元部件發(fā)生故障后，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的工作有無(wú)影響，有什么影響，有多大的影響，以及通過(guò)何種途徑產(chǎn)生影響。

（3）故障樹(shù)建成以后，對(duì)于沒(méi)有參與過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試制的管理與維修人員來(lái)說(shuō)，是一個(gè)形象的直觀的維修指南，在實(shí)際維修應(yīng)用中可以大大縮短維修人員的培訓(xùn)時(shí)間，節(jié)約對(duì)維修人員的培訓(xùn)費(fèi)用[1]。

2 建立故障樹(shù)的方法與步驟

先選定系統(tǒng)中最不希望發(fā)生的故障事件作為頂事件，接下來(lái)第一步是找出直接導(dǎo)致該事件發(fā)生的各種可能的因素或各因素的組合，比如硬件故障、軟件故障、環(huán)境因素、人為因素等等。第二步是找出導(dǎo)致第一步中各因素的直接原因。按照此方法向下演繹，一直追溯到引發(fā)系統(tǒng)故障發(fā)生的全部原因，即分析到不需要再分析的底事件為止。然后，再把各種事件用對(duì)應(yīng)的符號(hào)和適用于它們的邏輯關(guān)系的邏輯門(mén)和頂端事件相連，這樣就構(gòu)成了一棵以頂事件為根，中間事件為節(jié)，底事件為葉的有若干級(jí)的倒置的故障樹(shù)。

3 故障樹(shù)分析的數(shù)學(xué)模型

故障樹(shù)是由所有底事件的“并”和“交”的邏輯關(guān)系連接構(gòu)成，因此可以用結(jié)構(gòu)函數(shù)作為數(shù)學(xué)工具，來(lái)建立故障樹(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式，以便對(duì)故障事件作出定性分析和定量計(jì)算。為了簡(jiǎn)化分析起見(jiàn)，假設(shè)分析的零部件和系統(tǒng)只有兩種狀態(tài)，正常或故障；且假設(shè)零部件的故障是相對(duì)獨(dú)立的。以由n個(gè)相互獨(dú)立的底事件構(gòu)成的故障樹(shù)作為研究對(duì)象。

設(shè)是表示底事件的狀態(tài)變量，取值0或l，設(shè)表示頂事件的狀態(tài)變量，也取值0或1，則有如下定義：

=

=

因故障樹(shù)頂事件是系統(tǒng)所不希望發(fā)生的故障狀態(tài)，即=1與此狀態(tài)相對(duì)應(yīng)的底事件狀態(tài)為零部件故障狀態(tài)，即=1。顯而易見(jiàn)，頂事件狀態(tài)完全取決于底事件，即頂事件的狀態(tài)必須是底事件狀態(tài)的函數(shù)，則有=（X）=（，，…，），稱(chēng)（X）為故障樹(shù)的結(jié)構(gòu)函數(shù)，它表示系統(tǒng)狀態(tài)的一種邏輯函數(shù)，其自變量為該系統(tǒng)各組成單元的狀態(tài)。

3.1 與門(mén)結(jié)構(gòu)函數(shù)

如果一與門(mén)故障樹(shù)，=1，=1，…，，則其結(jié)構(gòu)函數(shù)為（x）=1，表示當(dāng)全部零部件都發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)才發(fā)生故障。反之，只要其中一個(gè)=0，則（x）=0，表示只要有一個(gè)零部件不發(fā)生故障，則頂事件不發(fā)生，即系統(tǒng)正常。

3.2 或門(mén)結(jié)構(gòu)函數(shù)

如果一個(gè)或門(mén)故障樹(shù)，=1，而其它=0，則其結(jié)構(gòu)函數(shù)為（x）=1，表示當(dāng)一個(gè)零部件發(fā)生故障，則系統(tǒng)就發(fā)生故障。反之，全部=0，則（x）=0，表示所有零部件不發(fā)生故障，則頂事件不會(huì)發(fā)生，即系統(tǒng)正常。

4 故障樹(shù)的定性分析和定量計(jì)算

4.1 定性分析

對(duì)故障樹(shù)定性分析的主要目的是：尋找導(dǎo)致與系統(tǒng)有關(guān)的不希望事件發(fā)生的原因和各種原因的組合，即尋找導(dǎo)致頂事件發(fā)生的所有故障模式。從中確定系統(tǒng)的最薄弱的環(huán)節(jié)，從而采取相應(yīng)的措施，予以補(bǔ)救。比如對(duì)關(guān)鍵的零部件采取故障監(jiān)測(cè)與診斷的措施就可以減少排除故障的時(shí)間。

