基于故障樹的航空磁電機故障診斷研究

張德銀，梁威鵬，黃選紅，孟 超，陳從翰，孫 淼

(中國民用航空飛行學院 航空工程學院，四川 廣漢 618307)

0 引言

近年來，隨著中國民航事業大發展和各地通航機場數量的擴張，通用航空也在突飛猛進地發展。據《2017年中國通用航空運輸行業研究報告》數據顯示，截至2016年底，我國共有運輸航空公司59家，比上年底增加4家，其中通用航空全行業飛機數量在2014年達1798架，2016年在冊架數2950架，比上年底增加300架。隨著我國機場數量的增加及航空旅客運輸量的增長，預計到2021年，我國通用航空飛機數量將達到1萬架以上[1]。

通用航空委員會對中國通用航空市場的微觀需求進行了較為系統的分析和預測，認為2021年中國約1萬架通用飛機中，將有6000架活塞飛機， 2000架渦輪螺旋槳飛機， 500架商務噴氣飛機，1000架直升機和500架其他機型，而在所有機型中，活塞發動機飛機占比60%左右[2]。由此可見在通用航空發展的進程中，活塞發動機飛機是通用航空器中的主力軍。

航空磁電機是航空活塞發動機點火系統的重要組成部分，工作好壞直接影響發動機的功率，甚至影響飛行安全。調查發現，在某通航單位2008年全年點火系統故障統計中，航空磁電機故障占整個點火系統故障的71%左右[3]。目前維修人員主要參考維修手冊對航空磁電機進行維修，這種方法效率低且依賴維修經驗。

本文將航空磁電機故障樹與以往故障統計數據相結合，制定了航空磁電機故障診斷優先程序，對現有技術進行了優化。

1 航空磁電機組成及工作原理

航空活塞發動機點火系統由航空磁電機、磁電機開關、高壓導線、點火電嘴[4]等部分組成，如圖1所示。

航空磁電機是航空活塞發動機點火系統的核心部件，其銘牌上都標識型號、旋轉方向等信息；高壓導線連接在航空磁電機與點火電嘴之間，由磁電機開關控制其通斷；點火電嘴其實就是一個放電裝置，發動機傳來的機械能通過電磁感應轉化為高壓電通過高壓導線供給點火電嘴正負電極產生電火花[5]，點燃油氣混合氣推動活塞使螺旋槳旋轉作功。

圖1航空活塞發動機點火系統結構圖

每臺飛機發動機都有兩臺航空磁電機以備有余度。圖2所示是航空磁電機基本結構圖，包含沖擊聯軸器、殼體、分電器、電容器、斷電器、線包、磁鐵轉子等部件。航空磁電機工作原理為：當發動機機匣內的齒輪帶動航空磁電機轉子時會在航空磁電機線圈鐵芯中產生磁通。當觸點閉合時會有電流流過初級線圈并在周圍產生磁場，當觸點斷開時初級線圈的磁場會消失，這樣在二級線圈會產生高電壓,這個高電壓通過高壓導線傳到點火電嘴產生電火花。

圖2 航空磁電機基本結構圖

航空磁電機主要部件中，沖擊聯軸器由主動盤、發條式彈簧、被動盤構成，在工作中沖擊聯軸器出現的卡阻、彈簧疲軟等故障會導致航空磁電機無法正常產生高電壓。分電器由分電盤、分電臂、分電齒輪等部分組成，在分電齒輪軸內部裝有碳刷，在長期使用中碳刷會出現磨損，分電臂和裝在分電盤上的分電站會由于跳火產生燒蝕。

航空磁電機的磁鐵轉子、軟鐵架、線包等組件都裝在殼體中，在發動機工作過程中線包與殼體之間的摩擦會使線包外部出現磨損，使線圈與殼體之間放電，降低二級線圈電壓，磁鐵轉子出現的磨損故障會使分電臂在斷電器斷電時無法正對分電站。斷電器由底座、彈簧片、接線座、觸點等部分組成，斷電器觸點間隙發生變化會使航空磁電機掉轉過多，與觸點并聯的電容器的作用是避免觸點燒毀和防止二級線圈電動勢減弱。

