A320飛機(jī)引氣系統(tǒng)故障仿真模擬系統(tǒng)的建立與應(yīng)用

朱貴森

摘要：A320飛機(jī)引氣系統(tǒng)故障頻發(fā)且故障類型多、排故難度大，對(duì)航線的維修排故、航班的準(zhǔn)點(diǎn)率及航空公司的運(yùn)營品質(zhì)等方面都有影響。該系統(tǒng)中較常出現(xiàn)故障件因找不到具體故障原因而以NFF返回的情況。為了盡可能找到該類型故障件的真實(shí)故障原因，本文從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，基于航班飛行后的QAR譯碼數(shù)據(jù)支持，以真實(shí)的飛機(jī)部件在地面上建立故障仿真模擬系統(tǒng)。通過在該系統(tǒng)中輸入對(duì)應(yīng)航班的譯碼數(shù)據(jù)參數(shù)，仿真模擬該次航班引氣系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，以實(shí)現(xiàn)故障模擬、故障重現(xiàn)、故障測(cè)試和故障排除等。該模擬系統(tǒng)在疑難故障的重現(xiàn)、重要事件的判斷及不安全事件的調(diào)查等方面有著顯著的優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：引氣系統(tǒng)；地面仿真；故障模擬

Keywords：bleed system；ground simulation；fault simulation

0 引言

A320飛機(jī)引氣系統(tǒng)故障頻發(fā)，排故拆下的部分故障件在返廠測(cè)試后因找不到具體故障原因經(jīng)常以NFF返回，其中部分帶有爭(zhēng)議的NFF件成為航空公司和維修廠家不易解決的難題。為了解決類似問題，本文提出建立和應(yīng)用A320飛機(jī)引氣系統(tǒng)的故障仿真模擬系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用真實(shí)的飛機(jī)部件在地面建立模擬系統(tǒng)模擬飛機(jī)引氣系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。使用真實(shí)飛機(jī)部件進(jìn)行的仿真模擬有別于科研院所機(jī)構(gòu)中使用數(shù)學(xué)建模進(jìn)行的虛擬仿真模擬。目前國內(nèi)在A320飛機(jī)引氣系統(tǒng)領(lǐng)域中尚不具備這樣系統(tǒng)全面的故障仿真模擬系統(tǒng)。

從短期看，建立該模擬系統(tǒng)可以盡快解決A320飛機(jī)引氣系統(tǒng)中部分故障件返廠測(cè)試后找不到具體故障原因的問題，從而更好地保障飛行安全，從長遠(yuǎn)看如果成立專門機(jī)構(gòu)，可彌補(bǔ)目前國內(nèi)缺乏A320飛機(jī)引氣系統(tǒng)領(lǐng)域深入研究機(jī)構(gòu)的不足。該機(jī)構(gòu)能在引氣系統(tǒng)中疑難故障的重現(xiàn)、重要事件的判斷以及不安全事件的調(diào)查等方面提供更好的判斷方案或解決方案，還可成為A320飛機(jī)引氣系統(tǒng)領(lǐng)域中的第三方鑒定機(jī)構(gòu)，緩解目前該系統(tǒng)部分疑難部件只能送國外OEM檢測(cè)鑒定的制約。

在應(yīng)用前景方面，A320飛機(jī)引氣系統(tǒng)的故障仿真模擬系統(tǒng)基于飛行大數(shù)據(jù)QAR譯碼數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行模擬，飛行大數(shù)據(jù)的支持與獲取將更加助力該系統(tǒng)的推進(jìn)和發(fā)展。目前民航飛行大數(shù)據(jù)中的QAR譯碼數(shù)據(jù)已被各航空公司或部門廣泛應(yīng)用于多個(gè)方面并發(fā)揮著重要作用，如飛行過程仿真重現(xiàn)、飛行品質(zhì)監(jiān)控與改善、飛行技術(shù)評(píng)價(jià)、飛機(jī)維修維護(hù)、安全品質(zhì)評(píng)估、油耗評(píng)測(cè)與節(jié)能技術(shù)的改進(jìn)、事故因素調(diào)查以及主動(dòng)安全管理等，民航飛行大數(shù)據(jù)的發(fā)展也將促進(jìn)該模擬系統(tǒng)在疑難故障重現(xiàn)、重要事件判斷以及不安全事件調(diào)查等方面發(fā)揮顯著的作用。基于持續(xù)滿足航空公司的客戶化需求以及上述背景及應(yīng)用前景，設(shè)計(jì)并建立了該模擬系統(tǒng)。