割集是導(dǎo)致故障樹(shù)頂事件發(fā)生的若干底事件集合。一個(gè)割集代表了系統(tǒng)故障發(fā)生的一種可能性，即一種失效模式。若將割集中含底事件任意去掉一個(gè)就不成為割集，則稱(chēng)此為最小割集。路集是故障樹(shù)中一些底事件的集合。若將路集中所含底事件任意去掉一個(gè)就不能稱(chēng)為路集，而稱(chēng)為最小路集。由于一個(gè)最小割集是包含有最少數(shù)量而又最必須的底事件的集合，而全部最小割集的完整集合則代表了給定系統(tǒng)的全部故障。因此，最小割集的意義在于它描述出處于故障狀態(tài)的系統(tǒng)中所必須排除的故障，顯示出系統(tǒng)中最薄弱環(huán)節(jié)。對(duì)故障樹(shù)進(jìn)行定性分析的主要目的是查清系統(tǒng)出現(xiàn)某種故障有多少種可能性，從而確定系統(tǒng)的最小割集，以便發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的最薄弱環(huán)節(jié)[2]。

4.2 故障樹(shù)的定量計(jì)算

故障樹(shù)的定量計(jì)算就是利用故障樹(shù)這一邏輯圖形作為模型，計(jì)算或估計(jì)頂事件發(fā)生的概率及系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)，從而對(duì)系統(tǒng)的可靠性及其故障進(jìn)行定量分析。

一般情況下，故障分布假定為指數(shù)分布，根據(jù)底事件的發(fā)生概率，按照故障樹(shù)的邏輯結(jié)構(gòu)逐漸向上運(yùn)算，即可計(jì)算出頂事件的發(fā)生概率。假設(shè)事件，，…，的發(fā)生概率為，，，由這些底事件組成的不同邏輯門(mén)結(jié)構(gòu)及其頂事件發(fā)生的概率可按照下列公式進(jìn)行計(jì)算：

（1） 與門(mén)結(jié)構(gòu)事件發(fā)生概率

（2） 或門(mén)結(jié)構(gòu)事件發(fā)生概率

（3） 頂事件發(fā)生概率

如果某故障樹(shù)的全部最小割集，，…，，并假設(shè)不考慮同時(shí)發(fā)生兩個(gè)或兩個(gè)以上零部件故障，各最小割集中沒(méi)有重復(fù)出現(xiàn)的底事件。在此前提下，頂事件發(fā)生概率為：endprint

式中，為在t時(shí)刻第j個(gè)最小割集存在的概率；為t時(shí)刻第j個(gè)最小割集中第t個(gè)部件的故障概率；為最小割集數(shù)；為頂事件的發(fā)生概率，即系統(tǒng)的不可靠度。

5 故障樹(shù)分析法分析飛機(jī)故障舉例

5.1 PACK出口超溫故障分析

當(dāng)PACK組件出口溫度傳感器探測(cè)到PACK的出口溫度大于 95℃時(shí)，此故障就會(huì)被激發(fā)。此故障出現(xiàn)時(shí)，一般只有ECAM的警告信息和ECS報(bào)告。和壓氣機(jī)超溫故障一樣，在出現(xiàn)此類(lèi)故障時(shí)，都應(yīng)該先檢查CFDS上有無(wú)相關(guān)信息，如果有，直接根據(jù)CFDS上的提供的信息進(jìn)行排故。當(dāng)CFDS上沒(méi)有信息時(shí)，也要檢查ECS的報(bào)告。PACK出口超溫故障會(huì)導(dǎo)致空調(diào)系統(tǒng)中區(qū)域溫度控制部分出現(xiàn)問(wèn)題，因此出現(xiàn)此類(lèi)故障時(shí)，必須馬上排除。下面就針對(duì)PACK出口超溫故障進(jìn)行故障樹(shù)的分析[3]。

5.2 故障樹(shù)的建立

（1）頂事件。在空調(diào)系統(tǒng)中，PACK出口超溫故障會(huì)導(dǎo)致客艙或駕駛艙的溫度不能調(diào)節(jié)，飛機(jī)客艙不能進(jìn)行正常的增壓，飛機(jī)駕駛艙的儀表和電子設(shè)備艙的設(shè)備得不到正常的冷卻，在故障等級(jí)中屬于危險(xiǎn)性的故障，要求飛機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)發(fā)生此類(lèi)故障的概率為10-7每飛行小時(shí)。一旦發(fā)生此類(lèi)故障，將極大地降低飛機(jī)的安全裕度，極大地加重了機(jī)組的負(fù)擔(dān)與壓力，使其無(wú)法正確完成操作，有可能引起飛機(jī)損壞或人員傷亡。建立此故障樹(shù)的邊界條件為：不考慮導(dǎo)線故障、環(huán)境因素和人為因素造成的故障，只考慮空調(diào)系統(tǒng)自身的故障。

