故障树分析法在飞机排故中的应用

李冬

(中国飞行试验研究院，陕西 西安 710089)

1 概述

民航飞机是一个复杂的大系统，其可靠性影响着每一趟航班的安全，因此对系统可靠性的分析尤为重要。故障树分析法是以故障树作为模型，对大型复杂系统的可靠性、安全性进行分析和风险评估的一种重要方法。故障树分析通过对不希望事件的原因逐层分析，确定导致不希望事件的各种故障组合、故障影响的程度以及不希望事件发生的可能性，从而为评价和改进设计提供依据。本文首先介绍了故障树建模技术，然后应用该技术对某型民机气源系统的故障进行了分析。

2 故障树分析法

故障树的概念：在系统设计过程中对可能造成失效的各种因素(包括硬件、软件、环境、人为因素)进行分析，画出逻辑框图(失效树)，从而确定失效原因的各种可能性组合方式或其发生概率，以计算失效概率，采取相应的纠正措施，以提高系统可靠性的一种设计分析方法。

故障树分析把系统最不希望发生的故障状态作为逻辑分析的目标，在故障树中称为顶事件，继而找出导致这一故障状态发生的所有可能直接原因，在故障树中称为中间事件。再跟踪找出导致这些中间故障事件发生的所有可能直接原因。直追寻到引起中间事件发生的全部部件状态，在故障树中称为底事件。用相应的代表符号及逻辑们把顶事件、中间事件、底事件连接成树形逻辑图，责成此树形逻辑图为故障树。

3 故障树的建立步骤

3.1 收集、分析有关技术资料

建树者在进行故障树分析之前，必须对所分析的系统进行深入了解，并广泛收集系统设计意图、使用说明书、原理图、流程图、结构图、技术规范、维修规程及有关数据和资料信息。

在故障树建成之后，要尽可能征求有关人员包括使用和维修人员的意见，找出故障树中的错误、矛盾和遗漏之处。

3.2 选择顶事件

顶事件是指系统不希望发生的显著影响系统技术性能、经济性、可靠性和安全性故障事件，仔细选择事件对成功地进行分析是十分重要的，要求建树者必须慎重、仔细、并广泛地掌握设计和使用知识，在进行故障分析所花费的费用与相应的不希望发生事件所造成的的损失之间进行权衡的基础上，根据下述原则来选择顶事件：

a.选择顶事件的发生对系统有着决定性的影响；

b.顶事件必须有明确的意义；

c.顶事件能分解成若干个独立事件提供分析；

d.若要计算顶事件的发生概率，则该事件必须有度量的条件，便于定量分析。对同一系统选择不同的顶事件，则故障树也不同。

3.3 分析顶事件并分解

寻找引起顶事件发生的各种原因。将顶事件作为输出事件，将所有直接原因作为输入事件，并根据这些事件实际的逻辑关系用适当的逻辑门相联系。分析每一个与顶事件直接相联系的输入事件。如果该事件还能进一步分解，则将其作为下一级的输出事件。重复上述步骤，逐级向下分解，直到所有的输入事件不能再分解或不必要再分解为止，即建成了一棵倒置的故障树。

4 故障树分析方法的应用

本实例选择某型民机在两个月内频繁发生的气源系统故障，并使用故障树分析法进行分析。

4.1 故障现象

2019 年6 月22 日该架飞机飞行过程中，EICAS 报出青色“R BLEED DEGRADED”，此时简图页显示右侧引气压力32psi。飞机高度下降后报出琥珀色“R BLEED FAULT”告警，此时简图页显示的右侧引气压力为8psi。

2019 年9 月16 日，该架飞机在空中飞行时，EICAS 报左发引气降级，无法由低压引气切换至高压。飞行员执行减速操作时，EICAS 信息出现琥珀色L BLEED FAULT 告警。机务人员航后通电检查发现OMS 故障信息里报HPV L FAILED IN CLOSE。

2019 年10 月21 日飞行中EICAS 再次出现L BLEED DRGRADED，左发引气降级，无法由低压引气切换至高压。随后因左侧BPS 引气压力低，触发琥珀色L BLEED FAULT告警。机务人员航后通电检查发现OMS 故障信息里报HPV L FAILED IN CLOSE、HPV L SOLENOID DRVING FAILED 和BLEED L LOW PRESSURE。