1 故障模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和建立

1.1 故障模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

A320飛機(jī)引氣系統(tǒng)屬于氣動(dòng)系統(tǒng)，系統(tǒng)中的工作介質(zhì)主要為空氣，因此系統(tǒng)部件經(jīng)常受空氣污染影響而使性能下降，同時(shí)部件處于引氣系統(tǒng)的高溫高壓環(huán)境中，常出現(xiàn)多種故障現(xiàn)象造成不同程度的影響，甚至造成航班備降或返航。經(jīng)過多年的理論和實(shí)際研究，根據(jù)A320飛機(jī)引氣系統(tǒng)的功能布局以及系統(tǒng)中各部件的相互關(guān)系，設(shè)計(jì)并建立了A320飛機(jī)引氣系統(tǒng)的故障仿真模擬系統(tǒng)。該模擬系統(tǒng)的布局示意圖如圖1所示。

該模擬系統(tǒng)在飛機(jī)環(huán)控實(shí)驗(yàn)室中采取自左向右的展開布局，左邊為氣源系統(tǒng)區(qū)域、氣源控制區(qū)域和回收系統(tǒng)區(qū)域，右邊為引氣系統(tǒng)各部件的安裝區(qū)域及控制系統(tǒng)區(qū)域。

A320飛機(jī)引氣系統(tǒng)是按飛機(jī)各系統(tǒng)的需要，采用與飛機(jī)及動(dòng)力裝置實(shí)時(shí)狀態(tài)相適應(yīng)的方式，從發(fā)動(dòng)機(jī)不同的壓氣機(jī)級(jí)引入空氣，并進(jìn)行相應(yīng)的壓力調(diào)節(jié)和溫度調(diào)節(jié)，最后將適當(dāng)壓力和溫度的空氣提供給飛機(jī)的各用氣系統(tǒng)[1]。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在慢車狀態(tài)且功率較低時(shí)，系統(tǒng)從高壓級(jí)（HP級(jí)）經(jīng)高壓引氣活門（HPV）進(jìn)行引氣；當(dāng)在巡航及以上狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)從中壓級(jí)（IP級(jí)）經(jīng)單向活門（IPCV）和壓力調(diào)節(jié)活門（PRV）進(jìn)行引氣。引入發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇端（FAN端）的冷空氣則是為了冷卻上述來自發(fā)動(dòng)機(jī)高壓級(jí)和中壓級(jí)的熱引氣。

因此，按上述壓力分類，系統(tǒng)中的供氣壓力設(shè)計(jì)為三級(jí)：IP代表中壓（實(shí)際所需壓力約1.5MPa），HP代表高壓（實(shí)際所需壓力約2.0MPa），F(xiàn)AN代表低壓（冷卻空氣壓力，實(shí)際所需壓力約0.6MPa）。

系統(tǒng)溫度設(shè)計(jì)為：系統(tǒng)中的紅黃藍(lán)顏色分別代表不同的溫度，紅色代表高溫區(qū)域（實(shí)際溫度約400℃）、黃色代表引氣系統(tǒng)控制溫度區(qū)域（實(shí)際溫度約 200℃）、藍(lán)色代表低溫區(qū)域（實(shí)際溫度約10℃～20℃）。

系統(tǒng)管線設(shè)計(jì)為：粗線代表引氣系統(tǒng)主供氣管路（分別為DN100和DN150），中粗線代表控制壓力管路（約為DN6），細(xì)實(shí)線代表實(shí)物邊框，虛線代表電纜線或信號(hào)線。

系統(tǒng)中有三路連接至回收系統(tǒng)的管路。兩路紅色旁通管路的作用是：當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，可防止IP級(jí)或HP級(jí)管路上的部件關(guān)閉后系統(tǒng)持續(xù)處于高溫、高壓狀態(tài)，還可穩(wěn)定系統(tǒng)管路壓力。黃色管路為經(jīng)過預(yù)冷器冷熱交換后的熱空氣管路。

