基于故障樹的某型無人機助推器分離異常故障診斷方法

付 凡，孫英超，黃海龍，王再玉

（1．空軍駐江西地區(qū)軍事代表室,江西 南昌330024；2．中國航空工業(yè)洪都，江西 南昌330024）

基于故障樹的某型無人機助推器分離異常故障診斷方法

付 凡1，孫英超2，黃海龍2，王再玉2

（1．空軍駐江西地區(qū)軍事代表室,江西 南昌330024；2．中國航空工業(yè)洪都，江西 南昌330024）

由于故障樹的各節(jié)點之間有很強的邏輯和層次關系，因而由故障樹生成的診斷模式具有很強的條理性和針對性，本文簡述了故障樹建模方法和故障處理步驟，并通過某型無人機助推器故障診斷實例得到了驗證，該方法可適用于目前大多數(shù)飛行器故障分析。

故障樹；助推器分離；動力學仿真

0 引言

故障樹是一種體現(xiàn)故障傳播關系的有向圖[1~3]，它以診斷對象最不希望發(fā)生的事件作為頂事件，按照對象的結構和功能關系逐層展開，直到不可分事件(底事件)為止。它能夠?qū)崿F(xiàn)快速診斷；知識庫易動態(tài)修改，并能保持一致性；概率推理可在一定程度上被用于選擇規(guī)則的搜尋通道，提高診斷效率；診斷技術與領域無關，只要相應的故障樹給定，就可以實現(xiàn)診斷。

1 故障分析方法

1.1 故障樹生成

常見的故障樹生成方法有兩種：演繹法和合成法[4]。演繹法主要用于人工建樹，它是通過人的思考去分析頂事件是怎樣發(fā)生的，再由頂事件出發(fā)循序漸進地尋找每層事件發(fā)生的所有可能的直接原因；合成法主要用于計算機輔助建樹，其缺點是分析人員不能通過分析系統(tǒng)而對目標系統(tǒng)有徹底的了解，也不能像演繹法那樣有效地考慮環(huán)境條件和人為因素的影響。

1.2 故障處理步驟

在飛行器故障工程實際處理中，為使故障問題得到充分的暴露及有效的改進，一般遵循步驟：故障分析→故障復現(xiàn)→解決措施→措施驗證。

2 故障分析應用

2.1 故障介紹

某無人機采用并聯(lián)助推模式，其解鎖結構形式如圖1所示，助推器尾噴口旗板在火焰推力作用下剪斷剪切銷旋轉，拉動推桿脫離制動塊，釋放拉桿約束，解鎖助推器懸掛機構，在氣動力和重力作用下，助推器球頭退出球巢，助推器與無人機分離。在某次助推試驗時，助推器點火，無人機正常發(fā)射，助推器工作末端未正常分離，在飛行末端才出現(xiàn)脫落現(xiàn)象。

2.2 故障樹建立

由助推器連接結構和工作原理，采用故障樹演繹分析方法對可能導致助推器卡死的環(huán)節(jié)進行分析，把助推器未正常脫落的故障定為故障頂事件，采用適當?shù)念悇e顆粒度對頂層事件逐層展開，并結合邏輯關系列出故障樹如圖2所示。

2.3 故障排查

1）X1剪切銷未剪斷

根據(jù)助推器地面試車試驗測量結果，其推力穩(wěn)定。旗狀板面積約占噴口面積的1/3，其受力大約為6.5kN，大于剪切銷的3.2kN剪斷力，且剪切銷若未剪斷則懸掛機構始終無法解鎖，助推器飛行末端亦無法分離。從回收的的殘骸分析，剪切銷正常剪斷。

2）X2推桿與機身相掛

助推器點火，推桿解鎖后，在慣性力作用下向后甩出，可能鉤掛蒙皮，如圖3所示。但該處在設計時蒙皮采用封閉圓滑結構，不存在鉤掛的可能，從回收的殘骸分析，蒙皮未出現(xiàn)刮蹭痕跡。