4.2 收集、分析有关技术资料

根据相关技术资料，该架飞机的气源系统由IPCKV、HPV、PRSOV、PCE、CPIHR、FAV、BTS、BPS、BMPS、APUCKV、CBV、HPGC、IASC(气源模块)、高压导管系统及其附件(包括感压管、FIS、FISFJ、WT、FS 等)组成。气源系统方案原理图见图1。

图1 气源系统的方案原理图

由图1 可以看出，该架飞机气源系统选择从发动机、APU 或高压地面气源引气，为座舱空调、增压、机翼防冰、发动机起动、燃油箱惰化及水箱增压提供气源，满足下游用气系统的压力、温度和流量需求。

气源系统采用发动机供气时，系统根据引气压力通过HPV 的开启和关闭来自动选择从发动机压气机中压级或高压级引气。为减小燃油代偿损失，气源系统尽可能从发动机中压级引气来满足用气系统的需求。当发动机中压口的引气压力不足时，HPV 打开，系统由高压级引气，此时IPCKV 被压到关闭位来防止气体倒流至中压级压气机。

HPV 为气动式蝶阀，电信号控制其开和关。HPV 具备压力调节和关断功能，位于发动机压气机高压端出口处，上下游感压端口连出的感压管分别连通活门的上游和下游。当激活高压活门螺线管(即有电流流过在高压活门螺线管上)并且活门上游有足够的引气压力时，活门开启，并将引气压力限制到设定值。激活信号由IASC 发出。HPV 采用故障关断模式，在断电的情况下活门自动关闭。HPV 包括手动调节开关，可供维修人员开启或关闭活门。HPV 在气源系统进行中高压引气级切换时自动地开启或关闭。

4.3 故障原因初步分析

通过对6 月22 日、8 月26 日、9 月16 日和10 月21 日的数据进行分析，发现4 次故障的试验数据基本一致。均为HPV 失效在关位引起的引气降级和失效。

4.4 使用故障树进一步分析故障原因

经过初步分析，现已将故障定位至高压活门HPV 失效在关位。为了进一步分析HPV 频繁失效在关位，造成引气故障的原因，我们绘制了该问题的故障树，见图2。

图2 HPV 失效在关位故障树

4.4.1 对底事件A“机组未按标准程序操作”的分析

根据报故当日地面监控人员反馈，出现BLEED FAULT告警前，机组未进行任何异常操作。另外，试飞数据也同样表明机组在报故前未进行任何异常操作。

因此，排除底事件A“机组未按标准程序操作”。

4.4.2 对底事件B“HPV 活门阀瓣卡阻”的分析

通过对故障HPV 进行目视检查，活门外表完整，无损坏情况。阀瓣和阀体内壁无锈蚀等异物，且阀瓣与阀体内壁无刮擦痕迹，说明HPV 失效在关位不是由活门阀瓣卡阻引起。因此，排除底事件B“HPV 活门阀瓣卡阻”。

4.4.3 HPV 螺线管短路

根据故障树分析法，HPV 失效在关位的原因只剩下螺线管短路一种情况，机务人员对9 月9 日、9 月16 日和10月21 日故障HPV 螺线管的电阻进行了测量，电阻值分别为20.2Ω、15.8Ω、9.3Ω，远低于正常值80Ω。根据HPV 工作原理，由于HPV 螺线管故障，致使HPV 失效在关闭位，触发左侧引气降级。同时，由于HPV 故障，导致系统无法进行正常的中高压级切换，从而造成系统引气压力低于告警值，最终引发引气失效告警。

故障定位后，于9 月12 日和10 月14 日，两次更换HPV活门，在第一次更换活门后首次飞行过程中和第二次更换活门后第三架次飞行过程中，均再次出现因HPV 失效在关闭位导致的引气降级和失效问题。为探究HPV 螺线管短路原因，我们继续使用故障树分析法将该事件进行分解。

4.4.3.1 对底事件C“发动机核心舱环境温度过高”的分析。2019 年10 月12 日对故障HPV 活门贴温度试纸，发动机开车低压引气，活门表面温度均未超过160℃。

