基于FMECA的飞机防冰系统可靠性研究
时间：2023-02-16 19:25:07 来源：千叶帆 本文已影响人
王 振，郝 伟，孙 宁
(1.滨州学院 飞行学院，山东 滨州 256603；
2.山东航空股份有限公司 飞行部，山东 济南 250014)
近年来，我国民航运输业得到快速发展,与此同时，飞机安全问题日益突出，飞行事故时有发生。常见的事故原因通常包括天气因素、人为因素和机械故障等。其中，天气因素是引起飞行事故的一个重要原因。飞机积冰作为引发飞行事故的重要天气因素，极易导致飞机的空气动力性能和发动机性能降低，高度表、空速表等指示错误，严重影响飞机的稳定性和操纵性。
为减少飞行事故发生，降低积冰对飞机安全性的影响,飞机通常配备防冰系统，预防积冰的产生。但是维修数据显示，防冰系统时常发生故障，其可靠性水平不高，因此，对其可靠性进行研究意义重大。在可靠性为中心的维修理论中，重点是对系统进行故障模式、影响及危害性分析(Failure Mode Effects and Criticality Analysis，FMECA)。FMECA方法首先确定系统中每个可能的故障模式，然后确定故障对该系统及上层系统所产生的影响，其次对每个故障模式按其影响的严重程度、故障发生概率及故障危害程度进行分类，最后找出影响及危害性最大的故障，予以重点关注，制定针对性的维修方法。
王越等[1]针对FMECA方法在复杂系统风险分析中存在主观性、局限性和单一性的缺点，提出一种基于数据挖掘的FMECA改进方法。Gong等[2]研究使用故障模式、影响和危害性分析作为设计ABC分类系统的基础，能够更准确地确定关键设备，并提高维护效率。高顺华等[3]建立了功能法和部件法相结合的分层FMECA分析模型，并应用于燃气轮机进气系统的维护。吴泽豫等[4]在传统FMECA方法的基础上，提出了基于模糊危害性矩阵的FMECA方法，改良了传统FMECA难以衡量分析人员主观不确定性的问题。文献[5-7]将FMECA方法应用到机械、电气系统中，并取得了良好的效果。
综上所述，FMECA方法经过几十年的发展趋于成熟，并得到了广泛的应用。因此，本文拟应用FMECA分析法对B737NG系列飞机的防冰系统进行可靠性分析，找出影响防冰系统可靠性的关键因素，改进维修方法，为提高飞机飞行安全提供重要参考。
1.1 飞机防冰系统组成
以B737NG系列飞机为例，飞机防冰系统可按区域划分为机翼前缘防冰、发动机进气道防冰、大气数据探头防冰、风挡加温防冰等。
机翼前缘防冰系统包括：控制电门、防冰关断活门、防冰过热电门、防冰管路、结冰探测器、空-地感应开关、环形喷射器、发动机压气机等。发动机进气道防冰系统包括：控制电门、防冰关断活门、监控传感器、结冰探测器、防冰管路、发动机压气机等。大气数据探头防冰系统包括：探头加温控制计算机、大气总温探头、探头加温器、指示灯等。驾驶舱风挡加温防冰系统包括：加温元件、控制计算机、控制开关、正常传感器、备用传感器等。
1.2 飞机防冰系统分级功能框图
根据FMECA层次分解法对飞机防冰系统进行功能硬件分层，分级功能按照部件完成的功能进行划分，得到飞机防冰系统分级功能框图，如图1所示。按从上至下的方式划分为3层：初始约定层次、约定层次和最低约定层次。初始约定层次为飞机防冰系统；
约定层次包括机翼防冰系统、发动机防冰系统、大气数据探头防冰系统和驾驶舱风挡防冰系统等4个分系统；
最低约定层次为4个分系统的组成硬件。
图1 飞机防冰系统分级功能框图
2.1 FMECA分析步骤