3）X3助推器工作后右側支撐卡死

助推器工作結束后，有球頭、后支撐與無人機相連。球頭與球巢為間隙配合，該架球頭與球巢零件均無超差，不存在卡死；左支撐與助推器為接觸連接，不會出現(xiàn)卡死現(xiàn)象；右支撐改為可旋轉式叉耳，與助推器為間隙配合如圖4所示，并且裝后進行了地面脫落試驗，不存在卡澀問題。

4）X4氣動升力大于重力

針對飛行試驗中助推器正常脫落和部分架次未正常脫落的現(xiàn)象，對飛行試驗數(shù)據(jù)進行分析發(fā)現(xiàn)，助推器工作結束時刻，無人機為負攻角，助推器氣動升力小于其空載時重力。在未考慮其它未知因素的情況下，助推器能夠順利脫落。

5）X5拉桿轉動角度不夠

當助推器在脫落過程中，拉桿需要產(chǎn)生運動，瞬間會與制動塊分離，即使與制動塊接觸，由于拉桿轉動角較大，拉桿部分與制動塊也不會產(chǎn)生擠壓力。通過助推器殘骸檢查發(fā)現(xiàn)，助推器拉桿根部未倒角，而相應位置支耳根部圓角較大，可能會限制拉桿的轉動角度。

6）X6尾艙蒙皮開口小

當尾艙蒙皮開口較小、制動塊轉動至一定角度時，會與尾艙蒙皮前側相碰，阻礙制動塊繼續(xù)轉動。通過對該批次，尾艙蒙皮開口情況進行檢查發(fā)現(xiàn)，存在蒙皮未加工到位的情況，影響了制動塊的轉動角度。

7）X7制動塊轉動時卡澀

制動塊與裝配轉軸尺寸為φ8H8/f9,查公差手冊，孔公差為（0～+0.022），軸公差為（-0.013～-0.049），為間隙配合；制動塊兩側與鎖片尺寸配合間隙為40H8-2×5h8-30h11，查公差手冊有40（0～+0.039），5（0～-0.018），30（0～0.160），經(jīng)計算間隙為（0～0.235），為間隙配合，如圖5所示。通過尺寸分析制動塊轉動靈活，同時經(jīng)地面檢查和脫落試驗，制動塊能夠自由轉動，不存在卡澀情況。

2.4 故障復現(xiàn)

針對可能導致助推器卡死的情況，使用異常架次回收的助推器殼體進行地面對接脫落試驗，在靜態(tài)情況下出現(xiàn)了兩種助推器不能順利分離的狀態(tài)。

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1）狀態(tài)一（圖6）：

旗狀板打開，推桿向后退出鎖片，分離機構解鎖，此時制動塊轉動至一定角度后被尾艙蒙皮擋住，拉桿達到最大轉動角并掛在制動塊上，此時球頭在球窩中尚未完全滑出，助推器懸掛在無人機上。通過對助推器拉桿、球頭及機上制動塊的痕跡進行分析，其與該懸掛狀態(tài)一致，可互為佐證。

2）狀態(tài)二（圖7）：

旗狀板打開，推桿向后退出鎖片，分離機構解鎖，此時制動塊轉動至一定角度后被尾艙蒙皮擋住，拉桿達到最大轉動角并掛在制動塊上，使球頭從球窩中完全滑出，助推器低頭，尾噴管翹起頂在無人機上，助推器懸掛在無人機上。通過對助推器尾噴管上部與無人機尾艙下蒙皮的痕跡進行分析，其痕跡位置與該懸掛狀態(tài)大致相當，可互為佐證。

2.5 故障定位

通過對飛行數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)在無人機爬升段姿態(tài)角變化出現(xiàn)異?，F(xiàn)象（如圖8所示），即在t1時刻，無人機俯仰角、傾斜角突然降低，之后控制系統(tǒng)作用，操縱舵機動作糾正無人機姿態(tài)，結合助推器兩種懸掛狀態(tài)的故障復現(xiàn)，說明該姿態(tài)異?，F(xiàn)象為助推器在t1時刻由懸掛狀態(tài)一受到擾動而使球頭脫出，變?yōu)閼覓鞝顟B(tài)二所致。球頭脫出后，助推器低頭，尾噴管上翹，撞擊到無人機尾艙上，使無人機俯仰角減?。煌瑫r根據(jù)尾艙殘骸上的痕跡可知（如圖9所示），由于撞擊位置的無人機順航向右側，使無人機向左側傾斜，傾斜角向負方向增大。無人機控制系統(tǒng)感應到機體姿態(tài)變化后，發(fā)出舵機動作指令，糾正無人機姿態(tài)，到t2時刻無人機姿態(tài)恢復正常，因此出現(xiàn)上述現(xiàn)象。

