聶繼鋒

(東航浙江分公司，浙江 杭州 311223)

APU(Auxiliary Power Units)輔助動力裝置，核心部分是一個小型的燃氣渦輪發(fā)動機。飛機在空中飛行時，APU除了無法為飛機提供推力，它幾乎可以替代發(fā)動機所能發(fā)揮的全部功能，在飛機出現(xiàn)緊急情況時的為飛機提供電源和氣源，使飛機能夠維持飛行姿態(tài)、航向等等，以便在有效時間內(nèi)降落在備降機場上，保障飛機與旅客的安全。APU不僅直接影響飛行安全，同時APU也是保證飛機留滯地面時，為飛機提供電源和氣源，為客艙提供舒適環(huán)境的必要條件，因此APU成為現(xiàn)代大型飛機上一個重要的不可或缺的系統(tǒng)。

國內(nèi)、外對發(fā)動機機隊管理十分重視并且已取得很大的成功，積累了經(jīng)驗。發(fā)動機機隊管理技術(shù)豐富，但是對APU的機隊狀態(tài)監(jiān)控和可靠性維修都處于薄弱甚至空白狀態(tài)。盡管國外的APU廠商提供了排故指南和程序，技術(shù)人員也進行了一些故障積累和分析研究，但與發(fā)動機監(jiān)控相比，仍處于很大的差距。正因為缺乏監(jiān)控，APU往往會用到無法使用(完全故障)才會更換、送修，這樣往往會造成APU主要部件的嚴重損壞，比如渦輪葉片嚴重燒蝕，使得無法修理，只能更換新件，這就意味著高額的修理費用;此外，由于缺乏監(jiān)控，有時會造成一個機隊，多架飛機的APU同時故障，這就造成了備件周轉(zhuǎn)不過來。在這種情況下，為保證航班正點，就只能辦理故障保留，而這可能會大大降低航空公司的服務(wù)質(zhì)量，給航空公司在旅客中造成不良影響。

故障樹分析法簡稱FTA(Failure Tree Analysis)，它是一種從系統(tǒng)到部件，再到零件，按“下降形”分析的方法。它從系統(tǒng)開始，通過由邏輯符號繪制出的一個逐漸展開成樹狀的分枝圖，來分析故障事件(又稱頂端事件)發(fā)生的概率，同時也可以用來分析零件、部件或子系統(tǒng)故障對系統(tǒng)故障的影響。故障樹分析法對系統(tǒng)故障不但可以做定性的分析，而且還可以做定量的分析;不僅可以分析由單一部件所引起的系統(tǒng)故障，而且也可以分析多個構(gòu)件不同模式故障而產(chǎn)生的系統(tǒng)故障情況。［1］因為故障樹分析法使用的是一個邏輯圖，因此，不論是設(shè)計人員或是使用和維修人員都容易掌握和運用，并且由它可派生出其他專門用途的“樹”。例如，可以繪制出專用于研究維修問題的維修樹，用于研究經(jīng)濟效益及方案比較的決策樹等。目前故障樹分析法在宇航、核能、電子、化工和機械等領(lǐng)域，得到了廣泛的應(yīng)用，是一種很有前途的故障分析法。［2］

1 APU故障分析

APU最常見的故障可分為四類:1)APU啟動困難;2)APU自動停車;3)引氣壓力低;4)客艙有異味。文章以國內(nèi)民航廣泛使用的131－9型APU為例，主要對APU啟動困難的故障原因進行深入分析。

APU啟動困難包括APU不轉(zhuǎn)動、啟動加速慢、啟動超時、啟動懸掛等情況。啟動懸掛是指APU轉(zhuǎn)速不上升或上升緩慢的情況，分為冷懸掛和熱懸掛。冷懸掛是指APU的EGT不上升，主要是由于APU點火系統(tǒng)不點火引起的;熱懸掛指APU的EGT上升，APU點火系統(tǒng)正常，主要由APU本體、啟動機、燃油供給的原因引起。［3］

1.1 APU內(nèi)部故障

如果APU內(nèi)部有故障，比如齒輪箱中軸承或者齒輪損傷或卡阻，造成轉(zhuǎn)子卡滯，轉(zhuǎn)動部件的阻力會增大，啟動機的扭矩有限，啟動過程中很難使APU加速達到可以維持自身運轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速，造成啟動困難。

