王 振，郝 偉，孫 寧

(1.濱州學(xué)院 飛行學(xué)院，山東 濱州 256603；2.山東航空股份有限公司 飛行部，山東 濟(jì)南 250014)

近年來(lái)，我國(guó)民航運(yùn)輸業(yè)得到快速發(fā)展,與此同時(shí)，飛機(jī)安全問(wèn)題日益突出，飛行事故時(shí)有發(fā)生。常見(jiàn)的事故原因通常包括天氣因素、人為因素和機(jī)械故障等。其中，天氣因素是引起飛行事故的一個(gè)重要原因。飛機(jī)積冰作為引發(fā)飛行事故的重要天氣因素，極易導(dǎo)致飛機(jī)的空氣動(dòng)力性能和發(fā)動(dòng)機(jī)性能降低，高度表、空速表等指示錯(cuò)誤，嚴(yán)重影響飛機(jī)的穩(wěn)定性和操縱性。

為減少飛行事故發(fā)生，降低積冰對(duì)飛機(jī)安全性的影響,飛機(jī)通常配備防冰系統(tǒng)，預(yù)防積冰的產(chǎn)生。但是維修數(shù)據(jù)顯示，防冰系統(tǒng)時(shí)常發(fā)生故障，其可靠性水平不高，因此，對(duì)其可靠性進(jìn)行研究意義重大。在可靠性為中心的維修理論中，重點(diǎn)是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行故障模式、影響及危害性分析(Failure Mode Effects and Criticality Analysis，F(xiàn)MECA)。FMECA方法首先確定系統(tǒng)中每個(gè)可能的故障模式，然后確定故障對(duì)該系統(tǒng)及上層系統(tǒng)所產(chǎn)生的影響，其次對(duì)每個(gè)故障模式按其影響的嚴(yán)重程度、故障發(fā)生概率及故障危害程度進(jìn)行分類，最后找出影響及危害性最大的故障，予以重點(diǎn)關(guān)注，制定針對(duì)性的維修方法。

王越等[1]針對(duì)FMECA方法在復(fù)雜系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)分析中存在主觀性、局限性和單一性的缺點(diǎn)，提出一種基于數(shù)據(jù)挖掘的FMECA改進(jìn)方法。Gong等[2]研究使用故障模式、影響和危害性分析作為設(shè)計(jì)ABC分類系統(tǒng)的基礎(chǔ)，能夠更準(zhǔn)確地確定關(guān)鍵設(shè)備，并提高維護(hù)效率。高順華等[3]建立了功能法和部件法相結(jié)合的分層FMECA分析模型，并應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的維護(hù)。吳澤豫等[4]在傳統(tǒng)FMECA方法的基礎(chǔ)上，提出了基于模糊危害性矩陣的FMECA方法，改良了傳統(tǒng)FMECA難以衡量分析人員主觀不確定性的問(wèn)題。文獻(xiàn)[5-7]將FMECA方法應(yīng)用到機(jī)械、電氣系統(tǒng)中，并取得了良好的效果。

綜上所述，F(xiàn)MECA方法經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展趨于成熟，并得到了廣泛的應(yīng)用。因此，本文擬應(yīng)用FMECA分析法對(duì)B737NG系列飛機(jī)的防冰系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析，找出影響防冰系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵因素，改進(jìn)維修方法，為提高飛機(jī)飛行安全提供重要參考。

1 飛機(jī)防冰系統(tǒng)

1.1 飛機(jī)防冰系統(tǒng)組成

以B737NG系列飛機(jī)為例，飛機(jī)防冰系統(tǒng)可按區(qū)域劃分為機(jī)翼前緣防冰、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道防冰、大氣數(shù)據(jù)探頭防冰、風(fēng)擋加溫防冰等。