FMECA分析步骤是针对系统所有可能的故障，对故障模式进行分析，找出故障原因，确定每种故障模式对系统工作的影响，并按故障模式的严重度及其发生概率确定其危害性，从而设计改进措施和补偿方法，输出故障模式影响(Failure Mode and Effects Analysis，FMEA)报告，进行危害性分析(Criticality Analysis，CA)，最终得到FMECA报告。在飞机防冰系统维护阶段，采用FMECA模型，对防冰系统及组成硬件进行分析，确定系统运行过程中的各种故障模式及相关因素，并对各故障模式进行风险评估。
2.2 FMECA分析过程
在FMEA分析过程中，通过硬件法对系统所有可能发生的故障进行“自下而上”的分析，确定故障模式、故障原因、故障影响、危害度等级、故障检测方法、补偿措施等[8-9]。
故障模式是故障的外在表现形式。在系统定义功能及故障判据范围内，对可能发生故障模式进行分析。考虑功能故障和潜在故障，确定不同功能故障下的故障模式以及不同任务状态、不同阶段故障模式发生的可能组合。飞机防冰系统常见故障模式包括失效、卡死、老化、磨损、氧化、变形、断裂等。故障原因分析是明确故障为什么发生，之后选择最为适用的防范手段，减少故障发生可能性。实施过程中对自身因素和外部因素进行综合分析，考虑故障模式与故障原因，对多个故障原因在FMEA表中备注。飞机防冰系统常见故障原因包括：压力过大、灵敏度降低、材料缺陷、使用不当、电磁线圈故障等。故障影响及危害度分析是找出故障模式对产品导致的结果，并对其危害度进行剖析。危害度类别可参考故障模式、影响及危害性分析指南，并结合飞机维修特点进行定义。危害性类别可以分为Ⅰ级(灾难性)、Ⅱ级(严重性)、Ⅲ级(一般性)、Ⅳ级(轻度性)、Ⅴ级(不影响)5个级别。严重程度分别为:造成人员死亡或飞机损坏，造成人员重伤或系统损坏、经济损失大，造成人员轻伤或系统功能下降，导致计划外维修，几乎不影响。故障检测是及时发现并确定故障。对检测的方法、手段、工具等进行可行性分析，特殊情况可考虑增加必要的检测点和不可检测的故障模式。飞机维修过程中主要检测方法有功能检测、通电检测、目视检查、无损检测等。
补偿措施是针对故障模式可能导致的结果，采取最为适用的措施以杜绝或弱化故障影响。飞机维修过程中应综合各方意见，提出有效补偿措施，以保证产品的可靠性和安全，从而补充和完善飞机维修手册。危害性分析法以故障模式影响分析为基础进行，对故障模式的危害类别及发生概率造成的影响进行分类，找出影响系统可靠性的关键故障模式。危害性分析法包括风险优先数(RPN)法和危害性矩阵法[10]。
为保证飞机防冰系统所有部件的故障模式不被遗漏，根据图1分级框图对飞机防冰系统进行FMEA研究并输出FMEA分析表。飞机防冰系统故障模式、故障原因、故障影响、检测方法、补偿措施分析通过B737NG系列飞机的维修手册以及国内外相关标准获得。
确定机翼防冰系统各组成硬件代码为A1～A8，其故障模式主要包括叶片断裂、失效、错误指示、堵塞、管路破裂、断开、卡死、变形等。故障原因分别是压力过大、感应设备损坏、灵敏度降低、材料缺陷、制造缺陷、温度传感器受损、使用不当、电磁线圈故障等。故障影响是导致防冰系统功能降低或丧失。常见的检测方法包括功能检查、目视检查和孔探，补偿措施包括维修或者更换，危害度参照上述的危害度类别分级，根据某航空公司历史危害情况及数名民航机务维修工程师经验给出。机翼防冰系统FMEA分析见表1。
表1 机翼防冰系统FMEA分析表
发动机进气道防冰系统FMEA表见表2、大气数据探头防冰系统FMEA表见表3、驾驶舱风挡加温防冰系统的FMEA表见表4。
表2 发动机进气道防冰系统FMEA分析表
表3 大气数据探头防冰系统FMEA分析表
表4 驾驶舱风挡加温防冰系统FMEA表
以FMEA表为基础，综合采用风险优先数法和危害性矩阵方法对飞机防冰系统进行危害性分析。
4.1 风险优先数法
风险优先数用于评价每个故障模式可能发生的危险程度，它是用来定量确定危害性的一种方法。通过对故障发生概率等级、影响严重程度等级、检测难易程度等级进行估计，综合分析其影响，RPN数值越大代表故障模式危害性越大，表达式为