A320飛機(jī)引氣系統(tǒng)中的主要部件均按實(shí)際位置及連接關(guān)系布局在本系統(tǒng)中，并以部件名稱縮寫表示。包括：引氣監(jiān)控計(jì)算機(jī)（BMC）、高壓引氣活門（HPV）、單向活門（IPCV）、壓力調(diào)節(jié)活門（PRV）、超壓活門（OPV）、風(fēng)扇活門（FAV）、預(yù)冷器（PCE）、溫度控制器（TCT）、溫度限制器（TLT）、溫度控制傳感器（CTS）、壓力傳感器（PTP）和（PRP）等。上述部件又可分為調(diào)節(jié)部分、控制部分、冷卻部分，其中調(diào)節(jié)部分包括HPV、PRV、 OPV、TLT，控制部分包括BMC、TLT、CST、PTP、PRP、4029KS（HPV控制電磁閥S），冷卻部分包括PCE、FAV、TCT。引氣系統(tǒng)的工作圍繞HPV和PRV展開，BMC以最終用氣系統(tǒng)所要求的壓力和溫度為控制目標(biāo)，通過溫度及壓力傳感器等部件的信息反饋，以HPV和PRV為控制對(duì)象對(duì)系統(tǒng)工作進(jìn)行控制，因而發(fā)出的故障或警告信息大多針對(duì)HPV和PRV[1]。其中，故障率很高的HPV和PRV處于系統(tǒng)的高溫、高壓區(qū)域，標(biāo)記為紅色，其余部件根據(jù)所在的溫度及壓力區(qū)域分別標(biāo)記為黃色和藍(lán)色。

1.2 故障模擬系統(tǒng)的建立

圖2所示為模擬系統(tǒng)的程控軟件示意圖。系統(tǒng)左邊包含氣源系統(tǒng)、氣源控制系統(tǒng)及回收系統(tǒng)。氣源系統(tǒng)可模擬飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的供氣，共分為三路供氣：第一路可模擬來自發(fā)動(dòng)機(jī)的中壓級(jí)（IP級(jí)）供氣，第二路可模擬來自發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓級(jí)（HP級(jí)）供氣。由于這兩路供氣可相互切換，且需覆蓋上述的實(shí)際所需范圍，因此所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)供壓范圍均為0～3.0MPa連續(xù)可調(diào)，溫度范圍為室溫～600℃連續(xù)可調(diào)，流量范圍為50～14000kg/h連續(xù)可調(diào)。第三路模擬來自發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇端（FAN端）供氣，供壓范圍為0～0.8MPa連續(xù)可調(diào)，溫度為10℃～ 20℃，流量范圍為50～ 8000kg/h連續(xù)可調(diào)。回收系統(tǒng)包含熱能回收系統(tǒng)和循環(huán)系統(tǒng)。

氣源控制系統(tǒng)中包含多種控制和監(jiān)測(cè)裝置，如關(guān)斷閥、減壓閥、比例調(diào)節(jié)閥、安全閥、分離器、電加熱裝置、壓力監(jiān)測(cè)裝置、溫度監(jiān)測(cè)裝置、流量監(jiān)測(cè)裝置等，均采用符合國標(biāo)的精密級(jí)產(chǎn)品，且檢定合格。

由于以上三路供氣系統(tǒng)的壓力、溫度、流量均為連續(xù)可調(diào)，在該模擬系統(tǒng)中按對(duì)應(yīng)航班的QAR譯碼數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)設(shè)定，可實(shí)時(shí)模擬引氣系統(tǒng)在不同工況條件下的壓力、溫度、流量等變化情況。從而模擬或重現(xiàn)飛機(jī)上的故障現(xiàn)象，盡可能地找到故障件的真實(shí)故障原因。

系統(tǒng)右邊為引氣系統(tǒng)各部件的安裝區(qū)域及控制系統(tǒng)區(qū)域。系統(tǒng)的右上區(qū)域?yàn)橐龤庀到y(tǒng)中部件的實(shí)際安裝與連接位置。稱該系統(tǒng)為仿真模擬系統(tǒng)是因?yàn)橄到y(tǒng)中所安裝的部件均為飛機(jī)上的真實(shí)部件，除需查找故障原因的故障件外均為合格的飛機(jī)備用部件，且各種管路的設(shè)計(jì)與關(guān)聯(lián)布局、部件的操控方式、數(shù)據(jù)的采集形式等均與原飛機(jī)系統(tǒng)一致。在進(jìn)行故障模擬測(cè)試時(shí)，可根據(jù)實(shí)際需求將一個(gè)或多個(gè)故障件甚至多個(gè)疑似故障件按系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖中的位置進(jìn)行安裝和連接，必要時(shí)還可根據(jù)實(shí)際情況在系統(tǒng)末端加入空調(diào)系統(tǒng)的FCV進(jìn)行流量控制。