機(jī)翼前緣防冰系統(tǒng)包括：控制電門、防冰關(guān)斷活門、防冰過(guò)熱電門、防冰管路、結(jié)冰探測(cè)器、空-地感應(yīng)開(kāi)關(guān)、環(huán)形噴射器、發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)等。發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道防冰系統(tǒng)包括：控制電門、防冰關(guān)斷活門、監(jiān)控傳感器、結(jié)冰探測(cè)器、防冰管路、發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)等。大氣數(shù)據(jù)探頭防冰系統(tǒng)包括：探頭加溫控制計(jì)算機(jī)、大氣總溫探頭、探頭加溫器、指示燈等。駕駛艙風(fēng)擋加溫防冰系統(tǒng)包括：加溫元件、控制計(jì)算機(jī)、控制開(kāi)關(guān)、正常傳感器、備用傳感器等。

1.2 飛機(jī)防冰系統(tǒng)分級(jí)功能框圖

根據(jù)FMECA層次分解法對(duì)飛機(jī)防冰系統(tǒng)進(jìn)行功能硬件分層，分級(jí)功能按照部件完成的功能進(jìn)行劃分，得到飛機(jī)防冰系統(tǒng)分級(jí)功能框圖，如圖1所示。按從上至下的方式劃分為3層：初始約定層次、約定層次和最低約定層次。初始約定層次為飛機(jī)防冰系統(tǒng)；約定層次包括機(jī)翼防冰系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)防冰系統(tǒng)、大氣數(shù)據(jù)探頭防冰系統(tǒng)和駕駛艙風(fēng)擋防冰系統(tǒng)等4個(gè)分系統(tǒng)；最低約定層次為4個(gè)分系統(tǒng)的組成硬件。

圖1 飛機(jī)防冰系統(tǒng)分級(jí)功能框圖

2 FMECA分析法

2.1 FMECA分析步驟

FMECA分析步驟是針對(duì)系統(tǒng)所有可能的故障，對(duì)故障模式進(jìn)行分析，找出故障原因，確定每種故障模式對(duì)系統(tǒng)工作的影響，并按故障模式的嚴(yán)重度及其發(fā)生概率確定其危害性，從而設(shè)計(jì)改進(jìn)措施和補(bǔ)償方法，輸出故障模式影響(Failure Mode and Effects Analysis，F(xiàn)MEA)報(bào)告，進(jìn)行危害性分析(Criticality Analysis，CA)，最終得到FMECA報(bào)告。在飛機(jī)防冰系統(tǒng)維護(hù)階段，采用FMECA模型，對(duì)防冰系統(tǒng)及組成硬件進(jìn)行分析，確定系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的各種故障模式及相關(guān)因素，并對(duì)各故障模式進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

2.2 FMECA分析過(guò)程

在FMEA分析過(guò)程中，通過(guò)硬件法對(duì)系統(tǒng)所有可能發(fā)生的故障進(jìn)行“自下而上”的分析，確定故障模式、故障原因、故障影響、危害度等級(jí)、故障檢測(cè)方法、補(bǔ)償措施等[8-9]。

