基于故障树的APU无引气分析及维修建议

付尧明 何健夫 闫锋

摘要：根据某航空公司的历史数据，APU无引气是APU故障的常见形式。本文基于故障树分析方法对APU无引气事件进行安全性分析。以APU无引气为顶事件构建故障树，计算出顶事件发生概率，结合故障树的最小割集和概率重要度，确定导致顶事件发生的主要原因，并提出相应改进措施。

关键词：故障树分析；辅助动力装置；引气

Keywords：FTA；APU；bleed

0 引言

波音737NG飞机APU引气系统的功能是为主发动机启动系统、空调和增压系统提供气源。在实际维护过程中，APU引气系统出现故障的频率和重复率较高，主要分为两类：APU无引气和APU引气压力低。根据某航空公司历史数据，APU无引气事件发生概率更高，因此，应针对其提出改进措施，减少该类事件的发生。与传统的分析方法相比，故障树分析法能够直观、准确、全面地分析出导致故障发生的原因，这在排故过程中有着极大的优势。本文针对APU无引气事件，结合某航空公司的历史数据，运用故障树分析方法进行定量的安全性分析，确定导致APU无引气的主要故障原因，并提出相应的维修建议。

1 故障分析

造成APU无引气的原因有多种，主要涉及APU引气系统。APU引气系统一般由负载压气机、进口导向叶片（IGV）、进口导向叶片作动筒（IGVA）、引气活门（BAV）、防喘活门（SCV）及压力传感器组成，功能是为飞机的一些气动操作提供压缩空气。

电子控制组件（ECU）是APU的重要控制组件，其有4种引气方式：1）无引气方式；2）管道增压方式；3）主发动机点火方式；4）空调系统方式。ECU通过接收输入信号，选择不同的引气方式来控制IGV、BAV和SCV的开度，达到为飞机提供气源的目的[1]。

1.1 BAV故障分析

APU引气开关、转速传感器和进口压力传感器分别向ECU发送输入参数，ECU根据接收到的信号选择合适的工作方式，向控制电磁阀发送指令。只有在ECU发出指令、负载压气机提供气源时，BAV才会打开，如图1所示。

根据BAV工作原理图和手册，如果进口压力的值减去总压力的值>10psia，则BAV可能无法打开，或当控制电磁阀的螺线管驱动器电路断开时，电磁控制阀无法控制BAV的位置。

1.2 IGVA工作原理

ECU根据进口温度和进口压力等输入参数选择不同的引气方式，向燃油调节器（FCU）和进口导向叶片作动筒（IGVA）伺服阀发出信号，控制伺服燃油流向IGVA，IGVA利用FCU的燃油壓力来控制进口导向叶片（IGV）在15°～115°之间转动。IGV的角度会影响负载压气机的进气量。线性差动可变传感器（LVDT）同时向ECU反馈IGV的角度，如图2所示。

1.3 SCV工作原理

总压传感器（PT）和压差传感器（DP）向ECU发送输入参数，ECU控制伺服阀上的扭矩马达，扭矩马达带动APU燃油系统供应高压燃油，作动筒利用燃油压力控制防喘活门在10°～90°之间移动。线性差动可变传感器（LVDT）向ECU反馈防喘活门的角度，如图3所示[2-3]。

2 APU无引气故障树分析

以波音737NG飞机APU无引气事件为顶事件，分析导致该顶事件发生的底事件，计算该顶事件是否满足安全性要求并针对薄弱环节提出改进措施。

2.1 故障树的建立

通过上述对APU引气系统的分析，结合航空公司机队航线数据，构建APU无引气故障树，如图4所示。导致APU无引气事件的所有最小割集如表1所示。

2.2 最小割集及顶事件发生概率求解

通过某航空公司波音737NG机队航线数据，收集得到故障树底事件对应的故障率，如表2所示。X1为单向活门故障，由于该事件发生概率较小，在进行故障树定量和定性分析时可以忽略。

据图4、表1和表2，求得顶事件APU无引气发生的概率为7.92E-4，在FAA故障概率和失效等级表中处于10E-4到10E-5之间，如表3所示，表明该故障满足规定的安全性要求。

2.3 概率重要度求解

概率重要度是指底事件发生概率变化会给顶事件的发生概率以多大的影响，用顶事件发生概率对底事件发生概率的偏导数来表示：

其中，gi（t）为概率重要度，Fi（t）为部件不可靠度，Fs（t）为系统不可靠度。因此，得到如表4所示的概率重要度。

2.4 维修建议

由表4可以看出，ECU损坏和线束损坏的概率重要度较高，说明这两个底事件容易导致顶事件的发生。

建议采取以下措施来减少APU无引气事件的发生概率。

1）在针对ECU的维护时，ECU电连接器插针容易出现弯曲、磨损等现象。应增加插针厚度，减少维修人员插拔导致的损伤。

2）线束容易发生接触不良、磨损等现象，应选取质量好的线束。在装配过程中，应避免因线束缠绕发生线束变形。

3）进口导向叶片作动器的LVDT经常发生短路现象，应选取热稳定性更好、抗短路能力更强的变压器以及弯度和强度更好的导线，完善变压器的保护装置。

4）在检查引气活门的螺线管驱动器电路电压时，如果大于11V，应按照FIM 49-60-815隔离；如果在4.6～11V之间，应按照FIM 49-51-802隔离。

5）在针对FIM 49-50-821进行隔离时，还需要注意如果负载压气机的空气流量在6s内降至0，则会发生逆流现象，持续维持0的状态1s，引气活门将关闭。

3 结论

故障树分析法相较于传统方法，具有更清晰、形象的因果关系。可以通过对可能造成系统故障的硬件、软件、环境、人为因素进行分析，画出故障树，从而确定故障原因的各种可能组合方式和（或）其发生概率，有助于确定安全性薄弱环节，因此对其采取改进措施来提高系统可靠性和安全性。但是也要求分析人员必须非常熟悉所分析的对象系统，能准确和熟练地应用该分析方法。本文从APU系统原理出发，分析得出导致顶事件发生的11个底事件，再运用最小割集和概率重要度求解出具体数据，通过具体数据可以直观地看出薄弱环节。通过进一步分析得出APU无引气事件的发生大多是由线路和电路问题导致，并提出相应的维修建议和航线维护中的注意事项，能够减少和预防APU无引气事件的发生。

参考文献

[1] Boeing. 737NG飞机AMM手册[Z].

[2]邹沁璇，刘昱欣.波音737NG飞机APU引气工作详解与地面应用分析[J].航空维修与工程，2019（5）：91-93.

[3]孙龙.APU引气压力低或无引气故障[J].科技资讯，2015（8）：49-50.

[4]李颖，郑进文，梁九生.系统安全性评估在民用航空中的应用综述[C].第八届中国航空学会青年科技论坛，2018：100-102.

[5]董力，吴雨婷，韩冰，陆中.基于FTA的某型航空发动机电子控制系统安全性分析[J].电子技术与软件工程，2019（9）：100-102.

[6]乔磊，李艳军，曹愈远，赵苏阳，许振腾，汪雷.航空发动机高能碎片非包容事件故障树分析[J].航空计算技术，2015（5）：35-37.