A320飞机引气系统故障仿真模拟系统的建立与应用

朱贵森

摘要：A320飞机引气系统故障频发且故障类型多、排故难度大，对航线的维修排故、航班的准点率及航空公司的运营品质等方面都有影响。该系统中较常出现故障件因找不到具体故障原因而以NFF返回的情况。为了尽可能找到该类型故障件的真实故障原因，本文从实际应用出发，基于航班飞行后的QAR译码数据支持，以真实的飞机部件在地面上建立故障仿真模拟系统。通过在该系统中输入对应航班的译码数据参数，仿真模拟该次航班引气系统的运行状况，以实现故障模拟、故障重现、故障测试和故障排除等。该模拟系统在疑难故障的重现、重要事件的判断及不安全事件的调查等方面有着显著的优点。

关键词：引气系统；地面仿真；故障模拟

Keywords：bleed system；ground simulation；fault simulation

0 引言

A320飞机引气系统故障频发，排故拆下的部分故障件在返厂测试后因找不到具体故障原因经常以NFF返回，其中部分带有争议的NFF件成为航空公司和维修厂家不易解决的难题。为了解决类似问题，本文提出建立和应用A320飞机引气系统的故障仿真模拟系统。该系统采用真实的飞机部件在地面建立模拟系统模拟飞机引气系统的运行状况。使用真实飞机部件进行的仿真模拟有别于科研院所机构中使用数学建模进行的虚拟仿真模拟。目前国内在A320飞机引气系统领域中尚不具备这样系统全面的故障仿真模拟系统。

从短期看，建立该模拟系统可以尽快解决A320飞机引气系统中部分故障件返厂测试后找不到具体故障原因的问题，从而更好地保障飞行安全，从长远看如果成立专门机构，可弥补目前国内缺乏A320飞机引气系统领域深入研究机构的不足。该机构能在引气系统中疑难故障的重现、重要事件的判断以及不安全事件的调查等方面提供更好的判断方案或解决方案，还可成为A320飞机引气系统领域中的第三方鉴定机构，缓解目前该系统部分疑难部件只能送国外OEM检测鉴定的制约。

在应用前景方面，A320飞机引气系统的故障仿真模拟系统基于飞行大数据QAR译码数据参数进行模拟，飞行大数据的支持与获取将更加助力该系统的推进和发展。目前民航飞行大数据中的QAR译码数据已被各航空公司或部门广泛应用于多个方面并发挥着重要作用，如飞行过程仿真重现、飞行品质监控与改善、飞行技术评价、飞机维修维护、安全品质评估、油耗评测与节能技术的改进、事故因素调查以及主动安全管理等，民航飞行大数据的发展也将促进该模拟系统在疑难故障重现、重要事件判断以及不安全事件调查等方面发挥显著的作用。基于持续满足航空公司的客户化需求以及上述背景及应用前景，设计并建立了该模拟系统。

1 故障模拟系统的设计和建立

1.1 故障模拟系统的设计

A320飞机引气系统属于气动系统，系统中的工作介质主要为空气，因此系统部件经常受空气污染影响而使性能下降，同时部件处于引气系统的高温高压环境中，常出现多种故障现象造成不同程度的影响，甚至造成航班备降或返航。经过多年的理论和实际研究，根据A320飞机引气系统的功能布局以及系统中各部件的相互关系，设计并建立了A320飞机引气系统的故障仿真模拟系统。该模拟系统的布局示意图如图1所示。

该模拟系统在飞机环控实验室中采取自左向右的展开布局，左边为气源系统区域、气源控制区域和回收系统区域，右边为引气系统各部件的安装区域及控制系统区域。

A320飞机引气系统是按飞机各系统的需要，采用与飞机及动力装置实时状态相适应的方式，从发动机不同的压气机级引入空气，并进行相应的压力调节和温度调节，最后将适当压力和温度的空气提供给飞机的各用气系统[1]。当发动机在慢车状态且功率较低时，系统从高压级（HP级）经高压引气活门（HPV）进行引气；当在巡航及以上状态时，系统从中压级（IP级）经单向活门（IPCV）和压力调节活门（PRV）进行引气。引入发动机风扇端（FAN端）的冷空气则是为了冷却上述来自发动机高压级和中压级的热引气。

因此，按上述压力分类，系统中的供气压力设计为三级：IP代表中压（实际所需压力约1.5MPa），HP代表高压（实际所需压力约2.0MPa），FAN代表低压（冷却空气压力，实际所需压力约0.6MPa）。

系统温度设计为：系统中的红黄蓝颜色分别代表不同的温度，红色代表高温区域（实际温度约400℃）、黄色代表引气系统控制温度区域（实际温度约 200℃）、蓝色代表低温区域（实际温度约10℃～20℃）。

系统管线设计为：粗线代表引气系统主供气管路（分别为DN100和DN150），中粗線代表控制压力管路（约为DN6），细实线代表实物边框，虚线代表电缆线或信号线。

系统中有三路连接至回收系统的管路。两路红色旁通管路的作用是：当系统运行时，可防止IP级或HP级管路上的部件关闭后系统持续处于高温、高压状态，还可稳定系统管路压力。黄色管路为经过预冷器冷热交换后的热空气管路。

