基于FTA的機(jī)載航空時鐘故障定位與診斷

何貴芳 余辰

摘 要：為提高機(jī)載成品的故障定位準(zhǔn)確性，提升維修效率，開展了基于FTA手段的機(jī)載航空時鐘故障定位與診斷方法研究。通過建立機(jī)載航空時鐘的FTA分解模型，確定了最小可更換單元的失效模型，以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了故障定位診斷流程，并將經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)引入其中，升級完善了診斷流程。通過實(shí)際測試驗(yàn)證，設(shè)計(jì)的故障樹分析方法條理清晰，路程規(guī)范，能夠指導(dǎo)維修人員準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)故障原因，完成故障排查。

關(guān)鍵詞：FTA;機(jī)載;航空時鐘;故障定位;診斷

引言

航空時鐘作為飛機(jī)飛行的時間顯示設(shè)備，為飛行員提供著準(zhǔn)確的實(shí)時時間和飛行時間，是飛行于空中的作戰(zhàn)單元與地面指揮所進(jìn)行時間同步的關(guān)鍵設(shè)備。伴隨航空電子技術(shù)的發(fā)展，航空時鐘已經(jīng)重機(jī)械指針式升級為電子時鐘，具有直觀的數(shù)字顯示能力，并增強(qiáng)了時間顯示與記錄功能。隨著航空時鐘數(shù)字化的變化，其工作原理、設(shè)備組成、可靠性模型和故障定位方法都與舊型號存在極大的不同，為飛機(jī)狀態(tài)保障提出了挑戰(zhàn)。快速故障定位，并完成故障診斷，是保證飛機(jī)狀態(tài)完好的必備手段。FTA（Fault Tree Analysis，故障樹分析）是一種從底層到頂層的層次分析方法，通過建立故障結(jié)果與表征對應(yīng)到故障原因的映射，形成系統(tǒng)的、無遺漏的故障分析與定位，既可以實(shí)現(xiàn)科學(xué)的檢測維修，還可以提升維修效率，并且積累經(jīng)驗(yàn)，幫助后續(xù)類似故障的診斷與排除[1]。將FTA思維應(yīng)用于機(jī)載航空時鐘的故障定位診斷中，建立航空時鐘故障樹模型，建立故障現(xiàn)象及潛在表征與故障原因的對應(yīng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了機(jī)載航空時鐘的故障流程式診斷，降低了維修的技術(shù)門檻，同時提升了維修效率，對保障飛機(jī)良好狀態(tài)具有堅(jiān)實(shí)的底層支撐作用，并且為飛機(jī)其他成品狀態(tài)保障模式提供了探索。

1基于FTA的數(shù)顯航空時鐘故障定位診斷技術(shù)設(shè)計(jì)

1.1航空時鐘FTA分解模型設(shè)計(jì)

故障樹分析是建立在對設(shè)備的分解基礎(chǔ)上，在元器件層級評估可能的故障概率，即失效率，形成元件故障與故障外在表征相對應(yīng)的映射關(guān)系[2]。因此，首先設(shè)計(jì)航空時鐘的元器件失效模型。建立設(shè)備失效分解的模型。

λ設(shè)備總失效率;α為補(bǔ)償系數(shù);Ni第i種元器件在設(shè)備中的數(shù)量;λG器件通用失效率;πQ器件通用質(zhì)量系數(shù);n設(shè)備中器件的種類總數(shù)。

在總失效率的約束條件下，根據(jù)航空時鐘的元器件分類，建立分解到元器件層級的失效率模型：

λb為基本失效率;πE為環(huán)境系數(shù)，根據(jù)設(shè)備工作場景的不同取值不同;πQ為質(zhì)量系數(shù);πr為額定電流系數(shù);πA為應(yīng)用系數(shù); 為電壓應(yīng)力系數(shù);πc為結(jié)構(gòu)系數(shù)。分析元器件失效模型，元器件的失效是受多方面因素影響的，因此航空時鐘的故障原因不僅在器件的可靠性，還在于使用條件、應(yīng)用環(huán)境，因此在設(shè)計(jì)航空時鐘的故障樹時，需要建立影響要素與設(shè)備故障間的因果關(guān)系。