故障模式是故障的外在表現(xiàn)形式。在系統(tǒng)定義功能及故障判據(jù)范圍內(nèi)，對(duì)可能發(fā)生故障模式進(jìn)行分析。考慮功能故障和潛在故障，確定不同功能故障下的故障模式以及不同任務(wù)狀態(tài)、不同階段故障模式發(fā)生的可能組合。飛機(jī)防冰系統(tǒng)常見(jiàn)故障模式包括失效、卡死、老化、磨損、氧化、變形、斷裂等。故障原因分析是明確故障為什么發(fā)生，之后選擇最為適用的防范手段，減少故障發(fā)生可能性。實(shí)施過(guò)程中對(duì)自身因素和外部因素進(jìn)行綜合分析，考慮故障模式與故障原因，對(duì)多個(gè)故障原因在FMEA表中備注。飛機(jī)防冰系統(tǒng)常見(jiàn)故障原因包括：壓力過(guò)大、靈敏度降低、材料缺陷、使用不當(dāng)、電磁線圈故障等。故障影響及危害度分析是找出故障模式對(duì)產(chǎn)品導(dǎo)致的結(jié)果，并對(duì)其危害度進(jìn)行剖析。危害度類別可參考故障模式、影響及危害性分析指南，并結(jié)合飛機(jī)維修特點(diǎn)進(jìn)行定義。危害性類別可以分為Ⅰ級(jí)(災(zāi)難性)、Ⅱ級(jí)(嚴(yán)重性)、Ⅲ級(jí)(一般性)、Ⅳ級(jí)(輕度性)、Ⅴ級(jí)(不影響)5個(gè)級(jí)別。嚴(yán)重程度分別為:造成人員死亡或飛機(jī)損壞，造成人員重傷或系統(tǒng)損壞、經(jīng)濟(jì)損失大，造成人員輕傷或系統(tǒng)功能下降，導(dǎo)致計(jì)劃外維修，幾乎不影響。故障檢測(cè)是及時(shí)發(fā)現(xiàn)并確定故障。對(duì)檢測(cè)的方法、手段、工具等進(jìn)行可行性分析，特殊情況可考慮增加必要的檢測(cè)點(diǎn)和不可檢測(cè)的故障模式。飛機(jī)維修過(guò)程中主要檢測(cè)方法有功能檢測(cè)、通電檢測(cè)、目視檢查、無(wú)損檢測(cè)等。

補(bǔ)償措施是針對(duì)故障模式可能導(dǎo)致的結(jié)果，采取最為適用的措施以杜絕或弱化故障影響。飛機(jī)維修過(guò)程中應(yīng)綜合各方意見(jiàn)，提出有效補(bǔ)償措施，以保證產(chǎn)品的可靠性和安全，從而補(bǔ)充和完善飛機(jī)維修手冊(cè)。危害性分析法以故障模式影響分析為基礎(chǔ)進(jìn)行，對(duì)故障模式的危害類別及發(fā)生概率造成的影響進(jìn)行分類，找出影響系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵故障模式。危害性分析法包括風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)(RPN)法和危害性矩陣法[10]。

3 飛機(jī)防冰系統(tǒng)FMEA分析

為保證飛機(jī)防冰系統(tǒng)所有部件的故障模式不被遺漏，根據(jù)圖1分級(jí)框圖對(duì)飛機(jī)防冰系統(tǒng)進(jìn)行FMEA研究并輸出FMEA分析表。飛機(jī)防冰系統(tǒng)故障模式、故障原因、故障影響、檢測(cè)方法、補(bǔ)償措施分析通過(guò)B737NG系列飛機(jī)的維修手冊(cè)以及國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)獲得。

確定機(jī)翼防冰系統(tǒng)各組成硬件代碼為A1～A8，其故障模式主要包括葉片斷裂、失效、錯(cuò)誤指示、堵塞、管路破裂、斷開(kāi)、卡死、變形等。故障原因分別是壓力過(guò)大、感應(yīng)設(shè)備損壞、靈敏度降低、材料缺陷、制造缺陷、溫度傳感器受損、使用不當(dāng)、電磁線圈故障等。故障影響是導(dǎo)致防冰系統(tǒng)功能降低或喪失。常見(jiàn)的檢測(cè)方法包括功能檢查、目視檢查和孔探，補(bǔ)償措施包括維修或者更換，危害度參照上述的危害度類別分級(jí)，根據(jù)某航空公司歷史危害情況及數(shù)名民航機(jī)務(wù)維修工程師經(jīng)驗(yàn)給出。機(jī)翼防冰系統(tǒng)FMEA分析見(jiàn)表1。

表1 機(jī)翼防冰系統(tǒng)FMEA分析表

發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道防冰系統(tǒng)FMEA表見(jiàn)表2、大氣數(shù)據(jù)探頭防冰系統(tǒng)FMEA表見(jiàn)表3、駕駛艙風(fēng)擋加溫防冰系統(tǒng)的FMEA表見(jiàn)表4。

