陳農(nóng)田，馬 婷，王 杰，楊文鋒

(1.中國民航飛行學(xué)院 航空工程學(xué)院，四川 廣漢 618307； 2.中國民航飛行學(xué)院 計算機學(xué)院，四川 廣漢 618307; 3.北京航空航天大學(xué) 熱能與動力工程學(xué)院,北京 100191)

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模糊故障樹分析法在航空發(fā)動機滑油滲漏分析中的應(yīng)用

陳農(nóng)田1，馬 婷2，王 杰3，楊文鋒1

(1.中國民航飛行學(xué)院 航空工程學(xué)院，四川 廣漢 618307； 2.中國民航飛行學(xué)院 計算機學(xué)院，四川 廣漢 618307; 3.北京航空航天大學(xué) 熱能與動力工程學(xué)院,北京 100191)

為準(zhǔn)確查找航空發(fā)動機滑油滲漏原因，研究模糊故障樹理論在飛機故障診斷方面的應(yīng)用;以CFM56-7B發(fā)動機滑油系統(tǒng)為研究對象，將故障樹理論應(yīng)用于滑油系統(tǒng)滲漏故障診斷中，采用下行法求解最小割集得到故障誘因最小事件;根據(jù)滑油故障發(fā)生概率具有模糊和不確定性特點，結(jié)合Delphi專家調(diào)查采用模糊數(shù)學(xué)理論進行定量分析，確定故障誘因事件風(fēng)險重要度排序;從CFM56-7B滑油滲漏故障原因重要度排序可知，故障誘因依次為后收油池供油口蓋封嚴(yán)損壞(x1)、后收油池滑油回油管接頭處裂紋(x2)、發(fā)動機使用MJO291滑油后導(dǎo)致密封材料損壞(x8)等，維修時應(yīng)注意;維修單位故障記錄驗證了方法的有效性，可為準(zhǔn)確和快速診斷和排除滑油滲漏故障提供參考。

航空發(fā)動機；滑油滲漏；模糊故障樹；滑油監(jiān)測；故障診斷

0 引言

航空發(fā)動機的滑油系統(tǒng)主要起潤滑、冷卻、清潔以及防腐作用，滑油的熱量可作為防冰系統(tǒng)的熱源[1]。航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機轉(zhuǎn)子在高轉(zhuǎn)速下工作，滑油系統(tǒng)可靠安全是發(fā)動機正常運行的基礎(chǔ)，準(zhǔn)確診斷和及時排除發(fā)動機滑油系統(tǒng)故障，對保證飛行安全具有重要意義。在航空發(fā)動機滑油滲漏故障診斷研究方面，文獻[2]運用小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對發(fā)動機滑油故障進行分析。文獻[3]通過實施基于動態(tài)邏輯門和模塊化思想的動態(tài)故障樹分析方法實施航空發(fā)動機滑油故障診斷。文獻[4]通過在線系統(tǒng)電源設(shè)計來實施發(fā)動機滑油系統(tǒng)故障狀態(tài)監(jiān)控。由于航空發(fā)動機滑油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，層次性、模塊性強，故障診斷信息繁多，故障誘因具有隨機性、模糊性及不確定性，許多診斷分析方法在適用上有局限性。故障樹分析法(Fault Tree Analysis，F(xiàn)TA)作為分析復(fù)雜系統(tǒng)可靠性和安全性的有效工具，在航空電子、機械化工、安全管理等領(lǐng)域中成熟應(yīng)用[5-8]。針對航空發(fā)動機滑油滲漏故障誘因特性，較適合運用模糊數(shù)學(xué)理論與故障樹相結(jié)合方式進行滑油系統(tǒng)故障診斷分析，本文擬將模糊故障樹理論引入滑油滲漏故障分析，定量評估故障誘因風(fēng)險程度，為有效實施滑油系統(tǒng)故障診斷提供理論基礎(chǔ)。

