B737-300飞机自动增压失效故障分析

孟庆新，张长勇，赵 飞

（1.中国邮政航空有限责任公司南京分公司机务工程部，南京 211113；2.中国民航大学航空自动化学院，天津 300300）

B737-300型飞机增压控制分为模拟式和数字式。增压系统故障原因涉及空调供气、增压区域渗漏、增压系统部件和线路等方面，随着飞机使用时间的推移和结构的老化，增压系统故障呈上升趋势。飞机增压失效返航和备降给旅客出行带来了诸多不便，而且显著增加了运行成本并带来了一定的安全风险。B737-300飞机座舱增压共有4种方式：自动、备用、人工交流、人工直流。飞行中故障主要发生在自动方式中，且多数发生在飞机爬升和下降过程中。本文以自动增压系统失效作为切入点，利用故障树分析法重点分析了自动增压系统失效的故障模式、故障源和排故措施。

1 增压系统的工作原理

座舱增压系统涉及的主要部件有增压控制器、压力控制面板、前外流活门、后外流活门、ΔP组件、正/负释压活门、座舱高度警告和压力传感器。压力控制器通过控制从机身流出的空气流量的方法来控制座舱压力，图1为自动增压工作电路原理图。自动增压控制方式中输入增压控制器的信号主要来自增压控制面板、座舱压力传感器、环境压力传感器、气压修正机构和空地感觉机构。在正常情况下有5种不同的增压程序：地面不增压、地面增压、爬升、巡航等压、下降，每个程序送出的信号都要通过压力控制器内的速率限制器，以限制最大座舱高度上升率、最大座舱高度下降率，还通过最大压差限制器限制最大座舱余压。从速率限制器出来的信号就是要求的座舱压力指令信号，它与实际的座舱压力信号比较，其误差信号送到功率放大器，然后操纵交流马达驱动排气活门工作，进而调节座舱与环境压力的压差、座舱高度以及爬升/下降率。

图1 座舱自动增压控制系统工作电路Fig.1 Operating circuit of cabin automatic pressurization control system

2 故障树的建立

故障树分析法将系统中最不希望发生的事件作为顶事件，将直接导致故障发生的因素作为中间事件，层层往下展开，直至遇到无需再深入的事件，将其作为底事件。通过分析这些底事件发生的概率来深入分析顶事件发生的概率和故障模式[2]。所以故障树分析法的关键在于建立合理的故障树。

2.1 顶事件

飞机在飞行过程中为确保飞机的安全和旅客的舒适性，一般优先选用自动增压模式，压力控制器通过改变外流活门的大小自动对座舱压力进行调节。飞行中增压系统故障主要发生在自动方式中，且多数发生在飞机爬升和下降过程中，因此把飞机自动增压系统失效故障作为故障树的顶事件。

2.2 中间事件

参考B737-345-AMM21-31-00（压力控制系统）[3]，座舱高度变化率超过1800 ft/min或座舱高度大于13875 ft（1 ft=0.3048 m）均可导致自动增压失效。考虑到机身增压区域由空调组件供气，增压系统通过调节排到机外的空气流量来控制座舱压差及升降率的变化，因此空调组件的供气流量和增压区域密封情况也会影响到增压系统的工作。把进气量不足、漏气量偏大和可控排气量失控作为中间事件。

2.3 底事件

2.3.1 进气量不足

B737飞机的客舱增压空气来自发动机的压气机，经过引气控制系统进行压力和温度预调节后到达引气总管，再经左右空调组件对引气进行流量和温度调节后通过分配管路到达座舱。由于B737-300飞机投入运营时间较长，较易出现APU引气管隔板封严漏气、空气循环机ACM叶片与本体卡滞等问题，进而引起空调组件供气量不足。另外一发引气关断或引气压力偏低、一个组件关断或组件活门开度偏小也可导致进入座舱的空气量不足，影响座舱的正常增压。

2.3.2 漏气量偏大

B737飞机的座舱属于大气通风式气密座舱，正常情况下允许存在一定的漏气量，但是漏气量过大会导致座舱压力偏低，座舱高度偏高。引起漏气量过大的因素主要有机身气密性差、舱门封严漏气、洗手池排放口漏气、安全释压活门故障等。此外由于前排气活门由后排气活门控制，当后排气活门关闭至0.5°时前外流活门关闭，当后外流活门开至4.5°时前外流活门打开，如果后排气活门上的开关限制电门失效，就会使前排气活门处于常开位，导致漏气量偏大。