在設(shè)備單個器件的失效預(yù)計(jì)中，采用“浴盆”曲線作為評判依據(jù)，在正常使用壽命內(nèi)，按照單參數(shù)分布核算，即使用條件確定時，失效率為常數(shù)[3]。針對航空時鐘所含元器件的失效模型建立故障樹，根據(jù)《GJB/Z 299C-2006電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊》，參考元器件應(yīng)力分析數(shù)值，修正后可以得到器件的失效率，進(jìn)而通過計(jì)算得到平均無故障時間。在設(shè)計(jì)航空時鐘的故障樹分解模型時，既要考慮元器件層級的故障原因，還要考慮飛機(jī)服役時長以及設(shè)備的翻修周期，兩者都存在導(dǎo)致元器件失效的影響因素，也即航空時鐘的故障成因[4]。

1.2航空時鐘FT A分析流程設(shè)計(jì)

經(jīng)過理論分析后，建立航空時鐘的故障定位分析流程。航空時鐘基于FTA分解模型的結(jié)果，在故障診斷中應(yīng)按照可能發(fā)生故障的概率排序，由大到小進(jìn)行逐一排查。

在流程中，最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)是“故障原因分析”與“確認(rèn)故障點(diǎn)”，故障原因分析是建立在時鐘已經(jīng)出現(xiàn)非正常工作狀態(tài)，需要排查故障的產(chǎn)生原因，而確認(rèn)故障點(diǎn)則是與排查過程相對應(yīng)的緊密次序關(guān)系，通過確認(rèn)判斷具體的故障元件[5]。在此過程中，需要根據(jù)上節(jié)中的失效率，優(yōu)先排查失效率高的元器件，在大概率條件下盡快發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)。

在航空時鐘故障維修的實(shí)踐中，發(fā)現(xiàn)顯示時間缺字和不能校時的故障現(xiàn)象較為常見。針對顯示時間缺字問題，直觀故障現(xiàn)象是顯示錯誤故障，這僅是外在現(xiàn)象，造成顯示錯誤故障的原因多種多樣，例如顯示屏在安裝中受擠壓導(dǎo)致的局部顯示缺失、安裝中虛焊等導(dǎo)致的數(shù)據(jù)傳輸不完整、電源供電不穩(wěn)等，都會影響正常顯示。不能校時也是較為嚴(yán)重的故障，直接影響航空時鐘的功能實(shí)現(xiàn)，引發(fā)的原因也是多種多樣，既可能是開關(guān)、按鍵問題，也可能是電子元器件問題，還有可能是連線問題，此外授時設(shè)備故障也會影響校時功能。因此對故障的排查流程應(yīng)當(dāng)建立在確定故障表征上的多因素逐一確認(rèn)、排除，直至找到真實(shí)故障原因。發(fā)現(xiàn)故障原因是在已確定故障點(diǎn)的前提下，對造成故障的客觀因素進(jìn)行排查，例如工作電流、工作電壓、接地電阻等會導(dǎo)致該元件失效的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)，都需要仔細(xì)核對，逐一排查。

流程最后的記錄數(shù)據(jù)形成報(bào)告，是積累維修經(jīng)驗(yàn)的關(guān)鍵步驟，有利于FTA分析流程的迭代提高，因此十分重要，需認(rèn)真對待。對故障分析報(bào)告進(jìn)行分類整理，還可以確定設(shè)備設(shè)計(jì)和加工中的薄弱環(huán)節(jié)，指導(dǎo)設(shè)計(jì)部門改進(jìn)設(shè)計(jì)。

1.3FTA故障樹分析定位方法改進(jìn)