渦輪損傷、燒蝕也是啟動困難常見的原因。如果渦輪損傷，燃燒室出來的高溫高壓氣流流過渦輪葉片做的功就減少，APU渦輪產(chǎn)生的動力就減小了，啟動過程中加速就比較慢，甚至啟動困難。

動力部分軸承損傷也會導致APU轉(zhuǎn)動阻力增加，損傷的軸承會改變轉(zhuǎn)動部件和固定部件之間的間隙，引起磨擦和卡阻，使APU啟動困難。

1.2 啟動部件故障

啟動部件引起的APU啟動困難最常見的就是啟動超時，啟動超時就是啟動機工作超時，當啟動加速過慢或者啟動機不能及時脫開，就會出現(xiàn)啟動超時。啟動部件故障包括以下幾類:

(1)啟動機或花鍵軸損壞。啟動機或花鍵軸損傷后啟動機就不能產(chǎn)生扭矩或扭矩不能傳到APU內(nèi)部轉(zhuǎn)動部件，也就很難完成啟動過程。

(2)離合器失效。離合器失效會使APU發(fā)生不加速而自動停車，離合器的示意圖如圖1所示。

圖1 啟動機離合器示意圖

開始啟動時，啟動機馬達給離合器內(nèi)環(huán)一個逆時鐘方向的扭矩，這將引起斜撐塊棘爪順時鐘轉(zhuǎn)動，由于斜撐塊棘爪的特殊形狀，逆時鐘轉(zhuǎn)動過程中把內(nèi)環(huán)和外環(huán)卡緊，鎖在一起同時轉(zhuǎn)動，并把扭矩傳遞給外環(huán)。外環(huán)把轉(zhuǎn)動傳遞給齒輪系，帶動APU加速。當發(fā)動機轉(zhuǎn)速達到自身維持轉(zhuǎn)速以后，隨著APU繼續(xù)加速，外環(huán)比內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)速高，斜撐塊棘爪逆時鐘方向轉(zhuǎn)動，離心力使棘爪向外運動和內(nèi)環(huán)脫離，允許外環(huán)比內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)動更快。

如果離合器內(nèi)環(huán)或外環(huán)磨損失效，斜撐塊棘爪就不能在啟動過程中把內(nèi)環(huán)和外環(huán)鎖在一起，啟動機的扭矩也就不能有效傳遞給APU轉(zhuǎn)動部件，啟動過程也就不能順利完成。

對于啟動機和離合器故障可以進行如下判斷:啟動機馬達后蓋下裝有一個人工驅(qū)動裝置，維護人員可以揭開蓋子，使用一個棘輪扳手通過驅(qū)動裝置轉(zhuǎn)動啟動機和其他部件1)向兩個方向轉(zhuǎn)動受阻，可能啟動機或離合器故障。2)向一個方向自由，另一個方向受阻，APU不轉(zhuǎn)動，可能APU或齒輪箱故障。3)向兩個方向都夠自由轉(zhuǎn)動，APU不轉(zhuǎn)動，則離合器故障。

(3)啟動齒輪、高速齒輪、惰性齒輪損壞。這些齒輪是把啟動機扭矩傳到APU動力部分的必要途徑，如果這些齒輪的齒有磨損或缺損，扭矩的傳遞就會中斷，也就很難完成啟動過程。

1.3 點火組件故障

在啟動過程中，點火組件在APU轉(zhuǎn)速為7%時由ECB(APU電子控制盒)通電，當轉(zhuǎn)速達到60%時被ECB斷電。如果APU轉(zhuǎn)速下降到95%以下，點火組件重新通電。點火組件包括點火盒、點火電纜、點火電嘴?？梢栽贏PU選擇啟動后，在APU附近聽有無“噠噠”的連續(xù)點火聲來判斷是否存在APU點火組件故障。

(1)點火盒提供一個有效的高能放電用來點火，如果點火盒故障，就不能正常點火。

(2)點火嘴的失效也會造成APU啟動失敗。中國大氣環(huán)境污染比較嚴重，這些大氣中的顆粒物和燃油中的雜質(zhì)在燃燒的過程中很容易沉積在點火嘴上，所以點火電嘴使用時間長了較易產(chǎn)生積碳，同時點火電嘴長期工作在高溫的條件下，表面很容易遭受到燒蝕影響點火的可靠性。多年來，對于點火嘴故障的維修往往都是直接更換新的點火嘴，實際可使用硬毛刷對其表面進行清理，將點火嘴表面的污物、積碳、燒蝕清除，先檢查兩個點火嘴的陶瓷部分無裂紋或積碳;檢查點火嘴的中心電極和外殼無燒蝕;檢查點火嘴的圓柱體和螺紋無腐蝕和損壞，如果燒蝕超出所給的限制范圍，再更換點火嘴。大部分的點火嘴在清理之后都可以正常工作，從而避免了航材的浪費。

