基于故障樹的某型發動機防冰故障技術研究

周萌 張千一 徐鑫 陳海洋 李珂 童巖鵬

摘要：針對某型發動機外場裝機條件下地面試車時控制器上位機及飛機座艙發出“防冰故障”告警的情況，采用故障樹分析法，結合“防冰故障”“溫包故障”告警原理，準確定位故障原因，采取相應的解決措施，并對控制軟件邏輯進行優化，增加“溫包故障信號器”監測邏輯，以在飛行前自檢時預判故障，有效提高了飛行安全性。

關鍵詞：航空發動機；防冰故障；溫包故障；控制軟件；監測邏輯

Keywords：aero-engine；anti-icing fault；temperature bulb fault；control software；monitoring logic

0 引言

航空發動機是飛機的心臟，發動機能否正常工作，對飛行安全具有決定性影響。電氣系統（包括多種電氣部件和連接導線）是控制和監測航空發動機工作的重要組成部分，電氣系統工作在高溫、高負荷、強振動的惡劣環境中，極易受到外界環境影響而出現多種類型故障，影響發動機的正常工作，甚至導致毀滅性的事件發生，因此航空發動機電氣系統是飛行安全的技術核心[1]。

由于航空發動機電氣系統的特點是線路多，連接關系復雜，各元器件相互影響，并存在電氣元器件和連接導線之間的信號交聯，以及偶發性電磁干擾故障，因此電氣系統故障常常具有排故工作范圍廣、故障模式難以判斷的技術特點，排故工作難度較大[2]。

航空發動機數字電子控制器（簡稱控制器）作為發動機控制系統（包含電氣系統）的核心部件，其主要作用是對發動機和控制系統的各重要控制、監控參數進行采集，按一定的控制規律和控制算法進行運算并發出控制指令，控制相應的執行機構。作為數字電子控制系統設計的關鍵，控制軟件各環節設計都是至關重要的。

1 故障現象描述

某型航空發動機在外場裝機條件下進行地面試車時，在發動機已運轉至高壓轉子轉速N2≥57%，且當時發動機進口總溫T1≤16℃的條件下，控制器上位機及飛機座艙發出“防冰故障”告警。經檢查發現，控制器滿足防冰自動接通條件，控制器開關量輸出“接通防冰”信號正常，但是控制器開關量輸入“防冰系統接通”信號（KI_FB）檢測時顯示防冰系統沒有接通，即控制器X3插座30管腳（X3：30）未接收到27V信號。同時發現發動機停車時，控制器上位機未發出“溫包故障”告警，判定為異常現象。

2 故障排查

發動機在N2≥57%，T1≤16℃，H<10.5km，Ma<1.2時，滿足防冰接通條件，控制器發出防冰接通指令，通過飛機繼電器，接通防冰氣動電磁閥。電磁閥打開后，將高壓五級熱空氣接通至防冰控制附件，通過壓力差打開防冰控制附件，將熱空氣送出。防冰控制附件接通后產生位移，微動開關采集位移信號后，將防冰接通信號反饋至控制器，形成閉環回路，如圖1所示。

根據防冰控制回路的構成示意圖，梳理了可能導致防冰故障的故障樹，如圖2所示。根據故障樹，梳理出18項底事件，并逐項進行了分析和排除，具體過程如表1所示，其中14項可排除，有4項不能排除。

采用故障樹分析法對底事件進行排查后，有4項底事件不能排除，故障原因定位到飛機供電的斷路器（保險）、發動機電纜、防冰微動開關及飛機電纜（即圖3中線路1）上，需通過進一步排查來準確定位故障原因。“防冰故障”告警的電氣原理示意圖如圖3所示。

正常情況下，斷路器開關閉合，飛機供電28V經由發動機電纜接線盒XC1插座1管腳，給溫包故障信號器（在主燃油泵調節器上）、防冰微動開關（在防冰控制附件上）、總燃油濾壓差信號器、滑油濾壓差信號器以及滑油金屬屑末信號器同時供電。當控制器滿足防冰自動接通條件時，在防冰氣動電磁閥及防冰控制附件功能正常的情況下，防冰微動開關閉合，如果圖3中的線路1上無斷路點，則線路1為通路，這時控制器X3插座30管腳會接受到27V信號；反之，當線路1斷路，則控制器X3插座30管腳不會接受到27V信號。根據防冰功能控制軟件邏輯，控制器滿足防冰自動接通條件而防冰系統沒有接通（即X3：30管腳未接收到27V信號），則通過1394B總線發出“防冰故障”告警信號，這就是飛機座艙發出“防冰故障”告警的原理。

3 故障問題定位

故障數據回放顯示，該型發動機發生防冰故障時，發動機已運轉至N2≥57%，當時T1≤16℃，且發動機地面開車時H為當地海拔（約300m）、Ma=0，控制器滿足防冰自動接通條件。根據上述對防冰故障的排查分析，可判斷該型發動機此次防冰故障的原因是線路1存在斷路點。逐段排查線路1上飛機供電的斷路器（保險）、發動機電纜、防冰微動開關、飛機電纜以及電連接器的連接情況，發現給飛機供電的斷路器（保險）跳閘，致使線路1斷路。懷疑線路1存在短路點，造成線路1電流過大，導致斷路器（保險）跳閘。但經逐段排查后，未在線路1上發現短路點。