A320飞机引气系统中的主要部件均按实际位置及连接关系布局在本系统中，并以部件名称缩写表示。包括：引气监控计算机（BMC）、高压引气活门（HPV）、单向活门（IPCV）、压力调节活门（PRV）、超压活门（OPV）、风扇活门（FAV）、预冷器（PCE）、温度控制器（TCT）、温度限制器（TLT）、温度控制传感器（CTS）、压力传感器（PTP）和（PRP）等。上述部件又可分为调节部分、控制部分、冷却部分，其中调节部分包括HPV、PRV、 OPV、TLT，控制部分包括BMC、TLT、CST、PTP、PRP、4029KS（HPV控制电磁阀S），冷却部分包括PCE、FAV、TCT。引气系统的工作围绕HPV和PRV展开，BMC以最终用气系统所要求的压力和温度为控制目标，通过温度及压力传感器等部件的信息反馈，以HPV和PRV为控制对象对系统工作进行控制，因而发出的故障或警告信息大多针对HPV和PRV[1]。其中，故障率很高的HPV和PRV处于系统的高温、高压区域，标记为红色，其余部件根据所在的温度及压力区域分别标记为黄色和蓝色。

1.2 故障模拟系统的建立

图2所示为模拟系统的程控软件示意图。系统左边包含气源系统、气源控制系统及回收系统。气源系统可模拟飞机发动机的供气，共分为三路供气：第一路可模拟来自发动机的中压级（IP级）供气，第二路可模拟来自发动机的高压级（HP级）供气。由于这两路供气可相互切换，且需覆盖上述的实际所需范围，因此所设计的系统供压范围均为0～3.0MPa连续可调，温度范围为室温～600℃连续可调，流量范围为50～14000kg/h连续可调。第三路模拟来自发动机风扇端（FAN端）供气，供压范围为0～0.8MPa连续可调，温度为10℃～ 20℃，流量范围为50～ 8000kg/h连续可调。回收系统包含热能回收系统和循环系统。

气源控制系统中包含多种控制和监测装置，如关断阀、减压阀、比例调节阀、安全阀、分离器、电加热装置、压力监测装置、温度监测装置、流量监测装置等，均采用符合国标的精密级产品，且检定合格。

由于以上三路供气系统的压力、温度、流量均为连续可调，在该模拟系统中按对应航班的QAR译码数据进行相应的参数设定，可实时模拟引气系统在不同工况条件下的压力、温度、流量等变化情况。从而模拟或重现飞机上的故障现象，尽可能地找到故障件的真实故障原因。

系统右边为引气系统各部件的安装区域及控制系统区域。系统的右上区域为引气系统中部件的实际安装与连接位置。称该系统为仿真模拟系统是因为系统中所安装的部件均为飞机上的真实部件，除需查找故障原因的故障件外均为合格的飞机备用部件，且各种管路的设计与关联布局、部件的操控方式、数据的采集形式等均与原飞机系统一致。在进行故障模拟测试时，可根据实际需求将一个或多个故障件甚至多个疑似故障件按系统设计图中的位置进行安装和连接，必要时还可根据实际情况在系统末端加入空调系统的FCV进行流量控制。

系统的右下区域為该系统中的核心区域——引气监控计算机（BMC）、操作及监控平台和程控软件。该系统由计算机通过程控软件来监控和控制各个气路及端口的压力、温度、流量等参数，再由传感器将数据通过A/D数据转换模块传递给计算机。系统还可进行扩展，根据需求增加电流、电压、角度、位移、振动、频率等参数的监控、采集和存储。系统中使用的各型传感器、变送器等均为符合国标的精密级产品，且检定合格。

2 故障模拟系统的应用——故障重现案例

以某航班一起“PRV非指令性自动关闭”故障重现案例对该模拟系统进行应用介绍。

该航班排故时的故障为PRV起飞阶段非指令性自动关闭。航后进行了连续的排故和更换，先更换了HPV，但故障现象依然存在，又更换了PRV和FCV，故障得到排除，共拆除了三个故障件。查看该航班的译码数据，从庞大的数据中筛选出需要的数据参数。

由译码数据可看出，左右发PRV都出现FULLY CLS（完全关闭）的故障信息，但此时系统中左右发PRV的下游都有压力，通往空调系统FCV的下游也都有流量，因此可判断该处的PRV并不是真正完全关闭，而是“假性关闭”。分别对三个故障件进行单独的故障测试，PRV的调压异常但并未出现PRV非指令性自动关闭，FCV的扭矩马达工作异常，HPV未发现异常，故障测试结果与排故时的故障原因并不一致。但将三个故障件全部安装在该模拟系统中测试，却得到了与排故原因中一致的结果，具体过程如下。

将三个故障件全部安装到图1的故障模拟系统中，输入译码数据中出现故障时对应的数据参数，系统按照参数进行故障模拟测试。当参数运行到FCV流量值降低且降低到大约与PRV出现FULLY CLS关闭信息时相对应的参数时，PRV指示到关闭位，与上述译码数据中查看到的情况一致，也与前面“假性关闭”情况一致。原因在于PRV的调压异常使PRV已关得很小（或已处于临界状态），加上FCV工作异常且限流，使得系统管道压力变化并通过PRV的下游感压管反馈给PRV，导致PRV进一步关小（并打破临界状态），造成PRV微动开关的关闭位被触发，从而指示到关闭位。

PRV指示关闭的故障现象与译码数据中显示的FULLY CLS关闭故障信息一致，实际工况条件也与译码数据中的参数基本相符，重现了故障现象。因此，该故障的真正原因是由引气系统的PRV故障和空调系统的FCV故障共同引起，与HPV无关。

3 结束语

在排故过程中，某故障现象可能由某一故障件引起，也可能由系统中的多个故障件共同引起，后者的排故较麻烦，难以找到真正的故障原因。本文提出的故障仿真模拟系统在多故障件排故、跨系统排故、疑难故障重现和不安全事件的调查等方面具有显著优势。该模拟系统除可进行故障模拟测试外，还能对引气系统中的气动部件进行单独性能测试。

参考文献

[1]张翅. A320飞机引气系统的特点及故障分析[J]. 航空工程与维修，1999（5）：18-20.