RPN=ESR×OPR×DDR。
(1)
式中：ESR为影响严重程度等级，OPR为发生概率等级，DDR为检测难易程度等级。其中ESR根据故障模式、影响及危害性分析指南和民航机务维修工程师维修经验定义，危害度Ⅰ级取值为5，Ⅱ级取值为4，Ⅲ级取值为3，Ⅳ级取值为2，Ⅴ级取值为1。OPR的值通过故障模式、影响及危害性分析指南和飞机防冰系统故障数据情况进行定义，将防冰系统各硬件故障发生可能性分为非常高、高、中、低、非常低等五类，其对应的故障发生概率P分别为P>10-1、10-2 根据ESR、OPR和DDR的取值标准，运用公式(1)，邀请民航维修业内专家进行评分，得到机翼防冰系统、发动机进气道系统、大气数据探头系统、驾驶舱风挡加温系统各硬件的RPN值，分别见表5～8。 表5 机翼防冰系统各硬件RPN取值表 表6 发动机进气道防冰系统RPN取值表 表7 大气数据探头防冰系统RPN取值表 表8 驾驶舱风挡加温防冰系统RPN取值表 通过表5可得，机翼防冰系统中结冰探测器(A3)RPN值最大，危害性最大，原因是结冰探测器裸露在机体外，工作环境较为恶劣，同时，探测材料容易损坏和老化，使其敏感度降低，需要对其定期进行功能检查并及时更换。通过表6可得，发动机进气道防冰系统的监控传感器(B3)RPN值最大，危害性最大，原因是传感器术语灵敏元器件，应力过大容易导致其输出误差增大，需要对其进行功能检查并及时更换。通过表7、表8可得，大气数据探头防冰系统和驾驶舱风挡加温系统中探头加温器(C3)和加温元件(D1)RPN值最大，危害性最大，原因是这些加温设备中电阻丝容易出现硬件损伤，导致不能正常加温，需要对其进行功能检查并及时更换。 危害性矩阵图便于比较故障模式危害程度，指明风险大小次序，为提出措施建议、维护先后顺序提供支持。按照事先所规定的故障发生概率等级对故障模式出现概率展开分析绘制危害性矩阵。根据每个故障模式出现概率分为:A经常发生、B有时发生、C偶尔发生、D很少发生、E极少发生5种类型，其故障模式发生概率占总故障的值N，分别为N>20%、10% 邀请民航机务维修行业内专家，依据某航空公司实际维修数据，对故障模式发生概率等级进行赋值，得到飞机防冰系统故障模式危害度类别及发生概率等级表，如表9所示。 表9 飞机防冰系统故障模式危害度类别及发生概率等级表 图2 飞机防冰系统危害性矩阵图 根据各故障模式的发生概率等级和危害度可以得到危害度矩阵图，其中横坐标是危害度类别，纵坐标是故障发生概率等级，将故障模式对应填入坐标系中，向对角线作垂线，以交点到原点的距离作为度量故障模式危害性的依据，距离越长，危害性越大。结合表9数据，绘制危害性矩阵图，如图2所示。图中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)。根据图2，对比M1，M2，M3，M4四个点，得知A3所在点M3的交点的连线最长，因此在机翼防冰系统中结冰探测器危害度最大，与RPN方法所得结论一致。同理，监控传感器(B3)、探头加温器(C3)和加温元件(D1)的危害度在各自防冰系统中也是最大。由此可见，风险优先数法和危害性矩阵法所得结论一致，两种方法相互验证，结果更加科学准确。 本文采用FMECA分析法对飞机防冰系统的可靠性进行了研究，设计了飞机防冰系统分级功能框图，通过B737NG系列飞机的维修手册以及国内外相关标准分析了飞机防冰系统故障模式、故障原因、故障影响、检测方法、补偿措施得到了各分系统组成硬件的FMEA表。运用风险优先数法计算出飞机防冰系统各故障模式的RPN值，构建了定性危害性矩阵，得到了结冰探测器、监控传感器、探头加温器和加温元件等是影响飞机防冰系统可靠性的关键因素。
4.2 危害性矩阵分析法