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道防冰系統(tǒng)FMEA分析表

表3 大氣數(shù)據(jù)探頭防冰系統(tǒng)FMEA分析表

表4 駕駛艙風(fēng)擋加溫防冰系統(tǒng)FMEA表

4 飛機(jī)防冰系統(tǒng)CA分析

以FMEA表為基礎(chǔ)，綜合采用風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)法和危害性矩陣方法對(duì)飛機(jī)防冰系統(tǒng)進(jìn)行危害性分析。

4.1 風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)法

風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)用于評(píng)價(jià)每個(gè)故障模式可能發(fā)生的危險(xiǎn)程度，它是用來(lái)定量確定危害性的一種方法。通過(guò)對(duì)故障發(fā)生概率等級(jí)、影響嚴(yán)重程度等級(jí)、檢測(cè)難易程度等級(jí)進(jìn)行估計(jì)，綜合分析其影響，RPN數(shù)值越大代表故障模式危害性越大，表達(dá)式為

RPN=ESR×OPR×DDR。

(1)

式中：ESR為影響嚴(yán)重程度等級(jí)，OPR為發(fā)生概率等級(jí)，DDR為檢測(cè)難易程度等級(jí)。其中ESR根據(jù)故障模式、影響及危害性分析指南和民航機(jī)務(wù)維修工程師維修經(jīng)驗(yàn)定義，危害度Ⅰ級(jí)取值為5，Ⅱ級(jí)取值為4，Ⅲ級(jí)取值為3，Ⅳ級(jí)取值為2，Ⅴ級(jí)取值為1。OPR的值通過(guò)故障模式、影響及危害性分析指南和飛機(jī)防冰系統(tǒng)故障數(shù)據(jù)情況進(jìn)行定義，將防冰系統(tǒng)各硬件故障發(fā)生可能性分為非常高、高、中、低、非常低等五類，其對(duì)應(yīng)的故障發(fā)生概率P分別為P>10-1、10-2

根據(jù)ESR、OPR和DDR的取值標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)用公式(1)，邀請(qǐng)民航維修業(yè)內(nèi)專家進(jìn)行評(píng)分，得到機(jī)翼防冰系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道系統(tǒng)、大氣數(shù)據(jù)探頭系統(tǒng)、駕駛艙風(fēng)擋加溫系統(tǒng)各硬件的RPN值，分別見(jiàn)表5～8。

表5 機(jī)翼防冰系統(tǒng)各硬件RPN取值表

表6 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道防冰系統(tǒng)RPN取值表

表7 大氣數(shù)據(jù)探頭防冰系統(tǒng)RPN取值表

表8 駕駛艙風(fēng)擋加溫防冰系統(tǒng)RPN取值表

通過(guò)表5可得，機(jī)翼防冰系統(tǒng)中結(jié)冰探測(cè)器(A3)RPN值最大，危害性最大，原因是結(jié)冰探測(cè)器裸露在機(jī)體外，工作環(huán)境較為惡劣，同時(shí)，探測(cè)材料容易損壞和老化，使其敏感度降低，需要對(duì)其定期進(jìn)行功能檢查并及時(shí)更換。通過(guò)表6可得，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道防冰系統(tǒng)的監(jiān)控傳感器(B3)RPN值最大，危害性最大，原因是傳感器術(shù)語(yǔ)靈敏元器件，應(yīng)力過(guò)大容易導(dǎo)致其輸出誤差增大，需要對(duì)其進(jìn)行功能檢查并及時(shí)更換。通過(guò)表7、表8可得，大氣數(shù)據(jù)探頭防冰系統(tǒng)和駕駛艙風(fēng)擋加溫系統(tǒng)中探頭加溫器(C3)和加溫元件(D1)RPN值最大，危害性最大，原因是這些加溫設(shè)備中電阻絲容易出現(xiàn)硬件損傷，導(dǎo)致不能正常加溫，需要對(duì)其進(jìn)行功能檢查并及時(shí)更換。

