基于數理統計的A320系列飛機剎車溫度指示系統故障分析

范佳樂 王京 黃勇 顧東敏

摘要：介紹了A320系列飛機剎車溫度指示系統的工作原理，基于數理統計對A320系列飛機剎車溫度指示系統故障進行了可靠性、故障原因分析，提出了排故流程建議，可在減少排故所需航材成本的同時為飛機相關系統的設計提供參考。

關鍵詞：數理統計；可靠性；故障排除；航材成本

Keywords：mathematical statistics；reliability；fault isolation；material cost

0 引言

公司近期A320系列飛機剎車溫度指示系統故障頻發，在總故障數的占比中從2017年的0.37%增長至2020年的1.36%。為了分析這一現象，本文從A320系列飛機剎車溫度指示系統的工作原理、導致故障的基本事件、故障現象、可靠性、故障原因五個方面進行深入分析，得出當前A320系列飛機剎車溫度指示系統故障頻發的原因，最后依據歷史排故數據，給出關于排故流程的建議。

1 剎車溫度指示系統的組成和工作原理

A320飛機的剎車溫度指示系統隸屬起落架的機輪系統，對應ATA章節號為32-47，組成部件為剎車溫度傳感器（BTS）和剎車溫度監控組件（BTMU），下游部件為剎車/轉彎控制組件（BSCU）。

起落A320飛機的機輪系統由前起落架的兩個前輪和左右主起落架各兩個主輪組成，主輪從左到右依次為1號到4號，每個主輪上安裝有獨立的碳剎車組件，4個BTS分別安裝在對應剎車上。

目前A320飛機的BTS采用的是熱電偶式溫度傳感器，熱端位于剎車轂內感受剎車溫度，冷端與BTMU相連[1]，熱端與冷端分別產生電動勢并連接于BTMU電插頭的兩個插釘上，兩端電動勢之差形成與溫差成正比的弱電壓信號。

V/T=0.041mV/℃

左右兩個BTMU安裝在主起落架支柱上，分別接受對應側兩個BTS的電壓信號，并在補償后將放大至1～9V的電壓信號輸出到BSCU，1～9V的電壓信號對應于剎車溫度0～999℃。

BSCU將電壓信號處理為ARINC 429信號并傳輸到系統數據獲取計算機（SDAC）。最終由SDAC供向下游各個部件，如指示在SD wheel頁面上，如圖1所示。

故障指示：

1）當某個剎車溫度監控失效時，SD頁面上對應的溫度將顯示為琥珀色“XX”。

2）當某個剎車溫度超溫（>300℃）時，SD頁面上對應的溫度將顯示為琥珀色數字，同時FWD頁面給出BRAKE HOT警告。

故障監控：當超溫信號或故障信號出現時，SDAC通過ACARS向維修指揮中心傳輸一個空地信號，完成飛機技術狀況的監控，并協助制定排故方案。

2 故障分析

2.1 造成故障的基本事件

根據空客公司提供的A320飛機維護手冊（AMM），按以下條件進行判斷。

1）BSCU將各個剎車的溫度與300℃進行比較，若某個剎車溫度超過300℃，則向SDAC輸出一個超溫信號。

2）如果BTS與BTMU的冷端接線與熱端接線之一斷路或兩者都斷路，BTMU將輸出一個大于9V的電壓表示傳感器失效。

3）如果BTS與BTMU的冷端接線與熱端接線之間短路，剎車溫度指示較低。

4）如果BTS線路與飛機接地，剎車溫度指示較高。

5）90%的電子故障將導致BTMU輸出信號大于9V或小于1V。

2.2 常見故障類型與處理

在空客公司提供的A320飛機故障隔離手冊（TSM）中，提及了該系統的五類故障：

1）單個剎車溫度監控不工作；2）單個剎車溫度指示不正確；3）同側剎車溫度指示不工作或不正確；

4）所有剎車溫度指示不工作或不正確；

5）1號和3號（或3號和4號）剎車溫度指示不工作。

對公司A320系列飛機出現過的剎車溫度指示故障進行統計（見圖2）發現，第一類故障和第二類故障在實際運行中出現頻率最高，分別占76.7%和15.3%；第三類故障出現14起，占4.9%；第四類故障出現9起，占3.1%；第五類故障暫無。

