故障樹分析法在飛機排故中的應(yīng)用

李冬

(中國飛行試驗研究院，陜西 西安 710089)

1 概述

民航飛機是一個復(fù)雜的大系統(tǒng)，其可靠性影響著每一趟航班的安全，因此對系統(tǒng)可靠性的分析尤為重要。故障樹分析法是以故障樹作為模型，對大型復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性、安全性進行分析和風(fēng)險評估的一種重要方法。故障樹分析通過對不希望事件的原因逐層分析，確定導(dǎo)致不希望事件的各種故障組合、故障影響的程度以及不希望事件發(fā)生的可能性，從而為評價和改進設(shè)計提供依據(jù)。本文首先介紹了故障樹建模技術(shù)，然后應(yīng)用該技術(shù)對某型民機氣源系統(tǒng)的故障進行了分析。

2 故障樹分析法

故障樹的概念：在系統(tǒng)設(shè)計過程中對可能造成失效的各種因素(包括硬件、軟件、環(huán)境、人為因素)進行分析，畫出邏輯框圖(失效樹)，從而確定失效原因的各種可能性組合方式或其發(fā)生概率，以計算失效概率，采取相應(yīng)的糾正措施，以提高系統(tǒng)可靠性的一種設(shè)計分析方法。

故障樹分析把系統(tǒng)最不希望發(fā)生的故障狀態(tài)作為邏輯分析的目標(biāo)，在故障樹中稱為頂事件，繼而找出導(dǎo)致這一故障狀態(tài)發(fā)生的所有可能直接原因，在故障樹中稱為中間事件。再跟蹤找出導(dǎo)致這些中間故障事件發(fā)生的所有可能直接原因。直追尋到引起中間事件發(fā)生的全部部件狀態(tài)，在故障樹中稱為底事件。用相應(yīng)的代表符號及邏輯們把頂事件、中間事件、底事件連接成樹形邏輯圖，責(zé)成此樹形邏輯圖為故障樹。

3 故障樹的建立步驟

3.1 收集、分析有關(guān)技術(shù)資料

建樹者在進行故障樹分析之前，必須對所分析的系統(tǒng)進行深入了解，并廣泛收集系統(tǒng)設(shè)計意圖、使用說明書、原理圖、流程圖、結(jié)構(gòu)圖、技術(shù)規(guī)范、維修規(guī)程及有關(guān)數(shù)據(jù)和資料信息。

在故障樹建成之后，要盡可能征求有關(guān)人員包括使用和維修人員的意見，找出故障樹中的錯誤、矛盾和遺漏之處。

3.2 選擇頂事件

頂事件是指系統(tǒng)不希望發(fā)生的顯著影響系統(tǒng)技術(shù)性能、經(jīng)濟性、可靠性和安全性故障事件，仔細選擇事件對成功地進行分析是十分重要的，要求建樹者必須慎重、仔細、并廣泛地掌握設(shè)計和使用知識，在進行故障分析所花費的費用與相應(yīng)的不希望發(fā)生事件所造成的的損失之間進行權(quán)衡的基礎(chǔ)上，根據(jù)下述原則來選擇頂事件：

a.選擇頂事件的發(fā)生對系統(tǒng)有著決定性的影響；

b.頂事件必須有明確的意義；

c.頂事件能分解成若干個獨立事件提供分析；

d.若要計算頂事件的發(fā)生概率，則該事件必須有度量的條件，便于定量分析。對同一系統(tǒng)選擇不同的頂事件，則故障樹也不同。

3.3 分析頂事件并分解

尋找引起頂事件發(fā)生的各種原因。將頂事件作為輸出事件，將所有直接原因作為輸入事件，并根據(jù)這些事件實際的邏輯關(guān)系用適當(dāng)?shù)倪壿嬮T相聯(lián)系。分析每一個與頂事件直接相聯(lián)系的輸入事件。如果該事件還能進一步分解，則將其作為下一級的輸出事件。重復(fù)上述步驟，逐級向下分解，直到所有的輸入事件不能再分解或不必要再分解為止，即建成了一棵倒置的故障樹。