(3)點火導線接觸不良或者燒蝕也會影響APU的正常啟動。點火導線的工作區(qū)是高溫高振動區(qū)域，工作環(huán)境很惡劣，如果導線的安裝和捆扎不牢靠，也極易造成點火導線與其他部件的摩擦進而造成導線的損壞。

1.4 流量分配器故障

流量分配器包括一個單向活門和常開的燃油電磁閥，它控制APU燃燒室的供油量。當電磁閥斷電打開時，單向活門打開，允許燃油流入次燃油管，此時主燃油總管壓力超過120psi。APU轉(zhuǎn)速達到30%以前或者到達巡航高度時，電磁閥通電關(guān)閉，單向活門不起作用，此時所有燃油只進入主燃油管。

如果單向活門嚴重漏油，而電磁閥工作時，主噴油管的壓力會降低，影響燃油的霧化效果，可能出現(xiàn)啟動慢現(xiàn)象。如果電磁閥故障不能打開，次燃油路不通，APU加速性就變慢，出現(xiàn)APU不加速。

2 建立故障樹

下面以APU啟動困難為例建立故障樹。APU由飛機電瓶或地面直流電源對啟動機供電，啟動機帶動APU轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。APU點火系統(tǒng)主要部件有APU控制組件、點火激勵器、點火導線和電嘴。直流電供給點火激勵器，激勵器轉(zhuǎn)換成高壓供給電嘴。

圖2 故障樹示意圖

“APU啟動困難”故障樹示意圖如圖2所示。表1示出了故障樹中各符號代表的事件。

表1 故障樹中對應(yīng)的事件列表

3 故障樹定性分析

故障樹定性分析中要用到割集和最小割集這兩個概念，割集是故障樹的若干底事件的組合，如果這些底事件發(fā)生將導致頂事件發(fā)生。最小割集是數(shù)目不能再少的割集。一個最小割集代表引起故障樹頂事件發(fā)生的一種故障模式。故障樹定性分析的目的在于尋找頂事件發(fā)生的原因事件或者各原因事件的組合，也就是找出故障樹的全部最小割集，是進一步進行定性分析的基礎(chǔ)。求解最小割集的方法有上行法、下行法和質(zhì)數(shù)法。下行法求解最小割集的基本原理是從頂事件開始，遇到與門就把與門下面的所有輸入事件排列成一行，增加割集的容量，遇到或門就把或門下的所有輸入排列成一列，增加割集的數(shù)量，這樣逐級向下進行，直到全部的邏輯門都被置換為基本事件為止。［4］用下行法得出全部最小割集為:{X1}，{X2}，{X3}，{X4}，{X5}，{X6}，{X7}。

4 故障樹定量分析

故障樹定量分析的主要任務(wù)是計算出頂事件的發(fā)生概率和對各底事件進行重要度分析。對底事件的發(fā)生率和對底事件重要度進行分析時，要用到底事件的發(fā)生概率。根據(jù)經(jīng)驗，設(shè)底事件Xi的發(fā)生率服從指數(shù)分布 P(Xi)=I－e－λ1，t表示運行時間，λ表示底事件Xi的失效率，λ可以根據(jù)“APU啟動困難”年故障率和底事件Xi的故障數(shù)在“APU啟動困難”故障總數(shù)的比例獲得。［5］APU啟動困難故障統(tǒng)計如表2所示。下面以X5“點火盒故障”為例計算其發(fā)生率。

表2 APU啟動困難故障統(tǒng)計表

根據(jù)東航2009－2011年度A320系列飛機的APU故障統(tǒng)計中，249例“APU啟動困難”事件中有49例是由點火盒故障造成的，取“APU啟動困難”事件的年故障率為0.029，則λ=0.029/83*16=5.7068*10－3，取 t=1 則 P(X5)=I－ e－0.005577=5.691*10－3，同理可以計算出其它底事件的發(fā)生率，如表3所示。

表3 故障樹中的事件發(fā)生率

4.1 事件發(fā)生率分析

已知故障樹的全部最小割集為:{X1}，{X2}，{X3}，{X4}，{X5}，{X6}，{X7}。最小割集內(nèi)各底事件是相互獨立的，

頂事件發(fā)生率的計算公式為:

式中，P(T)為頂事件發(fā)生的概率，P(Xi)為底事件發(fā)生的概率，K為最小割集的個數(shù)。

將表3中的數(shù)據(jù)代入公式(1)可計算出頂事件T的發(fā)生率P(T)為0.02948。

4.2 重要度分析

重要度分析是是故障樹分析中的一個重要組成部分。它通過計算底事件的概率重要度、結(jié)構(gòu)重要度和關(guān)鍵重要度，從不同角度來分析底事件對頂事件的影響程度。

(1)概率重要度

概率重要度指的是底事件Xi發(fā)生概率P(Xi)變化引起頂事件T發(fā)生的概率P(T)的變化程度，用頂事件的發(fā)生概率P(t)對底事件Xi發(fā)生概率P(Xi)的偏導數(shù)來表示，其計算公式為:

式中，IP(t)為Xi的概率重要度。

按公式(2)計X5概率重要度，得出:

同理可以計算出所有的最小割集的概率重要度，如表4所示。

由偏導數(shù)的定義可知，IP(t)越大，說明Xi底事件的發(fā)生對頂事件T發(fā)生的影響力就越大。

(2)關(guān)鍵性重要度

關(guān)鍵性重要度是故障概率P(Xt)的變化率與它引起的頂事件T發(fā)生概率P(T)的變化率之比。公式為:

IC(f)為Xt的關(guān)鍵性重要度。

按照上式計算各底事件的關(guān)鍵性重要度見表4。

關(guān)鍵性重要度分別從底事件的概率重要度和底事件本身的不可靠度這兩個方面來衡量了它們對系統(tǒng)故障的影響，因此它能更客觀地體現(xiàn)底事件對頂事件的影響程度。［6］Ic(t)越大說明由底事件Xt觸發(fā)系統(tǒng)故障發(fā)生的可能性就越大。因此可以按照底事件關(guān)鍵性重要度的大小順序列出系統(tǒng)底事件，當進行故障維修前或故障發(fā)生后診斷時可以從關(guān)鍵性重要度最大的底事件開始查找排故，這樣可以準確、快速的找出故障原因。

表4 故障樹中各事件的關(guān)鍵性重要度列表

(3)結(jié)果分析

由表4的計算結(jié)果可以看出，關(guān)鍵性重要度大小的排列順序為IC(X2)＞ IC(X3)＞ IC(X5)＞ IC(X4)＞IC(X7)＞IC(X6)＞IC(X1)。由關(guān)鍵性重要度的排序可知，影響APU啟動的主要因素為:流量分配器故障，啟動機或者花鍵軸損壞，點火盒故障，離合器失效，點火電嘴故障，點火電纜故障，APU內(nèi)部故障等。要想降低APU啟動故障事件的發(fā)生率，必須減少它們的發(fā)生率。對APU啟動困難故障進行維修排故時應(yīng)該從關(guān)鍵性重要度大的底事件開始查找逐一進行排除。首先將 X2、X5、X3、X4、X7這五個底事件作為檢查對象。實踐證明依據(jù)關(guān)鍵性重要度進行故障診斷，不但能快速、準確找到故障原因，縮短診斷時間，而且可以減少不必要的檢修與拆卸，從而提高排故的效率。對系統(tǒng)進行維護時，也應(yīng)該按照底事件的重要度從大到小的順序進行，著重對重要度高的底事件進行監(jiān)測，從而可以提高系統(tǒng)運行的可靠性。

文章通過對APU的啟動困難故障現(xiàn)象、故障原因分析，結(jié)合故障樹分析法的特點，建立了APU啟動困難故障樹模型。故障樹為維修人員進行APU維修提供了便利，同時也降低了航空公司的維修成本，提高了APU的在翼時間。

［1］朱繼洲.故障樹原理與應(yīng)用［M］.西安:西安交通大學出版社，1989.

［2］張明川.人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在民用渦扇發(fā)動機故障診斷中的應(yīng)用［N］.航空工程與維修，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飛控系統(tǒng)故障模型研究與實現(xiàn)［D］.天津:中國民用航空學院，2006.

［5］楊曉川，謝慶華.基于故障樹的模糊故障診斷方法［J］.同濟大學學報，2001，29(9).

［6］李永平.基于CBR方法的飛機排故支持技術(shù)研究與應(yīng)用［D］.南京:南京航空航天大學，2006.