基于故障树的航空磁电机故障诊断研究

张德银，梁威鹏，黄选红，孟 超，陈从翰，孙 淼

(中国民用航空飞行学院 航空工程学院，四川 广汉 618307)

0 引言

近年来，随着中国民航事业大发展和各地通航机场数量的扩张，通用航空也在突飞猛进地发展。据《2017年中国通用航空运输行业研究报告》数据显示，截至2016年底，我国共有运输航空公司59家，比上年底增加4家，其中通用航空全行业飞机数量在2014年达1798架，2016年在册架数2950架，比上年底增加300架。随着我国机场数量的增加及航空旅客运输量的增长，预计到2021年，我国通用航空飞机数量将达到1万架以上[1]。

通用航空委员会对中国通用航空市场的微观需求进行了较为系统的分析和预测，认为2021年中国约1万架通用飞机中，将有6000架活塞飞机， 2000架涡轮螺旋桨飞机， 500架商务喷气飞机，1000架直升机和500架其他机型，而在所有机型中，活塞发动机飞机占比60%左右[2]。由此可见在通用航空发展的进程中，活塞发动机飞机是通用航空器中的主力军。

航空磁电机是航空活塞发动机点火系统的重要组成部分，工作好坏直接影响发动机的功率，甚至影响飞行安全。调查发现，在某通航单位2008年全年点火系统故障统计中，航空磁电机故障占整个点火系统故障的71%左右[3]。目前维修人员主要参考维修手册对航空磁电机进行维修，这种方法效率低且依赖维修经验。

本文将航空磁电机故障树与以往故障统计数据相结合，制定了航空磁电机故障诊断优先程序，对现有技术进行了优化。

1 航空磁电机组成及工作原理

航空活塞发动机点火系统由航空磁电机、磁电机开关、高压导线、点火电嘴[4]等部分组成，如图1所示。

航空磁电机是航空活塞发动机点火系统的核心部件，其铭牌上都标识型号、旋转方向等信息；高压导线连接在航空磁电机与点火电嘴之间，由磁电机开关控制其通断；点火电嘴其实就是一个放电装置，发动机传来的机械能通过电磁感应转化为高压电通过高压导线供给点火电嘴正负电极产生电火花[5]，点燃油气混合气推动活塞使螺旋桨旋转作功。

图1航空活塞发动机点火系统结构图

每台飞机发动机都有两台航空磁电机以备有余度。图2所示是航空磁电机基本结构图，包含冲击联轴器、壳体、分电器、电容器、断电器、线包、磁铁转子等部件。航空磁电机工作原理为：当发动机机匣内的齿轮带动航空磁电机转子时会在航空磁电机线圈铁芯中产生磁通。当触点闭合时会有电流流过初级线圈并在周围产生磁场，当触点断开时初级线圈的磁场会消失，这样在二级线圈会产生高电压,这个高电压通过高压导线传到点火电嘴产生电火花。

图2 航空磁电机基本结构图

航空磁电机主要部件中，冲击联轴器由主动盘、发条式弹簧、被动盘构成，在工作中冲击联轴器出现的卡阻、弹簧疲软等故障会导致航空磁电机无法正常产生高电压。分电器由分电盘、分电臂、分电齿轮等部分组成，在分电齿轮轴内部装有碳刷，在长期使用中碳刷会出现磨损，分电臂和装在分电盘上的分电站会由于跳火产生烧蚀。

航空磁电机的磁铁转子、软铁架、线包等组件都装在壳体中，在发动机工作过程中线包与壳体之间的摩擦会使线包外部出现磨损，使线圈与壳体之间放电，降低二级线圈电压，磁铁转子出现的磨损故障会使分电臂在断电器断电时无法正对分电站。断电器由底座、弹簧片、接线座、触点等部分组成，断电器触点间隙发生变化会使航空磁电机掉转过多，与触点并联的电容器的作用是避免触点烧毁和防止二级线圈电动势减弱。