剎車溫度指示的故障涉及公司90%以上的A320機隊，具有普遍性。實際排故過程中，對于第三類和第四類故障的隔離措施簡單有效；對于第三類故障，根據TSM手冊更換BTMU后故障多消除；對于第四類故障，根據TSM手冊更換跳開關1GW后故障也多消除。

在TSM手冊的實際執行中存在以下困難：TSM中的故障確認以落地后重置1GW跳開關和BSCU的BITE測試為依據，在超過9成情況下，重置跳開關并執行測試后故障會消除，但在之后的飛機運行中，56.3%的故障將在短時間（1～60天）內復現，形成重復故障。對于此類情況，TSM上并沒有給出相關排故建議。

2.3 剎車溫度指示的可靠性分析

通過“平均每架飛機單次相關記錄的發生間隔”和“剎車指示累計失效概率”兩種方式對剎車溫度指示的可靠性進行分析，以期發現A320和A321機型剎車溫度指示系統的故障率規律。

第一種方式，對2013年來公司全A320系列機隊的相關維修記錄的條數進行了統計，結合各機飛行天數和飛機數進行計算得到：平均每架A320飛機493天產生一條剎車溫度指示故障記錄，平均每架A321飛機101天產生一條剎車溫度指示的故障記錄，如表1所示。

為了進一步分析剎車指示系統的可靠性，采用第二種方式，分別選取10架飛行時間超過五年的A320飛機和A321飛機共計80個剎車溫度指示作為對照組，采樣目標為單個剎車溫度指示的首次失效時間，采樣頻率為三個月。根據采樣結果，得到剎車指示累計失效概率即剎車指示的不可靠度，其時間分布如圖3所示。

由圖3可以發現，A321飛機的剎車指示在五年內發生故障的概率為72.5%，遠高于A320機型的20%。同時，兩者的圖像近似于均勻分布型概率分布的函數圖像，通過對采樣數據進行擬合，分別得到A320和A321機型剎車指示累計失效概率（故障概率）F（t）關于時間t的函數，t的單位為月。

在擬合過程中，樣本最大標準化殘差的絕對值為1.69，符合國際民航領域95%置信度的要求[2]。

累計失效概率F（t）對時間t求導，得到在60個月的區間內A320機型剎車溫度指示概率密度（每月故障率）f（t）=0.003841，A321機型剎車溫度指示的失效概率密度f（t）=0.011397。假設該失效概率密度在更長的時間區間內有效，A320單個剎車溫度指示的平均無故障時間（平均壽命）約為130個月，而A321的該數據為44個月，僅為A320機型的1/3。

將第一種方式得到的維修記錄產生間隔與第二種方式得到的預期無故障時間相結合，可推算出A320機型平均每次失效將產生2條維修記錄，而A321機型因故障頻率高，實際排故中將產生較多的故障確認步驟，每次失效將產生3.3條維修記錄（見表2）。該推算數據與實際生產中的情況基本吻合，證明了本節計算和假設的有效性。

2.4 A321剎車溫度指示異常原因分析

目前，公司A320系列飛機所使用的剎車系統部件來自法國賽峰公司，BTMU件號為35-1H5-1002，A320BTS件號為C20229001，A321BTS件號為C20464XXX系列。因此，提出第一種假設：件號為C20464XXX的剎車溫度傳感器本體存在可靠性問題。

同時，考慮A320和A321飛機的自重與最大起飛重量都存在約20%的差異，A321飛機在運行過程中起落架區域面臨著更高的振動，但兩者采用了同樣的BTS和BTMU的安裝與連接方式。提出第二種假設：A321機型高載重引起的高振動對剎車溫度指示的可靠性產生了負面影響。