4 故障樹分析方法的應(yīng)用

本實例選擇某型民機在兩個月內(nèi)頻繁發(fā)生的氣源系統(tǒng)故障，并使用故障樹分析法進行分析。

4.1 故障現(xiàn)象

2019 年6 月22 日該架飛機飛行過程中，EICAS 報出青色“R BLEED DEGRADED”，此時簡圖頁顯示右側(cè)引氣壓力32psi。飛機高度下降后報出琥珀色“R BLEED FAULT”告警，此時簡圖頁顯示的右側(cè)引氣壓力為8psi。

2019 年9 月16 日，該架飛機在空中飛行時，EICAS 報左發(fā)引氣降級，無法由低壓引氣切換至高壓。飛行員執(zhí)行減速操作時，EICAS 信息出現(xiàn)琥珀色L BLEED FAULT 告警。機務(wù)人員航后通電檢查發(fā)現(xiàn)OMS 故障信息里報HPV L FAILED IN CLOSE。

2019 年10 月21 日飛行中EICAS 再次出現(xiàn)L BLEED DRGRADED，左發(fā)引氣降級，無法由低壓引氣切換至高壓。隨后因左側(cè)BPS 引氣壓力低，觸發(fā)琥珀色L BLEED FAULT告警。機務(wù)人員航后通電檢查發(fā)現(xiàn)OMS 故障信息里報HPV L FAILED IN CLOSE、HPV L SOLENOID DRVING FAILED 和BLEED L LOW PRESSURE。

4.2 收集、分析有關(guān)技術(shù)資料

根據(jù)相關(guān)技術(shù)資料，該架飛機的氣源系統(tǒng)由IPCKV、HPV、PRSOV、PCE、CPIHR、FAV、BTS、BPS、BMPS、APUCKV、CBV、HPGC、IASC(氣源模塊)、高壓導(dǎo)管系統(tǒng)及其附件(包括感壓管、FIS、FISFJ、WT、FS 等)組成。氣源系統(tǒng)方案原理圖見圖1。

圖1 氣源系統(tǒng)的方案原理圖

由圖1 可以看出，該架飛機氣源系統(tǒng)選擇從發(fā)動機、APU 或高壓地面氣源引氣，為座艙空調(diào)、增壓、機翼防冰、發(fā)動機起動、燃油箱惰化及水箱增壓提供氣源，滿足下游用氣系統(tǒng)的壓力、溫度和流量需求。

氣源系統(tǒng)采用發(fā)動機供氣時，系統(tǒng)根據(jù)引氣壓力通過HPV 的開啟和關(guān)閉來自動選擇從發(fā)動機壓氣機中壓級或高壓級引氣。為減小燃油代償損失，氣源系統(tǒng)盡可能從發(fā)動機中壓級引氣來滿足用氣系統(tǒng)的需求。當(dāng)發(fā)動機中壓口的引氣壓力不足時，HPV 打開，系統(tǒng)由高壓級引氣，此時IPCKV 被壓到關(guān)閉位來防止氣體倒流至中壓級壓氣機。

HPV 為氣動式蝶閥，電信號控制其開和關(guān)。HPV 具備壓力調(diào)節(jié)和關(guān)斷功能，位于發(fā)動機壓氣機高壓端出口處，上下游感壓端口連出的感壓管分別連通活門的上游和下游。當(dāng)激活高壓活門螺線管(即有電流流過在高壓活門螺線管上)并且活門上游有足夠的引氣壓力時，活門開啟，并將引氣壓力限制到設(shè)定值。激活信號由IASC 發(fā)出。HPV 采用故障關(guān)斷模式，在斷電的情況下活門自動關(guān)閉。HPV 包括手動調(diào)節(jié)開關(guān)，可供維修人員開啟或關(guān)閉活門。HPV 在氣源系統(tǒng)進行中高壓引氣級切換時自動地開啟或關(guān)閉。

4.3 故障原因初步分析

通過對6 月22 日、8 月26 日、9 月16 日和10 月21 日的數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)4 次故障的試驗數(shù)據(jù)基本一致。均為HPV 失效在關(guān)位引起的引氣降級和失效。