上述步驟完成了規(guī)范的航空時鐘故障定位，還有改進(jìn)完善的空間。在長期機(jī)載設(shè)備維修中積累的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)是規(guī)范故障分析流程的有益補(bǔ)充。就航空時鐘而言，電子器件中多為阻容型器件，可靠性較高，內(nèi)部電路發(fā)生故障的概率偏低，而電源接口、總線接口由于與機(jī)上其他設(shè)備交聯(lián)，更易受到次生危害的影響，如機(jī)上發(fā)電機(jī)紋波變化超限、接插件連接不到位導(dǎo)致阻抗加大等因素改變了時鐘的工作環(huán)境，容易引發(fā)接口電路的過載工作，造成故障。因此在針對數(shù)顯航空時鐘的故障排查中，在通過FTA故障樹排定診斷流程后，還需要進(jìn)行順序微調(diào)，將接口電路的排查放在優(yōu)先位置。

另一方面，由于機(jī)載環(huán)境的特殊性，信號地、電源地、屏蔽地多地共接于飛機(jī)殼體，并不是零電阻的真地，因此信號串?dāng)_現(xiàn)象無可避免。落實(shí)到時鐘故障的診斷中，需要對時鐘的接地電阻和連接方式進(jìn)行檢測，避免由于飛機(jī)飛行震動而產(chǎn)生的接地點(diǎn)松動，接地電阻增大，串?dāng)_信號的負(fù)面效應(yīng)更多地作用于時鐘，導(dǎo)致時鐘影響因素增大，干擾正常工作環(huán)境，引發(fā)故障。

對機(jī)載設(shè)備的維修排故既要有科學(xué)合理的標(biāo)準(zhǔn)流程，還需要針對不同設(shè)備的特點(diǎn)有選擇的變更排查次序，做到規(guī)范卻不死板，才能在現(xiàn)場復(fù)雜的問題中快速完成故障定位與診斷。

2試驗(yàn)論證分析

為了驗(yàn)證基于FTA的機(jī)載航空時鐘故障定位診斷方法的有效性，通過實(shí)際例子進(jìn)行測試驗(yàn)證。某型機(jī)載數(shù)顯航空時鐘內(nèi)置時鐘芯片，在液晶模塊上顯示現(xiàn)時、航時、測時信息。具有備份電池實(shí)現(xiàn)現(xiàn)時保時功能;具有電量檢測電路，實(shí)現(xiàn)電量檢測和低電量提示;通過總線芯片接收符合國際標(biāo)準(zhǔn)格式的總線信號，用外部時間數(shù)據(jù)進(jìn)行一鍵校時;接收機(jī)上“晝/夜”模式切換指令經(jīng)光電耦合器隔離后進(jìn)行日模式和夜模式的切換;接收機(jī)上輪載信號經(jīng)光電耦合器隔離后完成航時計(jì)算顯示;產(chǎn)品內(nèi)置FLASH存儲器，具有記憶功能，即產(chǎn)品可以記錄測時、航時等參數(shù)。具有BIT自檢電路可以實(shí)現(xiàn)SRU級故障檢測;具有RS232接口可實(shí)現(xiàn)軟件外部串口加載和維護(hù)檢測功能。產(chǎn)品導(dǎo)光板上設(shè)有按鍵，可進(jìn)行亮度調(diào)節(jié)、計(jì)時時間啟動、停止、清零、航時查詢、一鍵校時、手動對時、畫面切換、故障查詢。如此復(fù)雜的功能集成于有限的體積內(nèi)，使用了大量的集成電路。其原理圖見圖1。

電路板上共計(jì)有39個器件，其中LED1～LED6為外部顯示數(shù)碼管，其故障現(xiàn)象可以直觀觀察到，而其余器件均包含在航空時鐘殼體內(nèi)部，對故障現(xiàn)象和故障表征不易觀察到。采用FTA分析方法，對39個元器件進(jìn)行分解建模，歸類處理。IC1～I(xiàn)C6為數(shù)碼管的驅(qū)動電路，IC7～I(xiàn)C9為顯示控制電路，IC10為精度控制電路，IC12為工作模式選擇電路，IC13為電源穩(wěn)壓電路，以上電路模塊與數(shù)碼管一樣都屬于集成電路，因此采用同樣的失效率模型;J1為電源輸入接口，S1～S3為觸控按鍵，此類為按鍵開關(guān)的失效率模型;Y1為高精度晶振，為電路提供工作時鐘，采用二極管的失效率模型;R1～R11以及C1～C8為外圍穩(wěn)壓電路，采用電阻失效率模型。經(jīng)過分類計(jì)算，失效率由高至低分別是：集成電路-觸控開關(guān)-晶振-阻容元件，因此確定排查的順序以此為基礎(chǔ)。同時考慮到IC10的高精度要求，對環(huán)境的影響更為敏感，因此在集成電路類中優(yōu)先排查IC10，其次是頻繁電壓通斷的IC1～I(xiàn)C6，以及數(shù)碼管。