2 航空磁电机故障树的建立

航空磁电机最大故障就是高压电传到点火电嘴时产生的电火花强度不够，甚至不点火。航空磁电机任何部件发生故障都会使航空磁电机工作不正常[6]，因此航空磁电机故障树的中间事件就是航空磁电机各个部件发生故障，各个部件故障发生的直接原因就是底事件。根据对航空磁电机的故障分析以及在修理厂收集的故障资料，绘制出如图3所示的航空磁电机故障树。

图3航空磁电机故障树

图3中顶事件T为航空磁电机点火强度弱或不点火；G1为磁铁转子故障，G2为电容器故障，G3为冲击联轴器故障，G4为分电器故障，G5为断电器故障，G6为线包故障；X1为密封件损坏，X2为磁铁转子磨损，X3为转子齿轮磨损，X4为转子轴承磨损，X5为甩油环损坏，X6为电容器与护套之间松动，X7为电容器导线破损或折断，X8为电容器本身故障，X9为冲击联轴器卡阻，X10为冲击联轴器锈蚀，X11为冲击联轴器弹簧疲软，X12为分电盘裂纹或损坏，X13为分电站、分电臂松动或烧蚀，X14为碳刷磨损，X15为碳刷弹簧变形，X16为分电盘齿轮轴磨损，X17为断电器间隙过大或过小，X18为接触点烧蚀，X19为接触点表面氧化、挂油，X20为凸轮磨损或缺失，X21为线圈磨损，X22为线圈烧蚀，X23为线圈接触片磨损，X24为线圈绝缘性变差，X25为壳体裂纹，X26为传动轴扭断

使用下行法求故障树的最小割集，得出每个底端事件都是一个最小割集。为了进行定量分析，计算出顶端事件发生的概率，为此在修理厂维修一线对400份维修报告进行统计，通过统计得到表1中的数据。

表1 航空磁电机常见故障统计表

续表1

故障出现次数出现概率线圈烧蚀215．25%壳体裂纹205%断电器间隙过大或过小174．25%线圈接触片磨损174．25%分电臂、分电站松动或烧蚀133．25%转子齿轮磨损123%接触点表面氧化、挂油112．75%分电盘齿轮轴磨损112．75%冲击联轴器卡阻102．5%电容器导线破损或折断92．25%电容值超标71．75%电容器与护套之间松动61．5%磁铁转子磨损51．25%转子轴承磨损51．25%凸轮磨损或缺失41%碳刷弹簧变形30．75%甩油环损坏20．5%线圈绝缘性变差10．25%冲击联轴器锈蚀10．25%冲击联轴器弹簧疲软10．25%传动轴扭断10．25%

用PGn表示中间事件的发生概率，PXn表示底事件发生的概率，PT表示顶事件的发生概率，则:

PG1=1-(1-PX2)(1-PX3)(1-PX4)(1-PX5)=0.05883；PG2=0.05401；PG3=0.02987；PG4=0.33919；PG5=0.55059；PG6=0.20589；PT=0.81904。

当顶端事件发生时，各个最小割集重要度可根据式PM/T=PM/PT计算。PM/T表示最小割集重要度，PM表示最小割集的发生概率，由上可知PM=PXn，因此PM/T=PXn/PT。则得到各最小割集的重要度，如表2所示。中间事件重要度如表3所示。

表2 最小割集的重要度

表3 中间事件的重要度

续表3

中间事件重要G50．672238G60．251380

3 航空磁电机故障诊断程序制定

为了让维修人员在工作中能更快找到故障，故根据排故一般规则和重要度将航空磁电机众多故障分出主次，安排出合理高效的排故程序。

将航空磁电机故障树中间事件的重要度、作为顶端事件直接原因的底事件的重要度按照大小顺序排列：G5断电器故障重要度>G4分电器故障重要度>G6线包故障重要度>X1密封件损坏重要度>G1磁铁转子故障重要度>G2电容器故障重要度>X25壳体裂纹重要度>G3冲击联轴器故障重要度>X26传动轴扭断重要度。概率重要度值越大，说明它对顶事件的影响越大，故航空磁电机排故主程序如图4所示。

