基于故障树分析法的APU故障诊断研究

聂继锋

(东航浙江分公司，浙江 杭州 311223)

APU(Auxiliary Power Units)辅助动力装置，核心部分是一个小型的燃气涡轮发动机。飞机在空中飞行时，APU除了无法为飞机提供推力，它几乎可以替代发动机所能发挥的全部功能，在飞机出现紧急情况时的为飞机提供电源和气源，使飞机能够维持飞行姿态、航向等等，以便在有效时间内降落在备降机场上，保障飞机与旅客的安全。APU不仅直接影响飞行安全，同时APU也是保证飞机留滞地面时，为飞机提供电源和气源，为客舱提供舒适环境的必要条件，因此APU成为现代大型飞机上一个重要的不可或缺的系统。

国内、外对发动机机队管理十分重视并且已取得很大的成功，积累了经验。发动机机队管理技术丰富，但是对APU的机队状态监控和可靠性维修都处于薄弱甚至空白状态。尽管国外的APU厂商提供了排故指南和程序，技术人员也进行了一些故障积累和分析研究，但与发动机监控相比，仍处于很大的差距。正因为缺乏监控，APU往往会用到无法使用(完全故障)才会更换、送修，这样往往会造成APU主要部件的严重损坏，比如涡轮叶片严重烧蚀，使得无法修理，只能更换新件，这就意味着高额的修理费用;此外，由于缺乏监控，有时会造成一个机队，多架飞机的APU同时故障，这就造成了备件周转不过来。在这种情况下，为保证航班正点，就只能办理故障保留，而这可能会大大降低航空公司的服务质量，给航空公司在旅客中造成不良影响。

故障树分析法简称FTA(Failure Tree Analysis)，它是一种从系统到部件，再到零件，按“下降形”分析的方法。它从系统开始，通过由逻辑符号绘制出的一个逐渐展开成树状的分枝图，来分析故障事件(又称顶端事件)发生的概率，同时也可以用来分析零件、部件或子系统故障对系统故障的影响。故障树分析法对系统故障不但可以做定性的分析，而且还可以做定量的分析;不仅可以分析由单一部件所引起的系统故障，而且也可以分析多个构件不同模式故障而产生的系统故障情况。［1］因为故障树分析法使用的是一个逻辑图，因此，不论是设计人员或是使用和维修人员都容易掌握和运用，并且由它可派生出其他专门用途的“树”。例如，可以绘制出专用于研究维修问题的维修树，用于研究经济效益及方案比较的决策树等。目前故障树分析法在宇航、核能、电子、化工和机械等领域，得到了广泛的应用，是一种很有前途的故障分析法。［2］

1 APU故障分析

APU最常见的故障可分为四类:1)APU启动困难;2)APU自动停车;3)引气压力低;4)客舱有异味。文章以国内民航广泛使用的131－9型APU为例，主要对APU启动困难的故障原因进行深入分析。

APU启动困难包括APU不转动、启动加速慢、启动超时、启动悬挂等情况。启动悬挂是指APU转速不上升或上升缓慢的情况，分为冷悬挂和热悬挂。冷悬挂是指APU的EGT不上升，主要是由于APU点火系统不点火引起的;热悬挂指APU的EGT上升，APU点火系统正常，主要由APU本体、启动机、燃油供给的原因引起。［3］

1.1 APU内部故障

如果APU内部有故障，比如齿轮箱中轴承或者齿轮损伤或卡阻，造成转子卡滞，转动部件的阻力会增大，启动机的扭矩有限，启动过程中很难使APU加速达到可以维持自身运转的转速，造成启动困难。

涡轮损伤、烧蚀也是启动困难常见的原因。如果涡轮损伤，燃烧室出来的高温高压气流流过涡轮叶片做的功就减少，APU涡轮产生的动力就减小了，启动过程中加速就比较慢，甚至启动困难。

动力部分轴承损伤也会导致APU转动阻力增加，损伤的轴承会改变转动部件和固定部件之间的间隙，引起磨擦和卡阻，使APU启动困难。

1.2 启动部件故障

启动部件引起的APU启动困难最常见的就是启动超时，启动超时就是启动机工作超时，当启动加速过慢或者启动机不能及时脱开，就会出现启动超时。启动部件故障包括以下几类:

(1)启动机或花键轴损坏。启动机或花键轴损伤后启动机就不能产生扭矩或扭矩不能传到APU内部转动部件，也就很难完成启动过程。

(2)离合器失效。离合器失效会使APU发生不加速而自动停车，离合器的示意图如图1所示。

图1 启动机离合器示意图

开始启动时，启动机马达给离合器内环一个逆时钟方向的扭矩，这将引起斜撑块棘爪顺时钟转动，由于斜撑块棘爪的特殊形状，逆时钟转动过程中把内环和外环卡紧，锁在一起同时转动，并把扭矩传递给外环。外环把转动传递给齿轮系，带动APU加速。当发动机转速达到自身维持转速以后，随着APU继续加速，外环比内环转速高，斜撑块棘爪逆时钟方向转动，离心力使棘爪向外运动和内环脱离，允许外环比内环转动更快。