4.4 使用故障樹進一步分析故障原因

經(jīng)過初步分析，現(xiàn)已將故障定位至高壓活門HPV 失效在關(guān)位。為了進一步分析HPV 頻繁失效在關(guān)位，造成引氣故障的原因，我們繪制了該問題的故障樹，見圖2。

圖2 HPV 失效在關(guān)位故障樹

4.4.1 對底事件A“機組未按標(biāo)準(zhǔn)程序操作”的分析

根據(jù)報故當(dāng)日地面監(jiān)控人員反饋，出現(xiàn)BLEED FAULT告警前，機組未進行任何異常操作。另外，試飛數(shù)據(jù)也同樣表明機組在報故前未進行任何異常操作。

因此，排除底事件A“機組未按標(biāo)準(zhǔn)程序操作”。

4.4.2 對底事件B“HPV 活門閥瓣卡阻”的分析

通過對故障HPV 進行目視檢查，活門外表完整，無損壞情況。閥瓣和閥體內(nèi)壁無銹蝕等異物，且閥瓣與閥體內(nèi)壁無刮擦痕跡，說明HPV 失效在關(guān)位不是由活門閥瓣卡阻引起。因此，排除底事件B“HPV 活門閥瓣卡阻”。

4.4.3 HPV 螺線管短路

根據(jù)故障樹分析法，HPV 失效在關(guān)位的原因只剩下螺線管短路一種情況，機務(wù)人員對9 月9 日、9 月16 日和10月21 日故障HPV 螺線管的電阻進行了測量，電阻值分別為20.2Ω、15.8Ω、9.3Ω，遠低于正常值80Ω。根據(jù)HPV 工作原理，由于HPV 螺線管故障，致使HPV 失效在關(guān)閉位，觸發(fā)左側(cè)引氣降級。同時，由于HPV 故障，導(dǎo)致系統(tǒng)無法進行正常的中高壓級切換，從而造成系統(tǒng)引氣壓力低于告警值，最終引發(fā)引氣失效告警。

故障定位后，于9 月12 日和10 月14 日，兩次更換HPV活門，在第一次更換活門后首次飛行過程中和第二次更換活門后第三架次飛行過程中，均再次出現(xiàn)因HPV 失效在關(guān)閉位導(dǎo)致的引氣降級和失效問題。為探究HPV 螺線管短路原因，我們繼續(xù)使用故障樹分析法將該事件進行分解。

4.4.3.1 對底事件C“發(fā)動機核心艙環(huán)境溫度過高”的分析。2019 年10 月12 日對故障HPV 活門貼溫度試紙，發(fā)動機開車低壓引氣，活門表面溫度均未超過160℃。

2019 年10 月16 日該架飛機在地面進行OATP 試驗過程中對新HPV 活門貼溫度試紙，發(fā)動機開車高壓引氣，活門表面溫度未超過163℃。

同時故障HPV 退返給供應(yīng)商后，供應(yīng)商對HPV 進行了檢測，檢測結(jié)果表明：

a.HPV 活門螺線管表面無燒灼后的顏色；

b.HPV 活門的其他部件如調(diào)節(jié)器上的隔膜對高溫更加敏感，如果核心艙內(nèi)出現(xiàn)高溫，這些溫度敏感部件也會損壞，但對HPV 的檢查表明調(diào)節(jié)器隔膜和環(huán)形密封圈均沒有顯示出超溫跡象，而且除線圈以外其他部件均可正常工作。

因此，結(jié)合HPV 活門表面溫度測試和供應(yīng)商分析，排除底事件C“發(fā)動機核心艙環(huán)境溫度過高”。

4.4.3.2 對底事件D“引氣導(dǎo)管泄露”的分析。2019 年10 月16 日在引氣管路連接處包裹錫箔紙，發(fā)動機開車高壓引氣，試車后檢查錫箔紙未被吹破，因此判斷引氣導(dǎo)管未發(fā)生泄漏。

