故障樹推理在無人機發動機故障分析中的應用

故障樹推理以故障作為頂事件，找到所有能夠引起該故障的原因，直到底事件完成為止。通過分析誘發頂事件全部的可能性，可有針對性地高效排除故障。根據無人機發動機組成和工作原理，采用故障樹推理，以發動機故障為頂事件建立故障樹，分析誘發發動機故障的所有可能性，對發動機故障的原因進行排查與定位，同時查出存在的薄弱環節，提出針對性的建議，有效規避了其它各種不可靠因素。

故障樹是一種體現故障的有向圖，以診斷對象最不希望發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。它的優點是能夠實現快速診斷,知識庫很容易動態修改，并能保持一致性；概率推理可在一定程度上被用于迭擇規則的搜尋通道，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，就可以實現診斷。通過分析誘發頂事件全部的可能性，對故障的原因進行排查與定位；同時查找出存在的薄弱環節，提出針對性的建議，力求徹底排除故障的直接原因，有效規避其它各種不可靠因素，因此故障樹推理方法在航空領域應用廣泛。

故障樹推理在發動機故障分析中的應用

故障現象

發動機轉速為89000rpm、尾溫為635℃、機上電壓為14.39V、油門信號75%，緊接的下一幀數據發動機轉速突然出現大幅下降：發動機轉速為45500rpm、尾溫變為612℃、電池電壓為14.42V、油門信號75%。從根據電子控制單元(ECU)與飛控的通訊協議，電池電壓信號采用了8位A/D,其信號分辨精度為0.06V，因此采集到的電池電壓在0.06V范圍內的變化，基本可以認為是常數，即保持不變。表1為發動機故障前后的遙測數據。

表1 故障前后遙測數據

發動機組成

發動機由電子控制單元ECU、油泵、油閥、氣閥、溫度傳感器、轉速傳感器、點火器、起動電機、15V直流電源、油箱等組成，如圖1所示。

飛控通過ECU控制發動機的工作，接收ECU發出的遙測信號，并將遙測信號傳輸給地面測控站。

故障樹

圖2 發動機停車故障樹

導致發動機故障的因素主要有指令停車和燃燒室燃油供油中斷兩種方式，故障樹見圖2。

測試分析

通過信號發生器生成方波信號，模擬發動機上轉速傳感器信號，通過電位差計模擬熱電偶傳感器；ECU與飛控器之間的信號傳輸除按照正式飛行試驗的情況連接外，還通過轉接電纜增加了ECU與測試計算機的連接，測試計算機內新編制了測試軟件，采集ECU發出的遙測信號，該信號采集傳輸速率為11幀數據/0.6s，比原飛控器傳輸給地面測試設備的信號1幀數據/0.6s快11倍，且數據中增加了驅動油泵的指令信號簡稱泵電壓信號，該信號的數值可以直接反應油泵的轉速，從而反應了供給發動機的燃油流量數值。模擬測試主要是測量ECU和油泵的運轉情況，真實的發動機、轉速傳感器、尾溫傳感器、起動電機、點火器不參加試驗，測試模擬正式飛行試驗時飛控器、地面測試設備、ECU的工作情況。測試時的連接關系見圖3。

由地面測試設備發出起動指令，ECU通過飛控器接收到起動指令后，ECU控制氣閥、油閥、燃油泵工作；手動調節信號發生器輸出的方波信號、電位差計輸出的電壓信號，使ECU工作在開環工作狀態，模擬轉速信號發生跳高、跳低兩種異常情況下，分析ECU驅動油泵指令信號的變化情況。表2為測試項目和內容。

故障定位

（1）油閥異常關閉導致發動機停車

針對燃燒室供油中斷這一因素來進行試驗驗證，試驗配置見圖4。油閥異常關閉試驗是在發動機點火狀態下進行的，試驗前在油閥的輸入信號線上安裝手動開關，通過切斷開關來實現油閥供電信號的通、斷，試驗共進行兩次：第一次是發動機點火起動到大車然后轉入巡航狀態后切斷油閥供電；第二次是在發動機點火起動到巡航狀態后切斷油閥供電。圖4為試驗配置圖。

圖3 測試配置圖

表2 測試項目和內容

試驗中發動機轉速由82000rpm變化到43000rpm，轉速的變化率為65000rpm/s，電池電壓14.96V不變。上述兩點與故障數據的特征現象吻合，同時尾溫由488℃降低到469℃，其變化情況也基本吻合。因此，不能排除油閥異常關閉導致發動機停車。

油閥的異常關閉原因如下：

1）ECU接收到飛控關閉油閥指令后，一般情況下發出關閉油閥的電信號，從遙測數據看沒有該信號，因此可以排除該因素；

2）ECU內部驅動油閥的電子元器件燒壞。油閥產品銘牌上的標記是6V供電110mA，實際使用是15V供電300mA，在低溫下實際的供電電流可達到400mA，ECU驅動油閥的電子元器件在該電流下能否正常工作及設計余量是多少，需要仔細分析，如果電子元器件失效，將直接導致無電流輸出引起油閥關閉；