4.2 危害性矩陣分析法

危害性矩陣圖便于比較故障模式危害程度，指明風(fēng)險(xiǎn)大小次序，為提出措施建議、維護(hù)先后順序提供支持。按照事先所規(guī)定的故障發(fā)生概率等級(jí)對(duì)故障模式出現(xiàn)概率展開(kāi)分析繪制危害性矩陣。根據(jù)每個(gè)故障模式出現(xiàn)概率分為:A經(jīng)常發(fā)生、B有時(shí)發(fā)生、C偶爾發(fā)生、D很少發(fā)生、E極少發(fā)生5種類型，其故障模式發(fā)生概率占總故障的值N，分別為N>20%、10%

邀請(qǐng)民航機(jī)務(wù)維修行業(yè)內(nèi)專家，依據(jù)某航空公司實(shí)際維修數(shù)據(jù)，對(duì)故障模式發(fā)生概率等級(jí)進(jìn)行賦值，得到飛機(jī)防冰系統(tǒng)故障模式危害度類別及發(fā)生概率等級(jí)表，如表9所示。

表9 飛機(jī)防冰系統(tǒng)故障模式危害度類別及發(fā)生概率等級(jí)表

圖2 飛機(jī)防冰系統(tǒng)危害性矩陣圖

根據(jù)各故障模式的發(fā)生概率等級(jí)和危害度可以得到危害度矩陣圖，其中橫坐標(biāo)是危害度類別，縱坐標(biāo)是故障發(fā)生概率等級(jí)，將故障模式對(duì)應(yīng)填入坐標(biāo)系中，向?qū)蔷€作垂線，以交點(diǎn)到原點(diǎn)的距離作為度量故障模式危害性的依據(jù)，距離越長(zhǎng)，危害性越大。結(jié)合表9數(shù)據(jù)，繪制危害性矩陣圖，如圖2所示。圖中M1(A1，A7)、M2(A2，A4，A6，A8)、M3(A3，C2)、M4(A5，B5，C4)、M5(B1，B3，C3，D2)、M6(B2)、M7(B4，D5)、M8(B6，C1)、M9(D1)、M10(D3)、M11(D4)。根據(jù)圖2，對(duì)比M1，M2，M3，M4四個(gè)點(diǎn)，得知A3所在點(diǎn)M3的交點(diǎn)的連線最長(zhǎng)，因此在機(jī)翼防冰系統(tǒng)中結(jié)冰探測(cè)器危害度最大，與RPN方法所得結(jié)論一致。同理，監(jiān)控傳感器(B3)、探頭加溫器(C3)和加溫元件(D1)的危害度在各自防冰系統(tǒng)中也是最大。由此可見(jiàn)，風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)法和危害性矩陣法所得結(jié)論一致，兩種方法相互驗(yàn)證，結(jié)果更加科學(xué)準(zhǔn)確。

5 結(jié)論

本文采用FMECA分析法對(duì)飛機(jī)防冰系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了飛機(jī)防冰系統(tǒng)分級(jí)功能框圖，通過(guò)B737NG系列飛機(jī)的維修手冊(cè)以及國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)分析了飛機(jī)防冰系統(tǒng)故障模式、故障原因、故障影響、檢測(cè)方法、補(bǔ)償措施得到了各分系統(tǒng)組成硬件的FMEA表。運(yùn)用風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)法計(jì)算出飛機(jī)防冰系統(tǒng)各故障模式的RPN值，構(gòu)建了定性危害性矩陣，得到了結(jié)冰探測(cè)器、監(jiān)控傳感器、探頭加溫器和加溫元件等是影響飛機(jī)防冰系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵因素。