1 發(fā)動機滑油滲漏故障樹的建立

1.1 CFM56-7B滑油系統(tǒng)工作原理

CFM56-7B發(fā)動機是CFM發(fā)動機公司上世紀(jì)90年代后期開發(fā)并投入使用的發(fā)動機，在控制方式上采用全權(quán)限數(shù)字電子控制技術(shù)，具備較強故障探測能力。CFM56-7B發(fā)動機的滑油系統(tǒng)包括3個分系統(tǒng)：儲存系統(tǒng)，分配系統(tǒng)，指示系統(tǒng)，其工作原理流程如圖1所示[9]。

圖1 滑油系統(tǒng)組成工作原理

1.2 發(fā)動機滑油滲漏故障樹建立

故障樹分析理論實際上是對系統(tǒng)的深入分析，分析人員需清楚故障潛在因素影響程度、關(guān)聯(lián)度及與故障之間的邏輯關(guān)系[10-11]。根據(jù)故障樹分析理論，發(fā)動機滑油滲漏故障樹建立步驟如下：

1)收集分析滑油故障診斷資料。確定滑油系統(tǒng)組成因素，分析故障要素誘發(fā)影響程度及邊界條件。

2)確定頂事件。根據(jù)故障機理和系統(tǒng)失效模式，需要對滑油系統(tǒng)滲漏故障進行分析，確定頂事件，頂事件選取為：CFM56-7B滑油滲漏故障。

3)確定中間事件。作為頂事件下一級的中間事件就是誘發(fā)頂事件的全部直接原因或者原因組合。誘發(fā)CFM56-7B滑油滲漏故障中間事件包括后收油池的非正常滲漏故障、附件齒輪箱的失效滲漏故障、發(fā)動機其他附件故障導(dǎo)致滑油滲漏故障等模塊，其中附件齒輪箱的失效滲漏故障還包括附件齒輪箱內(nèi)滲漏等子模塊。

4)確定底事件。作為中間事件的直接原因或原因組合下一級事件，直至無法再分析的最底層的事件即為底事件。CFM56-7B滑油滲漏故障底事件包括后收油池供油口蓋封嚴(yán)損壞造成的滑油滲漏；附件齒輪箱碳封嚴(yán)失效以及附件齒輪箱“O”型密封圈失效等。

5)故障樹化簡。明確頂事件、中間事件以及底事件的與或關(guān)系，根據(jù)實際設(shè)定必要合理假設(shè)條件，得到主要邏輯關(guān)系等效的簡化CFM56-7B滑油滲漏故障樹分析圖(見圖2)。

圖2 CFM56-7B滑油滲漏分析故障樹

A：后收油池的非正常滲漏；

B：附件齒輪箱的失效滲漏；

C：發(fā)動機上其他附件故障導(dǎo)致滲漏；

D：附件齒輪箱內(nèi)的滑油滲漏；

X1：后收油池供油口蓋封嚴(yán)損壞導(dǎo)致滲漏；

X2: 后收油池滑油回油管接頭處裂紋導(dǎo)致滲漏；

X3: 擠壓油膜供油管接頭處連接螺帽設(shè)計不當(dāng)導(dǎo)致滲漏；

X4：附件齒輪箱碳封嚴(yán)失效；

X5：附件齒輪箱“O”型密封圈失效；

X6：附件本身故障導(dǎo)致滲漏；

X7：起動機故障導(dǎo)致滲漏；

X8：發(fā)動機使用MJO291滑油后導(dǎo)致密封材料損壞導(dǎo)致滲漏。

1.3 滑油滲漏故障樹的最小割集

根據(jù)滑油滲漏故障樹圖2所示，由于該故障樹均為或門，采用最小下行法求出滑油滲漏故障樹的全部最小割集：最小割集為：{x1}，{x2}，{x3}，{x4}，{x5}，{x6}，{x7}，{x8} 。任意一個最小割集事件發(fā)生，都會導(dǎo)致滑油滲漏故障。

2 基于模糊理論的滑油滲漏誘因風(fēng)險分析

2.1 模糊理論

(1)