3）油閥本身在給定的驅動電流下，輸出的電磁力是否會由于環境因素變化而導致電磁力減小，這一點需要進一步分析；

4）電纜故障、油閥與ECU之間的電連接器松動引起電力無法直接加載到油閥上，從而引起油閥關閉，這一點無法直接排除。

5）油閥本身故障，需要對油閥的內部結構進行分析，分析其環境適應性，特別是在力學環境中振動、沖擊和溫度環境對其受力的影響，機械力是否存在突變情況。

綜合以上分析：油閥異常關閉會導致發動機停車故障。油閥異常關閉的特征與故障特征十分接近，油閥的實際使用狀況與產品銘牌上的標稱有較大的出入。

（2）油泵出口到燃燒室間的燃油管路斷路導致發動機停車

圖4 試驗配置圖

油泵出口到燃燒室間的管路斷路，主要是油泵出口與油閥進口之間的管路斷路、油閥出口與燃燒室之間的管路斷路。發動機處于巡航狀態工作時，在油閥出口到發動機燃燒室之間的管路上安裝兩個手動開關閥，一路開關采用手動方式切斷供給發動機的燃油，另一路開關采用手動方式將油泵出口的燃油排入敞口容器中。發動機轉速由88500rpm變化到57000rpm，轉速的變化率為52500rpm/s，電池電壓保持14.23V不變，與故障數據的特征現象基本吻合；同時，尾溫的變化情況也基本吻合。因此，油泵出口到燃燒室間的管路斷路導致發動機空中停車的故障因素不能排除。

綜上所述，發動機停車故障定位為：油閥異常關閉或油泵出口管路斷路，引起供給發動機燃燒室的燃油減少或中斷導致發動機不足以維持當前轉速，造成發動機熄火。

機理分析

從故障數據的特征點分析，發動機轉速首先發生突降，而ECU的供電電池電壓基本維持不變，即油泵輸出的燃油沒有發生大的變化。從油閥異常關閉或油泵出口管路發生斷路的時刻開始，發動機由于供油減少或中斷導致發動機轉速下降，尾溫下降，由于發動機處于等供油量的開環工作狀態，因此，ECU不需要對油泵的狀態進行調整，這樣電池電壓可基本保持不變。這兩點與故障數據的特征相似，在后續的幾個采樣點內，由于發動機轉速的持續下降，ECU發現轉速過低，實施主動停車策略，停轉油泵，這樣電池電壓由于輕載將會發生向上跳變，這一點在故障數據和排故過程中都得到了驗證。油閥異常關閉或油泵出口管路發生斷路的因素可對故障做出合理解釋。

建議

建議后續開展下列工作：

（1）分析ECU部件的硬件電路，特別是其中的油閥驅動電路部分；

（2）分析ECU部件內部裝載的控制軟件，分析ECU的控制規律、控制算法、信號采集處理方式和軟件工作流程；必要時在軟件上是否可采取容錯處理措施；如果具備條件，應請第三方完成軟件評測；

（3）油閥本身的特性（供電方面、機械力方面）需要作進一步驗證分析，特別是其環境適應性方面（振動、沖擊、高低溫）需要進一步驗證與分析。如在系統設計中必須使用電磁閥，則必需嚴格控制可能引起I、Ⅱ類故障發生的因素，必要時需采取冗余設計措施提高系統可靠性；

（4）ECU的電連接器選型應優先選用航空產品，電纜需嚴格按照制造驗收技術要求，進行屏蔽設計、生產、加工、驗收、測試、安裝。機上電纜與電子產品正確連接后，應采取防松措施（如打鎖絲），防止電連接器出現接觸不良現象；

（5）地面遙測數據碼速率偏低，無法反映發動機的真實工作情況，建議提高遙測數據碼速率，增加發動機轉速、油泵驅動電壓等遙測參數，新增油泵進出口油壓傳感器檢測點；

（6）該型發動機巡航狀態的控制規律采用了等供油量開環控制，沒有采取轉速閉環控制，本身的抗干擾能力差，特別是在發動機物理轉速發生變化情況或發動機進氣條件發生變化時，實際供給發動機的燃油不做調整，會導致發動機的油氣比失當，情況嚴重時會造成富油或貧油熄火，建議全程采用轉速閉環控制。

結束語

通過采用故障樹推理，以發動機停車為頂事件建立故障樹，分析誘發頂事件全部可能性，對故障的原因進行排查與定位；同時查找出存在的薄弱環節，提出針對性的建議，有效規避其它各種不可靠因素。

（參考文獻：略。如有需要，請聯系編輯部。）