如果离合器内环或外环磨损失效，斜撑块棘爪就不能在启动过程中把内环和外环锁在一起，启动机的扭矩也就不能有效传递给APU转动部件，启动过程也就不能顺利完成。

对于启动机和离合器故障可以进行如下判断:启动机马达后盖下装有一个人工驱动装置，维护人员可以揭开盖子，使用一个棘轮扳手通过驱动装置转动启动机和其他部件1)向两个方向转动受阻，可能启动机或离合器故障。2)向一个方向自由，另一个方向受阻，APU不转动，可能APU或齿轮箱故障。3)向两个方向都够自由转动，APU不转动，则离合器故障。

(3)启动齿轮、高速齿轮、惰性齿轮损坏。这些齿轮是把启动机扭矩传到APU动力部分的必要途径，如果这些齿轮的齿有磨损或缺损，扭矩的传递就会中断，也就很难完成启动过程。

1.3 点火组件故障

在启动过程中，点火组件在APU转速为7%时由ECB(APU电子控制盒)通电，当转速达到60%时被ECB断电。如果APU转速下降到95%以下，点火组件重新通电。点火组件包括点火盒、点火电缆、点火电嘴。可以在APU选择启动后，在APU附近听有无“哒哒”的连续点火声来判断是否存在APU点火组件故障。

(1)点火盒提供一个有效的高能放电用来点火，如果点火盒故障，就不能正常点火。

(2)点火嘴的失效也会造成APU启动失败。中国大气环境污染比较严重，这些大气中的颗粒物和燃油中的杂质在燃烧的过程中很容易沉积在点火嘴上，所以点火电嘴使用时间长了较易产生积碳，同时点火电嘴长期工作在高温的条件下，表面很容易遭受到烧蚀影响点火的可靠性。多年来，对于点火嘴故障的维修往往都是直接更换新的点火嘴，实际可使用硬毛刷对其表面进行清理，将点火嘴表面的污物、积碳、烧蚀清除，先检查两个点火嘴的陶瓷部分无裂纹或积碳;检查点火嘴的中心电极和外壳无烧蚀;检查点火嘴的圆柱体和螺纹无腐蚀和损坏，如果烧蚀超出所给的限制范围，再更换点火嘴。大部分的点火嘴在清理之后都可以正常工作，从而避免了航材的浪费。

(3)点火导线接触不良或者烧蚀也会影响APU的正常启动。点火导线的工作区是高温高振动区域，工作环境很恶劣，如果导线的安装和捆扎不牢靠，也极易造成点火导线与其他部件的摩擦进而造成导线的损坏。

1.4 流量分配器故障

流量分配器包括一个单向活门和常开的燃油电磁阀，它控制APU燃烧室的供油量。当电磁阀断电打开时，单向活门打开，允许燃油流入次燃油管，此时主燃油总管压力超过120psi。APU转速达到30%以前或者到达巡航高度时，电磁阀通电关闭，单向活门不起作用，此时所有燃油只进入主燃油管。

如果单向活门严重漏油，而电磁阀工作时，主喷油管的压力会降低，影响燃油的雾化效果，可能出现启动慢现象。如果电磁阀故障不能打开，次燃油路不通，APU加速性就变慢，出现APU不加速。

2 建立故障树

下面以APU启动困难为例建立故障树。APU由飞机电瓶或地面直流电源对启动机供电，启动机带动APU转子转动。APU点火系统主要部件有APU控制组件、点火激励器、点火导线和电嘴。直流电供给点火激励器，激励器转换成高压供给电嘴。

图2 故障树示意图

“APU启动困难”故障树示意图如图2所示。表1示出了故障树中各符号代表的事件。

表1 故障树中对应的事件列表

3 故障树定性分析

故障树定性分析中要用到割集和最小割集这两个概念，割集是故障树的若干底事件的组合，如果这些底事件发生将导致顶事件发生。最小割集是数目不能再少的割集。一个最小割集代表引起故障树顶事件发生的一种故障模式。故障树定性分析的目的在于寻找顶事件发生的原因事件或者各原因事件的组合，也就是找出故障树的全部最小割集，是进一步进行定性分析的基础。求解最小割集的方法有上行法、下行法和质数法。下行法求解最小割集的基本原理是从顶事件开始，遇到与门就把与门下面的所有输入事件排列成一行，增加割集的容量，遇到或门就把或门下的所有输入排列成一列，增加割集的数量，这样逐级向下进行，直到全部的逻辑门都被置换为基本事件为止。［4］用下行法得出全部最小割集为:{X1}，{X2}，{X3}，{X4}，{X5}，{X6}，{X7}。