（2）中間事件。參考A320ASM手冊(cè)21-61-00（PACK組件溫度控制）可以看出，PACK出口溫度超溫故障的觸發(fā)要使PACK出口溫度傳感器感受到95℃才會(huì)激發(fā)警告。因此，除了PACK出口溫度傳感器本身故障以外，只有可能是從防冰活門(mén)或旁通活門(mén)出來(lái)的熱引氣才會(huì)使PACK出口溫度出現(xiàn)超溫。

（3）底事件。根據(jù)A320的ASM手冊(cè)21-61-00可以知道，如果旁通活門(mén)位置非正常的打開(kāi)，那么引起此現(xiàn)象的原因是旁通活門(mén)機(jī)械故障或控制它的PACK 控制器發(fā)出錯(cuò)誤的控制信號(hào)。如果是防冰活門(mén)非正常打開(kāi)造成，那么引起防冰活門(mén)不正常打開(kāi)的原因一般有兩個(gè)，一個(gè)是防冰活門(mén)本身故障，二是控制防冰活門(mén)的氣動(dòng)傳感器有故障。

5.3 定性分析

通過(guò)以上的PACK出口溫度傳感器、防冰活門(mén)機(jī)械故障、旁通活門(mén)機(jī)械故障的分析，可以得出PACK組件出口超溫的故障樹(shù)如下圖1所示。表1列出了故障樹(shù)中各符號(hào)的具體含義。

6 結(jié)語(yǔ)

故障樹(shù)分析法是系統(tǒng)可靠性研究中常用的一種分析方法。故障樹(shù)分析法是在弄清基本失效模式的基礎(chǔ)上，通過(guò)建立故障樹(shù)的方法，找出系統(tǒng)故障原因，分析系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)，以改進(jìn)原有設(shè)備，指導(dǎo)維修，防止事故的發(fā)生。故障樹(shù)分析法本身作為故障分析的一種行之有效的方法與飛機(jī)現(xiàn)有的故障監(jiān)控系統(tǒng)相結(jié)合，可以彌補(bǔ)飛機(jī)內(nèi)部故障監(jiān)控系統(tǒng)無(wú)法將環(huán)境因素與人為因素計(jì)算在內(nèi)的缺陷，提高維修能力，為提高航空公司的競(jìng)爭(zhēng)力提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

參考文獻(xiàn)：

[1]虞和濟(jì).故障診斷的基本原理.北京：冶金工業(yè)出版社，1991.

[2]朱繼源.故障樹(shù)原理和應(yīng)用.西安：西安交通大學(xué)出版社，1989.

[3]刁雄.A32飛機(jī)空調(diào)系統(tǒng)故障的分析與處理.《航空維修與工程》，2004.3.endprint

式中，為在t時(shí)刻第j個(gè)最小割集存在的概率；為t時(shí)刻第j個(gè)最小割集中第t個(gè)部件的故障概率；為最小割集數(shù)；為頂事件的發(fā)生概率，即系統(tǒng)的不可靠度。

5 故障樹(shù)分析法分析飛機(jī)故障舉例

5.1 PACK出口超溫故障分析

當(dāng)PACK組件出口溫度傳感器探測(cè)到PACK的出口溫度大于 95℃時(shí)，此故障就會(huì)被激發(fā)。此故障出現(xiàn)時(shí)，一般只有ECAM的警告信息和ECS報(bào)告。和壓氣機(jī)超溫故障一樣，在出現(xiàn)此類(lèi)故障時(shí)，都應(yīng)該先檢查CFDS上有無(wú)相關(guān)信息，如果有，直接根據(jù)CFDS上的提供的信息進(jìn)行排故。當(dāng)CFDS上沒(méi)有信息時(shí)，也要檢查ECS的報(bào)告。PACK出口超溫故障會(huì)導(dǎo)致空調(diào)系統(tǒng)中區(qū)域溫度控制部分出現(xiàn)問(wèn)題，因此出現(xiàn)此類(lèi)故障時(shí)，必須馬上排除。下面就針對(duì)PACK出口超溫故障進(jìn)行故障樹(shù)的分析[3]。