圖3所示，溫包故障信號器等5個信號器都是由同一路飛機供電線路供電的，除防冰微動開關這一路外，其他幾路上如果存在短路點，也會造成斷路器（保險）跳閘。因此，逐段排查其他幾路上的發動機電纜、信號器、飛機電纜以及電連接器的連接情況，發現線路2上由發動機電纜接線盒端到控制器端的飛機電纜線（XC2：T→X3：75）（見圖3）存在絕緣問題，與地虛接短路。線路2上飛機電纜線存在短路點，造成線路2電流過大，導致斷路器（保險）跳閘，從而使線路1斷路，控制器根據防冰功能控制軟件邏輯，通過1394B總線發出“防冰故障”告警信號，因此，控制器上位機及飛機座艙發出“防冰故障”告警。

“溫包故障”告警的電氣原理示意圖如圖3所示，液壓原理示意圖如圖4所示。當發動機停車時，由于圖4中定壓油壓力未充分建立，在溫包指令壓力的作用下，溫度傳感器轉換活門1向下移動，使溫包故障信號器4的燃油進口定壓油與回油溝通，溫包故障信號器4內油壓降低，電路接通。但由于斷路器（保險）跳閘，線路2斷路，盡管溫包故障信號器電路接通，控制器X3：75管腳也不會有27V電壓輸入，因此控制器上位機未發出“溫包故障”告警，符合故障現象。

總燃油濾壓差信號器、滑油濾壓差信號器、滑油金屬屑末信號器與溫包故障信號器類似，當總燃油濾、滑油濾未堵塞，滑油中金屬屑末未超標，溫包正常的情況下，這4個信號器不接通，因此無論線路上是否存在其他斷路點，飛機座艙都不會報故。

4 排故措施及驗證情況

針對上述故障原因分析確定的故障問題，以一根絕緣性良好的新飛機電纜線替代原存在絕緣問題的飛機電纜線（XC2：T→X3：75），恢復飛機電纜插頭，從而使飛機供電的斷路器（保險）正常工作，飛機能夠正常供電，圖3中的5路信號器線路都能正常工作。

更換新飛機電纜線后，當發動機停車時，控制器上位機正常發出“溫包故障”告警。發動機地面開車（H約300m、Ma=0）至N2≥57%，且當時T1≤16℃，控制器滿足防冰自動接通條件，控制器上位機及飛機座艙不再發出“防冰故障”告警信號。這表明故障問題定位準確，排故措施有效。

5 控制軟件邏輯優化

飛機電纜線（XC2：T→X3：75）短路造成斷路器（保險）跳閘，致使溫包故障信號器、防冰微動開關等5路信號器線路斷路是導致本次防冰故障的根本原因。實際上，在發動機地面開車前，控制器上位機未發出“溫包故障”告警就說明溫包故障信號器一路（線路2）上存在問題，但這一現象容易被人忽視。同時，假設發動機開車過程中存在溫包故障、總燃油濾堵塞、滑油濾堵塞、滑油金屬屑末超標現象，由于斷路器（保險）跳閘，飛機及控制器也不能正常報故，會嚴重影響發動機安全甚至飛行安全。因此，從更深層次的角度考慮，應對控制軟件邏輯進行優化。

在控制軟件中增加“溫包故障信號器”監測邏輯，可以在飛行前的自檢中及時發現問題。具體控制軟件邏輯要求如下：

增加Flash可調參數“溫包故障信號器狀態字”（默認值為1，可調范圍0、1）。

當“溫包故障信號器狀態字”為0時，飛行前自檢邏輯保持不變。

當“溫包故障信號器狀態字”為1時，在飛行前自檢邏輯中增加溫包故障信號器檢查，即在飛行前自檢過程中，若開關量輸入KI_WB“溫包故障”信號為0V，則認為溫包故障信號器故障，飛行前自檢不通過，并通過1394B總線輸出“上電及飛行前自檢未通過”，在DATA包1、FTI包1的字節偏移212，字內偏移10，發出“飛行前自檢溫包故障信號器故障”，通過RS-422串口總線在上位機中輸出“飛行前自檢未通過”“飛行前自檢溫包故障信號器故障”，在7143數據、上位機數據中增加記錄“飛行前自檢溫包故障信號器故障”。

控制軟件邏輯優化后，如果發動機地面開車前，控制器上位機未發出“溫包故障”告警，控制器飛行前自檢是不通過的，因此可以提前預判故障，及時排查問題原因，并采取相應解決措施，提高了飛行安全性。

6 結束語

本文針對外場飛行前發生的“防冰故障”告警，采用了故障樹分析法，通過分析故障模式的底層事件，梳理了18項底事件，通過對底事件的逐項分析、逐項排除，準確定位該故障的原因為飛機電纜線短路。針對故障問題定位，采取更換導線的排故措施，經驗證，采取措施有效。總結本次防冰故障排故經驗，對控制軟件邏輯進行了優化，可在飛行前自檢時及時發現問題，避免后續此類故障的發生，提高了發動機的可靠性，提高飛行的安全性。

參考文獻

[1] 張璐. 民用航空發動機電氣系統故障診斷方法研究[D]. 天津：天津大學，2016.

[2] 伊恩·莫伊爾，阿倫·西布里奇.飛機系統-航空、電氣和航空電子分布系統綜合[M]. 北京：航空工業出版社，2011，152～155.

作者簡介

周萌，工程師，主要從事航空發動機控制系統總體設計工作。