由于RANSAC算法稳定性较高，且能够剔除错误样本点，故将该算法应用到空间圆弧拟合的点云筛选及优化中。

2.3.3 可控排气量失控

增压控制器接受来自增压控制面板、座舱压力感受点、环境压力感受点、压差组件、空地感觉机构的信号、这些信号在增压控制器内进行比较、放大、逻辑处理后，输出控制后外流活门交直流马达的电压信号，控制后外流活门的开度进而控制座舱压差、升降速率。如果增压控制器不能正确的对各种输入信号与实际环境压力进行比较处理，将输出错误的电压信号到交直流马达，控制后外流活门作动到不正确的开度，从而造成座舱压力与外界环境压力差值过大或过小，故增压控制器故障的可能性最大。增压控制面板故障、座舱压力传感器故障、空地信号错误也会导致座舱压力控制器不能正常输出指令信号。当控制活门故障（交流电机及传动机构故障、活门卡阻）时，即使压力控制器输出正确指令信号，控制活门也不能及时进行开度调节，导致座舱高度偏高或偏低。

2.4 故障树

通过上述对座舱供气量不足、漏气量偏大、可控排气量失控故障的分析，得出座舱自动增压失效的故障树如图2所示，表1列出了故障树中各符号的含义。

图2 自动增压失效故障树Fig.2 Fault tree of automatic pressurization failure

表1 故障树中符号含义Tab.1 Symbol meaning of fault tree

3 故障树分析

故障树定性分析的任务就是找出导致顶事件发生的所有可能的故障模式，即求出故障树的最小割集。由于全部最小割集反映了系统的全部故障模式，全部最小割集的集合又称为系统的故障谱[4]。通过分析获得的最小割集即可得知影响系统可靠性的关键环节。求解故障树最小割集的方法一般有下行法和上行法两种，本文采用下行法求解该故障树的最小割集

由上式可得，该故障树有20个最小割集，它们分别为：{x1}、{x2}、{x3}、{x4}、{x5}、{x6}、{x7}、{x8}、{x9}、{x10}、{x11}、{x12}、{x13}、{x14}、{x15}、{x16}、{x17}、{x18}、{x19}、{x20}。根据表2的FHA故障状态分类[5]，综合考虑空调系统历史故障数据、各个部件的可靠性，表3列出了最小割集发生概率。

表2 FHA故障状态分类Tab.2 FHA fault status classification

表3 最小割集发生概率Tab.3 Occurrence probability of minimal cut sets

故障树中，顶事件状态Φ完全由底事件状态X决定，即 Φ = Φ（X），其中 X=（x1，x2，…，xn）。称 Φ（X）为故障树的结构函数。故障树的或门结构函数为

当xi仅取0或l两值的时候（0表示正常状态，1表示故障状态），式（2）可改写为

根据相容事件概率公式可得，顶事件发生的概率为

其中：ci、cj、ck分别为第 i、j、k 个最小割集。

当系统故障树的最小割集之间没有重复底事件存在，且最小割集互相独立时，则有

根据表3，A类事件发生的概率为10-9；B类事件为 10-7；C 类事件为 10-5；D 类事件为 10-4；代入式（5），可以计算出顶事件的故障概率为2.90801×10-4，所以对于自动增压失效的故障，主要取决于C类和D类事件发生的概率，因此在航线维护中，对于自动增压失效故障的排故中应该重点监控C类和D类事件中各个部件的运行情况。

4 结语

本文应用故障树分析法，重点介绍了建立自动增压失效故障树的过程和依据，在此基础上，对B737自动增压失效故障进行了定性分析和定量分析。该方法已经实际运用到我公司的航线排故工作中，对减少事故的发生、保障飞行安全、缩短排故时间、保障飞机正点率具有重要的现实意义。

[1]季厌庸，刘艳红，盛乐山.飞机环境控制[M].北京：兵器工业出版社，2004（5）：120-132.

[2]孙 权.应用故障树解决实际问题[J].质量工程卷，2005（5）：26-31.

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[5]陆 中，孙有朝.民用飞机适航符合性验证方法与程序研究[J].航空标准化与质量，2007（4）：6-8.