5.2 故障樹(shù)的建立

（1）頂事件。在空調(diào)系統(tǒng)中，PACK出口超溫故障會(huì)導(dǎo)致客艙或駕駛艙的溫度不能調(diào)節(jié)，飛機(jī)客艙不能進(jìn)行正常的增壓，飛機(jī)駕駛艙的儀表和電子設(shè)備艙的設(shè)備得不到正常的冷卻，在故障等級(jí)中屬于危險(xiǎn)性的故障，要求飛機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)發(fā)生此類(lèi)故障的概率為10-7每飛行小時(shí)。一旦發(fā)生此類(lèi)故障，將極大地降低飛機(jī)的安全裕度，極大地加重了機(jī)組的負(fù)擔(dān)與壓力，使其無(wú)法正確完成操作，有可能引起飛機(jī)損壞或人員傷亡。建立此故障樹(shù)的邊界條件為：不考慮導(dǎo)線故障、環(huán)境因素和人為因素造成的故障，只考慮空調(diào)系統(tǒng)自身的故障。

（2）中間事件。參考A320ASM手冊(cè)21-61-00（PACK組件溫度控制）可以看出，PACK出口溫度超溫故障的觸發(fā)要使PACK出口溫度傳感器感受到95℃才會(huì)激發(fā)警告。因此，除了PACK出口溫度傳感器本身故障以外，只有可能是從防冰活門(mén)或旁通活門(mén)出來(lái)的熱引氣才會(huì)使PACK出口溫度出現(xiàn)超溫。

（3）底事件。根據(jù)A320的ASM手冊(cè)21-61-00可以知道，如果旁通活門(mén)位置非正常的打開(kāi)，那么引起此現(xiàn)象的原因是旁通活門(mén)機(jī)械故障或控制它的PACK 控制器發(fā)出錯(cuò)誤的控制信號(hào)。如果是防冰活門(mén)非正常打開(kāi)造成，那么引起防冰活門(mén)不正常打開(kāi)的原因一般有兩個(gè)，一個(gè)是防冰活門(mén)本身故障，二是控制防冰活門(mén)的氣動(dòng)傳感器有故障。

5.3 定性分析

通過(guò)以上的PACK出口溫度傳感器、防冰活門(mén)機(jī)械故障、旁通活門(mén)機(jī)械故障的分析，可以得出PACK組件出口超溫的故障樹(shù)如下圖1所示。表1列出了故障樹(shù)中各符號(hào)的具體含義。

6 結(jié)語(yǔ)

故障樹(shù)分析法是系統(tǒng)可靠性研究中常用的一種分析方法。故障樹(shù)分析法是在弄清基本失效模式的基礎(chǔ)上，通過(guò)建立故障樹(shù)的方法，找出系統(tǒng)故障原因，分析系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)，以改進(jìn)原有設(shè)備，指導(dǎo)維修，防止事故的發(fā)生。故障樹(shù)分析法本身作為故障分析的一種行之有效的方法與飛機(jī)現(xiàn)有的故障監(jiān)控系統(tǒng)相結(jié)合，可以彌補(bǔ)飛機(jī)內(nèi)部故障監(jiān)控系統(tǒng)無(wú)法將環(huán)境因素與人為因素計(jì)算在內(nèi)的缺陷，提高維修能力，為提高航空公司的競(jìng)爭(zhēng)力提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

參考文獻(xiàn)：

[1]虞和濟(jì).故障診斷的基本原理.北京：冶金工業(yè)出版社，1991.

[2]朱繼源.故障樹(shù)原理和應(yīng)用.西安：西安交通大學(xué)出版社，1989.

[3]刁雄.A32飛機(jī)空調(diào)系統(tǒng)故障的分析與處理.《航空維修與工程》，2004.3.endprint

式中，為在t時(shí)刻第j個(gè)最小割集存在的概率；為t時(shí)刻第j個(gè)最小割集中第t個(gè)部件的故障概率；為最小割集數(shù)；為頂事件的發(fā)生概率，即系統(tǒng)的不可靠度。