雖然缺少主要故障件BTS的具體維修報告作為數據來源，但由于BTMU件號相同，可以基于公司現有的2018～2020年的BTMU維修報告對第二種假設進行有效性驗證。對比裝機于A320機型和A321機型的BTMU，共計出現了19起BTMU故障，其中A320有7起故障， A321有12起故障。故障類型分為連接頭損壞、電子組件故障、連接頭損壞且電子組件故障，具體如圖4所示。

三年間公司A320機隊數量穩定且A320飛機數量約為A321飛機數量的1.5倍，從圖4可以看出，A321BTMU故障數約為A320BTMU故障數的2倍，可見，即使是相同件號的BTMU，安裝于A321飛機的故障率約為安裝于A320飛機的3倍。結合上一節的結論“A321機型的剎車溫度指示系統的故障率約為A320飛機的3倍”，可以得出第二種假設是造成兩者剎車溫度指示故障率差異巨大的主要原因，也是公司近年來A320系列機隊剎車溫度指示故障頻發的主要原因。

如果能夠依據上述方式進一步將該結論在更大范圍的A320系列機隊上進行驗證，可嘗試對剎車溫度指示系統設計方案進行優化，通過減少振動對相關組件的影響來減少此類故障的發生。

3 故障維護建議

剎車溫度指示的核心部件BTS和BTMU的連接處位于剎車上，屬于高振動區域，電接頭和接頭基座通過黑色橡膠套固定（見圖5）。從3.1節可知，高振動情況下可能發生瞬時松動或水汽浸入。瞬時松動將導致接線斷路，造成剎車溫度指示失效；水汽浸入可能導致BTS冷端熱端間的接線短路而造成指示溫度低，也可能導致BTS接線與電插頭殼體間短路并形成接地而造成指示溫度高。

如果出現剎車溫度指示異常，雖然能夠通過直接更換BTS或BTMU進行故障隔離，但也存在較大可能是以上原因造成的故障，如直接更換BTS將導致功能合格的部件被返廠維修，造成不必要的航材成本浪費。

基于2013～2020年共計484條該故障維修記錄的統計結果，針對不同故障現象，建議按照圖6所示的排故流程進行操作。

3.1 單個剎車溫度指示異常

1）首次出現瞬時故障且重置跳開關1GW測試后故障消除。排故成功率43.7%。

2）如短期（建議兩個月）內故障復現，優先檢查黑色橡膠套是否完好在位，檢查并清潔電接頭。排故成功率70%。

3）若故障復現，更換BTS。排故成功率95%。

4）若故障復現，更換BTMU。排故成功率100%。

若在步驟3中的“故障復現”和“更換BTS”之間加入BTS的本機串件及持續監控，可通過故障是否轉移直接判斷故障源是BTS還是BTMU，但考慮到更換BTS的高排故成功率，建議省略串件環節。

3.2 同側剎車溫度指示異常

1）首次出現瞬時故障且重置跳開關1GW測試。

2）測試出現故障信息或短期內故障復現，更換BTMU。

3.3 所有剎車溫度指示異常

1）首次出現瞬時故障且重置跳開關1GW測試。

2）測試出現故障信息或短期內故障復現，更換1GW。

4 結束語

基于統計分析進行維修方案的優化是MSG-3維修理念下的一種趨勢導向，目前在全球范圍內處于探索和實驗的前沿[2]。本文以公司當前頻發的剎車溫度指示故障為出發點，嘗試進行統計分析，得到“A321機型剎車溫度指示系統故障率為A320機型的3倍且高故障率的主要原因是A321機型高載重帶來的高振動”這一結論。最后，基于歷史排故數據給出了常見剎車溫度指示故障的排故流程建議，相比“出現故障直接更換傳感器”的維修方案將能減少80%不必要的剎車溫度傳感器拆換，在降低航材成本方面具有顯著潛力。

參考文獻

[1]孔祥榮.A320系列飛機機輪溫度指示原理及故障梳理淺談[J].工程技術，2016（28）：307-308.

[2]鄭志霖.基于統計分析方法的飛機維修方案優化[J].航空維修與工程，2020（11）：29-33.