2 航空磁電機故障樹的建立

航空磁電機最大故障就是高壓電傳到點火電嘴時產生的電火花強度不夠，甚至不點火。航空磁電機任何部件發生故障都會使航空磁電機工作不正常[6]，因此航空磁電機故障樹的中間事件就是航空磁電機各個部件發生故障，各個部件故障發生的直接原因就是底事件。根據對航空磁電機的故障分析以及在修理廠收集的故障資料，繪制出如圖3所示的航空磁電機故障樹。

圖3航空磁電機故障樹

圖3中頂事件T為航空磁電機點火強度弱或不點火；G1為磁鐵轉子故障，G2為電容器故障，G3為沖擊聯軸器故障，G4為分電器故障，G5為斷電器故障，G6為線包故障；X1為密封件損壞，X2為磁鐵轉子磨損，X3為轉子齒輪磨損，X4為轉子軸承磨損，X5為甩油環損壞，X6為電容器與護套之間松動，X7為電容器導線破損或折斷，X8為電容器本身故障，X9為沖擊聯軸器卡阻，X10為沖擊聯軸器銹蝕，X11為沖擊聯軸器彈簧疲軟，X12為分電盤裂紋或損壞，X13為分電站、分電臂松動或燒蝕，X14為碳刷磨損，X15為碳刷彈簧變形，X16為分電盤齒輪軸磨損，X17為斷電器間隙過大或過小，X18為接觸點燒蝕，X19為接觸點表面氧化、掛油，X20為凸輪磨損或缺失，X21為線圈磨損，X22為線圈燒蝕，X23為線圈接觸片磨損，X24為線圈絕緣性變差，X25為殼體裂紋，X26為傳動軸扭斷

使用下行法求故障樹的最小割集，得出每個底端事件都是一個最小割集。為了進行定量分析，計算出頂端事件發生的概率，為此在修理廠維修一線對400份維修報告進行統計，通過統計得到表1中的數據。

表1 航空磁電機常見故障統計表

續表1

故障出現次數出現概率線圈燒蝕215．25%殼體裂紋205%斷電器間隙過大或過小174．25%線圈接觸片磨損174．25%分電臂、分電站松動或燒蝕133．25%轉子齒輪磨損123%接觸點表面氧化、掛油112．75%分電盤齒輪軸磨損112．75%沖擊聯軸器卡阻102．5%電容器導線破損或折斷92．25%電容值超標71．75%電容器與護套之間松動61．5%磁鐵轉子磨損51．25%轉子軸承磨損51．25%凸輪磨損或缺失41%碳刷彈簧變形30．75%甩油環損壞20．5%線圈絕緣性變差10．25%沖擊聯軸器銹蝕10．25%沖擊聯軸器彈簧疲軟10．25%傳動軸扭斷10．25%

用PGn表示中間事件的發生概率，PXn表示底事件發生的概率，PT表示頂事件的發生概率，則:

PG1=1-(1-PX2)(1-PX3)(1-PX4)(1-PX5)=0.05883；PG2=0.05401；PG3=0.02987；PG4=0.33919；PG5=0.55059；PG6=0.20589；PT=0.81904。

當頂端事件發生時，各個最小割集重要度可根據式PM/T=PM/PT計算。PM/T表示最小割集重要度，PM表示最小割集的發生概率，由上可知PM=PXn，因此PM/T=PXn/PT。則得到各最小割集的重要度，如表2所示。中間事件重要度如表3所示。

表2 最小割集的重要度

表3 中間事件的重要度

續表3

中間事件重要G50．672238G60．251380

3 航空磁電機故障診斷程序制定

為了讓維修人員在工作中能更快找到故障，故根據排故一般規則和重要度將航空磁電機眾多故障分出主次，安排出合理高效的排故程序。

將航空磁電機故障樹中間事件的重要度、作為頂端事件直接原因的底事件的重要度按照大小順序排列：G5斷電器故障重要度>G4分電器故障重要度>G6線包故障重要度>X1密封件損壞重要度>G1磁鐵轉子故障重要度>G2電容器故障重要度>X25殼體裂紋重要度>G3沖擊聯軸器故障重要度>X26傳動軸扭斷重要度。概率重要度值越大，說明它對頂事件的影響越大，故航空磁電機排故主程序如圖4所示。