確定排查順序后，結(jié)合以往航空時鐘維修工作經(jīng)驗(yàn)，對承受飛行振動應(yīng)力較多的電源接口接插件、以及經(jīng)常使用的觸控按鍵重點(diǎn)排查，并且由于這兩種器件在航空時鐘殼體的靠外位置，便于優(yōu)先檢查，因此在優(yōu)先級上安排為第一輪檢查。例如，針對顯示缺失的故障，通過規(guī)范的故障排查流程，對液晶模塊、安裝焊點(diǎn)和裝配間隙、排線導(dǎo)通性、電源供電、電池電量逐一排查后，確認(rèn)是由于電池虧電，導(dǎo)致電壓下降，對液晶模塊的供電電壓不足，液晶模塊工作在欠壓狀態(tài)，顯示內(nèi)容缺失。

通過以上分析，確定了排查的順序和關(guān)注重點(diǎn)，在數(shù)顯航空時鐘的故障維修中，形成規(guī)范的流程，在大部分情況下都可以快速發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)，并按照故障樹關(guān)系表溯源到故障原因，大大提高了維修工作的準(zhǔn)確性，同時規(guī)范了維修工藝，提升了維修效率。

3結(jié)束語

機(jī)載設(shè)備的維護(hù)與保養(yǎng)是延長飛機(jī)使用壽命的基礎(chǔ)保障，通過研究機(jī)載成品的故障模式，探索快速、準(zhǔn)確定位故障的診斷方法，對于提升飛機(jī)出勤率具有積極地作用。在研究故障診斷方法中，從科學(xué)原理出發(fā)，遵循規(guī)律，從事物的底層規(guī)則中尋求最優(yōu)解決方案，是解決裝備保障問題的正途。本文以數(shù)顯航空時鐘為例，通過故障樹分析的方法，研究了設(shè)備的保障維修方法，即是對科學(xué)理論應(yīng)用于實(shí)際問題的實(shí)踐，也是以點(diǎn)帶面探索科學(xué)、規(guī)范的裝備保養(yǎng)技術(shù)。在實(shí)踐中總結(jié)的成品故障致病因，還可以作為今后裝備研發(fā)的典型案例，促進(jìn)裝備可靠性的穩(wěn)步提升。今后還將在機(jī)載成品的修理維護(hù)中，深入的開展和探索更加合理的故障診斷方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]唐福軍，姚金彪，邵珠君，等.某型慣性導(dǎo)航系統(tǒng)地速超差故障分析[J].航空維修與工程，2022（02）：94-96.DOI：10.19302/j.cnki.1672-0989.2022.02. 027.

[2]魯順，徐增丙，熊文，等.基于FMECA和FTA的旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備故障診斷方法[J].機(jī)械制造，2021，59（05）：76-81.

[3]趙華，計(jì)鑫，張勝，等.基于故障樹（FTA）的重型液壓機(jī)故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動化與儀器儀表，2020（09）：79-83.DOI：10.14016/j.cnki.1001- 9227.2020.08.079.

[4]顧煜炯，楊楠，陳東超，等.利用故障因果信息的汽輪機(jī)故障智能診斷研究[J].噪聲與振動控制，2019，39（04）：12-19.

[5]高嵐，王偉濤.一種基于FTA的發(fā)射裝置自動測試和故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)量與測試技術(shù)，2019，46（05）：20-23.DOI：10.15988/j.cnki.1004- 6941.2019.5.006.