4 故障树定量分析

故障树定量分析的主要任务是计算出顶事件的发生概率和对各底事件进行重要度分析。对底事件的发生率和对底事件重要度进行分析时，要用到底事件的发生概率。根据经验，设底事件Xi的发生率服从指数分布 P(Xi)=I－e－λ1，t表示运行时间，λ表示底事件Xi的失效率，λ可以根据“APU启动困难”年故障率和底事件Xi的故障数在“APU启动困难”故障总数的比例获得。［5］APU启动困难故障统计如表2所示。下面以X5“点火盒故障”为例计算其发生率。

表2 APU启动困难故障统计表

根据东航2009－2011年度A320系列飞机的APU故障统计中，249例“APU启动困难”事件中有49例是由点火盒故障造成的，取“APU启动困难”事件的年故障率为0.029，则λ=0.029/83*16=5.7068*10－3，取 t=1 则 P(X5)=I－ e－0.005577=5.691*10－3，同理可以计算出其它底事件的发生率，如表3所示。

表3 故障树中的事件发生率

4.1 事件发生率分析

已知故障树的全部最小割集为:{X1}，{X2}，{X3}，{X4}，{X5}，{X6}，{X7}。最小割集内各底事件是相互独立的，

顶事件发生率的计算公式为:

式中，P(T)为顶事件发生的概率，P(Xi)为底事件发生的概率，K为最小割集的个数。

将表3中的数据代入公式(1)可计算出顶事件T的发生率P(T)为0.02948。

4.2 重要度分析

重要度分析是是故障树分析中的一个重要组成部分。它通过计算底事件的概率重要度、结构重要度和关键重要度，从不同角度来分析底事件对顶事件的影响程度。

(1)概率重要度

概率重要度指的是底事件Xi发生概率P(Xi)变化引起顶事件T发生的概率P(T)的变化程度，用顶事件的发生概率P(t)对底事件Xi发生概率P(Xi)的偏导数来表示，其计算公式为:

式中，IP(t)为Xi的概率重要度。

按公式(2)计X5概率重要度，得出:

同理可以计算出所有的最小割集的概率重要度，如表4所示。

由偏导数的定义可知，IP(t)越大，说明Xi底事件的发生对顶事件T发生的影响力就越大。

(2)关键性重要度

关键性重要度是故障概率P(Xt)的变化率与它引起的顶事件T发生概率P(T)的变化率之比。公式为:

IC(f)为Xt的关键性重要度。

按照上式计算各底事件的关键性重要度见表4。

关键性重要度分别从底事件的概率重要度和底事件本身的不可靠度这两个方面来衡量了它们对系统故障的影响，因此它能更客观地体现底事件对顶事件的影响程度。［6］Ic(t)越大说明由底事件Xt触发系统故障发生的可能性就越大。因此可以按照底事件关键性重要度的大小顺序列出系统底事件，当进行故障维修前或故障发生后诊断时可以从关键性重要度最大的底事件开始查找排故，这样可以准确、快速的找出故障原因。

表4 故障树中各事件的关键性重要度列表

(3)结果分析

由表4的计算结果可以看出，关键性重要度大小的排列顺序为IC(X2)＞ IC(X3)＞ IC(X5)＞ IC(X4)＞IC(X7)＞IC(X6)＞IC(X1)。由关键性重要度的排序可知，影响APU启动的主要因素为:流量分配器故障，启动机或者花键轴损坏，点火盒故障，离合器失效，点火电嘴故障，点火电缆故障，APU内部故障等。要想降低APU启动故障事件的发生率，必须减少它们的发生率。对APU启动困难故障进行维修排故时应该从关键性重要度大的底事件开始查找逐一进行排除。首先将 X2、X5、X3、X4、X7这五个底事件作为检查对象。实践证明依据关键性重要度进行故障诊断，不但能快速、准确找到故障原因，缩短诊断时间，而且可以减少不必要的检修与拆卸，从而提高排故的效率。对系统进行维护时，也应该按照底事件的重要度从大到小的顺序进行，着重对重要度高的底事件进行监测，从而可以提高系统运行的可靠性。

文章通过对APU的启动困难故障现象、故障原因分析，结合故障树分析法的特点，建立了APU启动困难故障树模型。故障树为维修人员进行APU维修提供了便利，同时也降低了航空公司的维修成本，提高了APU的在翼时间。

［1］朱继洲.故障树原理与应用［M］.西安:西安交通大学出版社，1989.

［2］张明川.人工神经网络在民用涡扇发动机故障诊断中的应用［N］.航空工程与维修，2000，(2).

［3］A319/320/321 Aircraft Trouble shooting Manual(TSM)［S］.Airbus company，2012.

［4］董健康，樊建梅.波音777飞控系统故障模型研究与实现［D］.天津:中国民用航空学院，2006.

［5］杨晓川，谢庆华.基于故障树的模糊故障诊断方法［J］.同济大学学报，2001，29(9).

［6］李永平.基于CBR方法的飞机排故支持技术研究与应用［D］.南京:南京航空航天大学，2006.