2.2 基本事件發(fā)生概率模糊數(shù)的確定

2.2.1 評估團專家的權(quán)值

由于在滑油滲漏分析中，獲得大量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計不現(xiàn)實，本文采用專家調(diào)查Delphi法來確定基本事件發(fā)生的概率值。由于每位專家對賦值的重要程度存在差異，根據(jù)專家的具體情況，將評估專家重要程度分為5個等級，并分別給出等級分值，然后將每位專家總的權(quán)值WSi(i=1,2,3,…n;n表示評審專家數(shù))，進行歸一化處理后得到實際權(quán)值Wi(i=1,2,3,…,n)，即：

(2)

2.2.2 基本事件發(fā)生的概率模糊數(shù)

專家評估故障樹中基本事件發(fā)生概率的大小語言值集合為{很小、小、較小、中等、較大、大、很大}，記作：{VS,S,FS,M，F(xiàn)L,L,VL}，其隸屬度函數(shù)分別為：

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

對于某事件發(fā)生的概率，n位專家評估的語言值，可以采用加權(quán)組合得到該事件評估的語言值模糊數(shù)，表示為：

(10)

式中,m,s,t,u,v,q,p分別表示評估的語言值為“很小”、“小”、“較小”、“中等”、“較大”、“大”、“很大”的專家數(shù)，且m+s+t+u+v+q+p=n；wVSi,wSi,wFSi,wMi,wFLi,wLi,wVLi分別表示評估值為“很小”、“小”、“較小”、“中等”、“較大”、“大”、“很大”的專家權(quán)重值；fZ(x)表示加權(quán)組合后得到總的評估語言值所對應(yīng)的模糊數(shù)Z的隸屬度函數(shù)，可根據(jù)模糊理論中的α截集理論求解[12]。

2.2.3 歸一化處理

基本事件發(fā)生的概率不確定時，經(jīng)專家評估團評估得到其發(fā)生的概率模糊數(shù)。為便于故障樹分析，需均化為梯形模糊數(shù)。

3 算例分析

3.1 專家對基本事件發(fā)生概率估值

邀請10名經(jīng)驗豐富的發(fā)動機故障診斷與分析技術(shù)人員、管理人員和機務(wù)專家按“很小(VS)”、“小(S)”、“較小(FS)”、“中等(M)”、“較大(FL)”、“大(L)”、“很大(VL)”分別對基本事件發(fā)生概率進行評估。其調(diào)查結(jié)果如表1所示。

3.2 模糊隸屬函數(shù)建立

利用模糊集理論，將專家評估的語言值加權(quán)組合為模糊數(shù)，由于專家自然語言的判斷信息帶有模糊性，選用模糊集合的截集α對其進行處理。根據(jù)專家的權(quán)值，結(jié)合隸屬函數(shù)可得

表1 專家對基本事件發(fā)生概率評估

評估專家的不同自然語言所代表的隸屬函數(shù)的α截集分別為：

其中:s1,s2,f1,f2,m1,m2,h1,h2,l1,l2分別為隸屬度函數(shù)的α截集的上下限。

其隸屬度函數(shù)為:

簡記為0.315 5，0.415 5，0.455 2，0.555 2即為基本事件x1發(fā)生的概率模糊數(shù)。同理得到基本事件xi(i=2,3,4…8)隸屬函數(shù)及概率模糊數(shù)。