2019 年10 月16 日该架飞机在地面进行OATP 试验过程中对新HPV 活门贴温度试纸，发动机开车高压引气，活门表面温度未超过163℃。

同时故障HPV 退返给供应商后，供应商对HPV 进行了检测，检测结果表明：

a.HPV 活门螺线管表面无烧灼后的颜色；

b.HPV 活门的其他部件如调节器上的隔膜对高温更加敏感，如果核心舱内出现高温，这些温度敏感部件也会损坏，但对HPV 的检查表明调节器隔膜和环形密封圈均没有显示出超温迹象，而且除线圈以外其他部件均可正常工作。

因此，结合HPV 活门表面温度测试和供应商分析，排除底事件C“发动机核心舱环境温度过高”。

4.4.3.2 对底事件D“引气导管泄露”的分析。2019 年10 月16 日在引气管路连接处包裹锡箔纸，发动机开车高压引气，试车后检查锡箔纸未被吹破，因此判断引气导管未发生泄漏。

因此，排除底事件D“引气导管泄露”。

4.4.3.3 对底事件E“振动过大”的分析。HPV 频繁故障后，与发动机供应商讨论了该型号飞机各架机之间发动机的区别，发动机供应商确认发动机差别不大，并且确认振动环境量值相差不明显。同时HPV 供应商认为线圈上没有痕迹说明是振动导致的损坏，因为一方面凝胶填充物没有破裂，另一方面线圈表面的搪瓷没有磨损迹象。因此，排除底事件E“振动过大”。

4.4.3.4 对底事件F“电流过大”的分析。2019 年10 月25日，在该架飞机上补充了机上试验以确认左侧控制器IASC是否正常，试验将左侧控制器IASC1 更换到右侧，测量了对HPV 的供电电压，示波器显示IASC1 对右侧HPV 的供电电压信号与右侧控制器IASC2 对右侧HPV 的供电电压信号一致，均出现反向电压信号，表明左侧控制器IASC1 无异常。另外，对IASC1 与HPV 之间的线缆电阻的测试也表明IASC1与HPV 之间的连接没有问题。

通过对IASC 的试验及线缆电阻检查，表明汇流条向控制器的供电无问题、控制器向HPV 的供电无问题、控制器与HPV 之间的连线无问题，因此可以排除底事件F“电流过大”。

4.4.3.5 对底事件G“螺线管材料”的分析。为检测HPV活门螺线管的质量问题，供应商对线圈做了微观检测。如图3 所示，供应商在直径处沿轴向切开了线圈，并在截面上取了8 个微观检测点，可以发现存在大量搪瓷被剥落后的碎片，且导线周围的凝胶填充物存在塑化的痕迹，一些导线本身也存在变形现象。可能的原因是电流经过螺线管使线圈的温度升高，然后膨胀产生气体剥离导线表面的搪瓷，导致线圈短路，同时导线表面的较高温度使凝胶发生塑化。

图3 线圈切开后截面的微观检测点

图4 导线周围的微观检测

因此，底事件G“螺线管材料”是HPV 失效在关位的一个可能原因。

4.4.3.6 对底事件H“制造工艺”的分析。供应商对2018年前生产的活门线圈的生产工艺做了相关评审，评审结果表明2018 年前生产的线圈存在缺陷。可能的原因是工人在给导线上瓷漆的时候没有做好清洁工作，导致搪瓷与导线的粘附力不够，使得搪瓷容易被剥落。

因此，底事件H“制造工艺”也是HPV 失效在关位的一个可能原因。

5 分析结论

根据上述的分析，对图2 所示故障树中各底事件的排除情况如表1 所示。

表1 故障树中各底事件排查情况

目前已排除了底事件A、B、C、D、E、F 将该架飞机引气失效问题定位于事件G 和H，即旧批次HPV 活门螺线管的材料不合格和制造工艺问题导致了HPV 失效在关位。在更换新批次的HPV 后，该故障再未复现过。

6 结论

由本文可以看出故障树分析法在飞机排故中可以作为一个十分有效的辅助工具，它可以将故障现象与故障原因之间的逻辑关系以故障树的方式全面、简洁、清晰、形象地描述出来。以本文为例，通过对顶事件HPV 失效在关位的逐级分解，得出的一个个底事件就是可能导致故障现象的根本原因，再对底事件逐个分析并排除，最终将故障定位至旧批次HPV 活门螺线管的材料不合格和制造工艺问题，成功地排除了此故障，排故过程思路清晰，逻辑性强。故障树分析法在飞机排故以及可靠性分析中有着广阔的应用前景。