通過以上分析，助推器脫落故障可判斷為：制動塊前方蒙皮阻擋致使其轉動角度不夠，同時拉桿已到最大旋轉角度，使得分離機構解鎖后拉桿仍與制動塊鉤掛，無法分離，從而導致助推器未正常脫落。

1）采取措施

通過分析及運動仿真，助推器分離時，主要由于拉桿與制動塊未分離持續(xù)接觸，阻礙助推器分離；同時將制動塊工作時轉動角度增大和助推器拉桿工作時轉動角度增大，即可解除助推器分離時約束，實現(xiàn)助推器正常脫落。

因此，將尾艙蒙皮開口增大，保證制動塊具有足夠的活動空間，使制動塊轉動角度足夠大，在重力作用下可自由下垂，不存在阻擋。

2）措施驗證

對助推器分離過程進行仿真，當采用上述措施后，助推器分離順暢，助推器可以有效分離；使用空載助推器，針對助推器脫落問題進行了地面驗證試驗，松開旗狀板后助推器正常有效脫落；后續(xù)其它架次飛行試驗助推器正常分離，無異?，F(xiàn)象出現(xiàn)。

3 結語

本文簡述了故障樹建模推理方法和故障處理步驟，并應用故障樹方法對飛行試驗中出現(xiàn)的問題進行定位和復現(xiàn)，采取的解決措施經(jīng)仿真、地面試驗驗證和后續(xù)飛行試驗驗證有效，表明該方法可適用于目前大多數(shù)飛行器故障分析。

[1]蔡宗平，湯正平，閔海波.故障樹分析法的專家系統(tǒng)在故障診斷中應用，微計算機信息，2006，22 (8)：135-138.

[2]葉伯生，黃增雙，李斌.故障樹分析在數(shù)控機床故障診斷系統(tǒng)中的應用，機械設計與制造，2006，(8)：135-137.

[3]朱大奇，于盛林.基于故障樹最小割集的故障診斷方法研究，數(shù)據(jù)采集與處理，2002，17(3)：341~ 344.

[4]Relex Software Co.&intellect．可靠性實用指南．陳曉彤，等譯．北京：北京航空航天大學出版社，2005.

>>>作者簡介

付凡，男，1974年10月出生，1999年畢業(yè)于空軍工程學院，碩士，工程師，現(xiàn)從事飛行器設計及科研管理工作。

摘 要：利用充氫球磨新工藝制備了晶粒尺寸到納米級的鎂基儲氫復相粉末材料，并對試樣進行了EDS、SEM和XRD分析，同時，還對兩種試樣進行了不同溫度下的水解放氫性能測試，結果表明：添加了納米鎳球磨所得的試樣氫化效果明顯優(yōu)于添加普通鎳的試樣。

關鍵詞：鎂基復相材料；水解；球磨

Fault analysis of booster separation and improvement for a certain type of UAV Based on the fault tree model

Fu Fan1，Sun Yingchao2，Huang Hailong2，Wang Zaiyu2
(1.Air Force Military Representative Office to Jiangxi,Nanchang，Jiangxi，330024；2.AVIC-HONGDU，Nanchang,Jiangxi，330024）

Due to the close logical and hierarchical relationship between the incentives of each node in the fault tree, the diagnostic patterns generated by the fault tree are well organized and targeted.This paper describes the modeling method and fault disposal process for the fault tree.This method is verified by a fault tree example which the rocket booster doesn’t separate from UAV.The result indicates that the method is efficient,reliable,and suitable for most existing faults of UAV

Fault tree;Booster separation;Dynamic simulation

2017-01-10）