5 故障樹(shù)分析法分析飛機(jī)故障舉例

5.1 PACK出口超溫故障分析

當(dāng)PACK組件出口溫度傳感器探測(cè)到PACK的出口溫度大于 95℃時(shí)，此故障就會(huì)被激發(fā)。此故障出現(xiàn)時(shí)，一般只有ECAM的警告信息和ECS報(bào)告。和壓氣機(jī)超溫故障一樣，在出現(xiàn)此類(lèi)故障時(shí)，都應(yīng)該先檢查CFDS上有無(wú)相關(guān)信息，如果有，直接根據(jù)CFDS上的提供的信息進(jìn)行排故。當(dāng)CFDS上沒(méi)有信息時(shí)，也要檢查ECS的報(bào)告。PACK出口超溫故障會(huì)導(dǎo)致空調(diào)系統(tǒng)中區(qū)域溫度控制部分出現(xiàn)問(wèn)題，因此出現(xiàn)此類(lèi)故障時(shí)，必須馬上排除。下面就針對(duì)PACK出口超溫故障進(jìn)行故障樹(shù)的分析[3]。

5.2 故障樹(shù)的建立

（1）頂事件。在空調(diào)系統(tǒng)中，PACK出口超溫故障會(huì)導(dǎo)致客艙或駕駛艙的溫度不能調(diào)節(jié)，飛機(jī)客艙不能進(jìn)行正常的增壓，飛機(jī)駕駛艙的儀表和電子設(shè)備艙的設(shè)備得不到正常的冷卻，在故障等級(jí)中屬于危險(xiǎn)性的故障，要求飛機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)發(fā)生此類(lèi)故障的概率為10-7每飛行小時(shí)。一旦發(fā)生此類(lèi)故障，將極大地降低飛機(jī)的安全裕度，極大地加重了機(jī)組的負(fù)擔(dān)與壓力，使其無(wú)法正確完成操作，有可能引起飛機(jī)損壞或人員傷亡。建立此故障樹(shù)的邊界條件為：不考慮導(dǎo)線故障、環(huán)境因素和人為因素造成的故障，只考慮空調(diào)系統(tǒng)自身的故障。

（2）中間事件。參考A320ASM手冊(cè)21-61-00（PACK組件溫度控制）可以看出，PACK出口溫度超溫故障的觸發(fā)要使PACK出口溫度傳感器感受到95℃才會(huì)激發(fā)警告。因此，除了PACK出口溫度傳感器本身故障以外，只有可能是從防冰活門(mén)或旁通活門(mén)出來(lái)的熱引氣才會(huì)使PACK出口溫度出現(xiàn)超溫。

（3）底事件。根據(jù)A320的ASM手冊(cè)21-61-00可以知道，如果旁通活門(mén)位置非正常的打開(kāi)，那么引起此現(xiàn)象的原因是旁通活門(mén)機(jī)械故障或控制它的PACK 控制器發(fā)出錯(cuò)誤的控制信號(hào)。如果是防冰活門(mén)非正常打開(kāi)造成，那么引起防冰活門(mén)不正常打開(kāi)的原因一般有兩個(gè)，一個(gè)是防冰活門(mén)本身故障，二是控制防冰活門(mén)的氣動(dòng)傳感器有故障。

5.3 定性分析

通過(guò)以上的PACK出口溫度傳感器、防冰活門(mén)機(jī)械故障、旁通活門(mén)機(jī)械故障的分析，可以得出PACK組件出口超溫的故障樹(shù)如下圖1所示。表1列出了故障樹(shù)中各符號(hào)的具體含義。

6 結(jié)語(yǔ)

故障樹(shù)分析法是系統(tǒng)可靠性研究中常用的一種分析方法。故障樹(shù)分析法是在弄清基本失效模式的基礎(chǔ)上，通過(guò)建立故障樹(shù)的方法，找出系統(tǒng)故障原因，分析系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)，以改進(jìn)原有設(shè)備，指導(dǎo)維修，防止事故的發(fā)生。故障樹(shù)分析法本身作為故障分析的一種行之有效的方法與飛機(jī)現(xiàn)有的故障監(jiān)控系統(tǒng)相結(jié)合，可以彌補(bǔ)飛機(jī)內(nèi)部故障監(jiān)控系統(tǒng)無(wú)法將環(huán)境因素與人為因素計(jì)算在內(nèi)的缺陷，提高維修能力，為提高航空公司的競(jìng)爭(zhēng)力提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

參考文獻(xiàn)：

[1]虞和濟(jì).故障診斷的基本原理.北京：冶金工業(yè)出版社，1991.

[2]朱繼源.故障樹(shù)原理和應(yīng)用.西安：西安交通大學(xué)出版社，1989.

[3]刁雄.A32飛機(jī)空調(diào)系統(tǒng)故障的分析與處理.《航空維修與工程》，2004.3.endprint