3.3 基本事件概率模糊數(shù)及重要度分析

將基本事件的概率模糊數(shù)歸一化處理，滑油滲漏故障樹中基本事件重要度計算結(jié)果見表2所示。

表2 CFM56-7B滑油滲漏故障樹基本事件概率模糊數(shù)及重要度

從CFM56-7B滑油滲漏故障原因重要度排序可知，后收油池供油口蓋封嚴(yán)損壞導(dǎo)致滲漏(x1)、后收油池滑油回油管接頭處裂紋導(dǎo)致滲漏(x2)、發(fā)動機使用MJO291滑油后導(dǎo)致密封材料損壞導(dǎo)致滲漏(x8)對CFM56-7B發(fā)動機的滑油滲漏有很大的影響，在故障原因診斷中應(yīng)首先考慮，并積極采取預(yù)防措施。其次，擠壓油膜供油管接頭處連接螺帽設(shè)計不當(dāng)導(dǎo)致滲漏(x3)、附件本身故障導(dǎo)致滲漏(x6)對于發(fā)動機滑油滲漏也有一定的影響。此外，附件齒輪箱碳封嚴(yán)失效(x4)、附件齒輪箱“O”型密封圈失效(x5)、起動機故障導(dǎo)致滲漏(x7)也會產(chǎn)生一定的滑油滲漏，維修時也應(yīng)注意。

3.4 驗證分析

參考國內(nèi)某航空發(fā)動機維修企業(yè)2010-2015年CFM56-7B滑油系統(tǒng)故障維修記錄，誘發(fā)滑油系統(tǒng)滲漏的故障原因依次為后收油池供油口蓋封嚴(yán)損壞、后收油池滑油回油管接頭以及附件齒輪箱“O”型密封圈失效等，表明基于模糊故障樹分析結(jié)論跟實際情況基本吻合。

4 結(jié)語

本文基于CFM56-7B滑油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點和滲漏故障機理，將故障樹理論與模糊理論相結(jié)合應(yīng)用于滑油滲漏故障診斷分析，通過分析滑油滲漏故障因素和邏輯關(guān)系建立滑油滲漏故障樹，運用下行法查找故障樹最低事件。根據(jù)滑油故障發(fā)生具有模糊和不確定性特點，結(jié)合Delphi專家調(diào)查采用模糊數(shù)學(xué)理論進行定量分析，確定故障誘因風(fēng)險重要排序，并結(jié)合維修單位滑油滲漏故障維修統(tǒng)計驗證了方法的可行性與準(zhǔn)確性。將模糊故障樹理論應(yīng)用于CFM56-7B滑油滲漏故障診斷取到了預(yù)期效果，結(jié)論為準(zhǔn)確查找滑油故障原因和及時排除故障提供依據(jù)。

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Aviation Engine Oil Leakage Fault Analysis Based on Fuzzy Fault Tree Theory

Chen Nongtian1, Ma Ting2, Wang Jie3,Yang Wenfeng1

(1.Aviation Engineering Institute, Civil Aviation Flight University of China, Guanghan 618307, China;2.School of Computer Science, Civil Aviation Flight University of China, Guanghan 618307, China;3.School of Energy and Power Engineering, Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Beijing 100191, China)

In order to find out the aviation engine oil leakage reasons, research the fuzzy Fault Tree Analysis (FTA) theory application in fault diagnosis. CFM56-7B engine oil system is taken as the research object, the fault tree analysis theory is adopted to oil leakage fault diagnosis, downlink method is put forward to solve the minimal cut sets and obtained fault incentives minimum event. Considering the fuzzy and uncertain characteristics of oil failure, fuzzy mathematical theory combined with Delphi expert survey is used for quantitative analysis to determine the fault cause event risk degree. From the CFM56-7B oil leaking causes sort importance, the close sump oil filler cap damage (x1), the close sump oil return pipe joints crack (x2), seal material damage after use MJO291 oil (x8), etc lead to engine oil leakage, which should pay more attention. The maintenance unit fault records verify the validity of the methods, which provide a reference for accurate and rapid diagnosis and exclude oil leakage fault.

aviation engine; oil leakage; fuzzy fault tree analysis; oil monitoring; fault diagnosis

2015-12-18；

2016-01-15。

國家自然科學(xué)基金民航聯(lián)合基金項目(U1233202)；中國民航飛行學(xué)院自然基金面上項目(J2015-18)。

陳農(nóng)田(1984-)，男，湖北咸寧人，講師，碩士研究生，主要從事航空適航維修與安全，航空人因工程方向的研究。

1671-4598(2016)06-0064-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.06.018

TN911-34；TP277

A