因此，排除底事件D“引氣導(dǎo)管泄露”。

4.4.3.3 對底事件E“振動過大”的分析。HPV 頻繁故障后，與發(fā)動機供應(yīng)商討論了該型號飛機各架機之間發(fā)動機的區(qū)別，發(fā)動機供應(yīng)商確認發(fā)動機差別不大，并且確認振動環(huán)境量值相差不明顯。同時HPV 供應(yīng)商認為線圈上沒有痕跡說明是振動導(dǎo)致的損壞，因為一方面凝膠填充物沒有破裂，另一方面線圈表面的搪瓷沒有磨損跡象。因此，排除底事件E“振動過大”。

4.4.3.4 對底事件F“電流過大”的分析。2019 年10 月25日，在該架飛機上補充了機上試驗以確認左側(cè)控制器IASC是否正常，試驗將左側(cè)控制器IASC1 更換到右側(cè)，測量了對HPV 的供電電壓，示波器顯示IASC1 對右側(cè)HPV 的供電電壓信號與右側(cè)控制器IASC2 對右側(cè)HPV 的供電電壓信號一致，均出現(xiàn)反向電壓信號，表明左側(cè)控制器IASC1 無異常。另外，對IASC1 與HPV 之間的線纜電阻的測試也表明IASC1與HPV 之間的連接沒有問題。

通過對IASC 的試驗及線纜電阻檢查，表明匯流條向控制器的供電無問題、控制器向HPV 的供電無問題、控制器與HPV 之間的連線無問題，因此可以排除底事件F“電流過大”。

4.4.3.5 對底事件G“螺線管材料”的分析。為檢測HPV活門螺線管的質(zhì)量問題，供應(yīng)商對線圈做了微觀檢測。如圖3 所示，供應(yīng)商在直徑處沿軸向切開了線圈，并在截面上取了8 個微觀檢測點，可以發(fā)現(xiàn)存在大量搪瓷被剝落后的碎片，且導(dǎo)線周圍的凝膠填充物存在塑化的痕跡，一些導(dǎo)線本身也存在變形現(xiàn)象。可能的原因是電流經(jīng)過螺線管使線圈的溫度升高，然后膨脹產(chǎn)生氣體剝離導(dǎo)線表面的搪瓷，導(dǎo)致線圈短路，同時導(dǎo)線表面的較高溫度使凝膠發(fā)生塑化。

圖3 線圈切開后截面的微觀檢測點

圖4 導(dǎo)線周圍的微觀檢測

因此，底事件G“螺線管材料”是HPV 失效在關(guān)位的一個可能原因。

4.4.3.6 對底事件H“制造工藝”的分析。供應(yīng)商對2018年前生產(chǎn)的活門線圈的生產(chǎn)工藝做了相關(guān)評審，評審結(jié)果表明2018 年前生產(chǎn)的線圈存在缺陷。可能的原因是工人在給導(dǎo)線上瓷漆的時候沒有做好清潔工作，導(dǎo)致搪瓷與導(dǎo)線的粘附力不夠，使得搪瓷容易被剝落。

因此，底事件H“制造工藝”也是HPV 失效在關(guān)位的一個可能原因。

5 分析結(jié)論

根據(jù)上述的分析，對圖2 所示故障樹中各底事件的排除情況如表1 所示。

表1 故障樹中各底事件排查情況

目前已排除了底事件A、B、C、D、E、F 將該架飛機引氣失效問題定位于事件G 和H，即舊批次HPV 活門螺線管的材料不合格和制造工藝問題導(dǎo)致了HPV 失效在關(guān)位。在更換新批次的HPV 后，該故障再未復(fù)現(xiàn)過。

6 結(jié)論

由本文可以看出故障樹分析法在飛機排故中可以作為一個十分有效的輔助工具，它可以將故障現(xiàn)象與故障原因之間的邏輯關(guān)系以故障樹的方式全面、簡潔、清晰、形象地描述出來。以本文為例，通過對頂事件HPV 失效在關(guān)位的逐級分解，得出的一個個底事件就是可能導(dǎo)致故障現(xiàn)象的根本原因，再對底事件逐個分析并排除，最終將故障定位至舊批次HPV 活門螺線管的材料不合格和制造工藝問題，成功地排除了此故障，排故過程思路清晰，邏輯性強。故障樹分析法在飛機排故以及可靠性分析中有著廣闊的應(yīng)用前景。