图4 航空磁电机排故主程序

将导致分电器故障的底事件按照重要度大小排序，可得出分电器排故子程序，如图5所示。首先检查碳刷是否有磨损：在航空磁电机工作过程中碳刷始终跟着分电盘齿轮旋转，长期使用后会出现磨损，导致碳刷与接触片之间接触不良，影响磁电机工作[7]。其次检查分电盘和分电站，看分电盘是否磨损积碳，看分电站是否有烧蚀。分电站烧蚀会使分电臂与各分电站之间间隙不一样，导电效果差。接着检查分电盘齿轮轴是否有磨损。齿轮轴磨损会使分电臂与各个分电站之间的间隙不断变化，导致航空磁电机传给各个点火电嘴上的高压电动势各不相同。最后检查碳刷弹簧是否烧蚀、生锈或腐蚀引起变形。碳刷弹簧出现烧蚀变形，同样也会导致航空磁电机工作不正常。

图5分电器排故子程序

根据以上方法也可以对航空磁电机的断电器、线包等部件做出排故程序。除此之外，对航空磁电机线路绝缘值进行检查时，也应着重检查磁电机开关。因为磁电机开关后盖与开关接线柱之间间隙小，在挤压安全保护套后会导致绝缘值变化，安全保护套和胶合板的本身材料不符合标准也会导致绝缘值变化，这些问题都可能导致发动机无法正常点火[8-10]。

在一线维修中，将核对过的某型号航空磁电机安装到测试台进行测试，发现连续性跳火不稳定，初步分析是分电器存在故障。将磁电机分解并对分电器按照排故程序逐步检查，最终断定是分电盘磨损、分电盘齿轮松动。最后对各部件按照重要度做出全面细致地检查。实践证明将故障树分析法与磁电机故障诊断结合起来，能够大大缩短维修人员进行故障诊断的时间，并能让新手维修人员更快地进行航空磁电机诊断与维修。

4 结语

本文介绍了航空磁电机的结构、工作原理及各部件可能发生的故障，并根据某飞机修理厂近两年400台航空磁电机维修报告，建立并定性定量分析了航空磁电机故障。根据各部件故障重要度，对航空磁电机各部件故障进行排故主次排序并设计出航空磁电机分电器故障诊断流程，为机务维修人员迅速定位故障部件提供了技术支撑。

[1] 中商产业研究院.2017年中国通用航空运输行业研究报告[EB/OL].(2017-06-13)[2017-09-05].http://www.askci.com/news/chanye/20170613/174035100398.shtml.

[2] 丁发军,闫峰.航空活塞发动机工程技术管理[M].成都：西南交通大学出版社，2014：61-82.

[3] 段容宜.航空磁电机故障与维护浅析[J].科技传播,2011(12):145-146.

[4] 钱伟,詹定鹏,张德银,等.航空活塞发动机点火强度均衡性测试及防火研究[J].火灾科学,2016,25(4):188-193.

[5] 李汝辉,吴一黄.活塞式航空动力装置[M].北京:北京航空航天大学出版社,2008:60-69.

[6] 严军.基于故障树分析法的航空活塞发动机故障诊断专家系统研究[D].成都:电子科技大学,2010.

[7] 吕伟.TB-200飞机航空电机的使用可靠性及故障分析[J].科学技术与工程,2012,12(32):8803-8806.

[8] 马宏伟.航空活塞式发动机点火故障检测系统开发[D].成都:电子科技大学,2011.

[9] TB20 aircraft maintenance manual[M].Scotta Aircraft Company,2010.

[10] Cessna 172R maintenance manual[M].Cessna Aircraft Company,2008.