圖4 航空磁電機排故主程序

將導致分電器故障的底事件按照重要度大小排序，可得出分電器排故子程序，如圖5所示。首先檢查碳刷是否有磨損：在航空磁電機工作過程中碳刷始終跟著分電盤齒輪旋轉，長期使用后會出現磨損，導致碳刷與接觸片之間接觸不良，影響磁電機工作[7]。其次檢查分電盤和分電站，看分電盤是否磨損積碳，看分電站是否有燒蝕。分電站燒蝕會使分電臂與各分電站之間間隙不一樣，導電效果差。接著檢查分電盤齒輪軸是否有磨損。齒輪軸磨損會使分電臂與各個分電站之間的間隙不斷變化，導致航空磁電機傳給各個點火電嘴上的高壓電動勢各不相同。最后檢查碳刷彈簧是否燒蝕、生銹或腐蝕引起變形。碳刷彈簧出現燒蝕變形，同樣也會導致航空磁電機工作不正常。

圖5分電器排故子程序

根據以上方法也可以對航空磁電機的斷電器、線包等部件做出排故程序。除此之外，對航空磁電機線路絕緣值進行檢查時，也應著重檢查磁電機開關。因為磁電機開關后蓋與開關接線柱之間間隙小，在擠壓安全保護套后會導致絕緣值變化，安全保護套和膠合板的本身材料不符合標準也會導致絕緣值變化，這些問題都可能導致發動機無法正常點火[8-10]。

在一線維修中，將核對過的某型號航空磁電機安裝到測試臺進行測試，發現連續性跳火不穩定，初步分析是分電器存在故障。將磁電機分解并對分電器按照排故程序逐步檢查，最終斷定是分電盤磨損、分電盤齒輪松動。最后對各部件按照重要度做出全面細致地檢查。實踐證明將故障樹分析法與磁電機故障診斷結合起來，能夠大大縮短維修人員進行故障診斷的時間，并能讓新手維修人員更快地進行航空磁電機診斷與維修。

4 結語

本文介紹了航空磁電機的結構、工作原理及各部件可能發生的故障，并根據某飛機修理廠近兩年400臺航空磁電機維修報告，建立并定性定量分析了航空磁電機故障。根據各部件故障重要度，對航空磁電機各部件故障進行排故主次排序并設計出航空磁電機分電器故障診斷流程，為機務維修人員迅速定位故障部件提供了技術支撐。

[1] 中商產業研究院.2017年中國通用航空運輸行業研究報告[EB/OL].(2017-06-13)[2017-09-05].http://www.askci.com/news/chanye/20170613/174035100398.shtml.

[2] 丁發軍,閆峰.航空活塞發動機工程技術管理[M].成都：西南交通大學出版社，2014：61-82.

[3] 段容宜.航空磁電機故障與維護淺析[J].科技傳播,2011(12):145-146.

[4] 錢偉,詹定鵬,張德銀,等.航空活塞發動機點火強度均衡性測試及防火研究[J].火災科學,2016,25(4):188-193.

[5] 李汝輝,吳一黃.活塞式航空動力裝置[M].北京:北京航空航天大學出版社,2008:60-69.

[6] 嚴軍.基于故障樹分析法的航空活塞發動機故障診斷專家系統研究[D].成都:電子科技大學,2010.

[7] 呂偉.TB-200飛機航空電機的使用可靠性及故障分析[J].科學技術與工程,2012,12(32):8803-8806.

[8] 馬宏偉.航空活塞式發動機點火故障檢測系統開發[D].成都:電子科技大學,2011.

[9] TB20 aircraft maintenance manual[M].Scotta Aircraft Company,2010.

[10] Cessna 172R maintenance manual[M].Cessna Aircraft Company,2008.