系統(tǒng)的右下區(qū)域?yàn)樵撓到y(tǒng)中的核心區(qū)域——引氣監(jiān)控計(jì)算機(jī)（BMC）、操作及監(jiān)控平臺(tái)和程控軟件。該系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)通過程控軟件來監(jiān)控和控制各個(gè)氣路及端口的壓力、溫度、流量等參數(shù)，再由傳感器將數(shù)據(jù)通過A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊傳遞給計(jì)算機(jī)。系統(tǒng)還可進(jìn)行擴(kuò)展，根據(jù)需求增加電流、電壓、角度、位移、振動(dòng)、頻率等參數(shù)的監(jiān)控、采集和存儲(chǔ)。系統(tǒng)中使用的各型傳感器、變送器等均為符合國標(biāo)的精密級(jí)產(chǎn)品，且檢定合格。

2 故障模擬系統(tǒng)的應(yīng)用——故障重現(xiàn)案例

以某航班一起“PRV非指令性自動(dòng)關(guān)閉”故障重現(xiàn)案例對(duì)該模擬系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用介紹。

該航班排故時(shí)的故障為PRV起飛階段非指令性自動(dòng)關(guān)閉。航后進(jìn)行了連續(xù)的排故和更換，先更換了HPV，但故障現(xiàn)象依然存在，又更換了PRV和FCV，故障得到排除，共拆除了三個(gè)故障件。查看該航班的譯碼數(shù)據(jù)，從龐大的數(shù)據(jù)中篩選出需要的數(shù)據(jù)參數(shù)。

由譯碼數(shù)據(jù)可看出，左右發(fā)PRV都出現(xiàn)FULLY CLS（完全關(guān)閉）的故障信息，但此時(shí)系統(tǒng)中左右發(fā)PRV的下游都有壓力，通往空調(diào)系統(tǒng)FCV的下游也都有流量，因此可判斷該處的PRV并不是真正完全關(guān)閉，而是“假性關(guān)閉”。分別對(duì)三個(gè)故障件進(jìn)行單獨(dú)的故障測(cè)試，PRV的調(diào)壓異常但并未出現(xiàn)PRV非指令性自動(dòng)關(guān)閉，F(xiàn)CV的扭矩馬達(dá)工作異常，HPV未發(fā)現(xiàn)異常，故障測(cè)試結(jié)果與排故時(shí)的故障原因并不一致。但將三個(gè)故障件全部安裝在該模擬系統(tǒng)中測(cè)試，卻得到了與排故原因中一致的結(jié)果，具體過程如下。

將三個(gè)故障件全部安裝到圖1的故障模擬系統(tǒng)中，輸入譯碼數(shù)據(jù)中出現(xiàn)故障時(shí)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)參數(shù)，系統(tǒng)按照參數(shù)進(jìn)行故障模擬測(cè)試。當(dāng)參數(shù)運(yùn)行到FCV流量值降低且降低到大約與PRV出現(xiàn)FULLY CLS關(guān)閉信息時(shí)相對(duì)應(yīng)的參數(shù)時(shí)，PRV指示到關(guān)閉位，與上述譯碼數(shù)據(jù)中查看到的情況一致，也與前面“假性關(guān)閉”情況一致。原因在于PRV的調(diào)壓異常使PRV已關(guān)得很小（或已處于臨界狀態(tài)），加上FCV工作異常且限流，使得系統(tǒng)管道壓力變化并通過PRV的下游感壓管反饋給PRV，導(dǎo)致PRV進(jìn)一步關(guān)小（并打破臨界狀態(tài)），造成PRV微動(dòng)開關(guān)的關(guān)閉位被觸發(fā)，從而指示到關(guān)閉位。

PRV指示關(guān)閉的故障現(xiàn)象與譯碼數(shù)據(jù)中顯示的FULLY CLS關(guān)閉故障信息一致，實(shí)際工況條件也與譯碼數(shù)據(jù)中的參數(shù)基本相符，重現(xiàn)了故障現(xiàn)象。因此，該故障的真正原因是由引氣系統(tǒng)的PRV故障和空調(diào)系統(tǒng)的FCV故障共同引起，與HPV無關(guān)。

3 結(jié)束語

在排故過程中，某故障現(xiàn)象可能由某一故障件引起，也可能由系統(tǒng)中的多個(gè)故障件共同引起，后者的排故較麻煩，難以找到真正的故障原因。本文提出的故障仿真模擬系統(tǒng)在多故障件排故、跨系統(tǒng)排故、疑難故障重現(xiàn)和不安全事件的調(diào)查等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。該模擬系統(tǒng)除可進(jìn)行故障模擬測(cè)試外，還能對(duì)引氣系統(tǒng)中的氣動(dòng)部件進(jìn)行單獨(dú)性能測(cè)試。

參考文獻(xiàn)

[1]張翅. A320飛機(jī)引氣系統(tǒng)的特點(diǎn)及故障分析[J]. 航空工程與維修，1999（5）：18-20.