關(guān)于FMEA飛機(jī)副翼感覺定中機(jī)構(gòu)故障分析

孟慶新 ，劉 岱 ，吳 瑤

（1.中國郵政航空有限責(zé)任公司機(jī)務(wù)工程部，江蘇 211113；2.中國民航大學(xué)a.航空自動(dòng)化學(xué)院；b.理學(xué)院，天津 300300）

隨著中國民航事業(yè)的不斷發(fā)展，航空運(yùn)輸保持了較為快速的增長。僅2010年全國運(yùn)輸機(jī)場完成起降架次為553.2萬，比上年增長14.3%。截至2010年底，中國共有定期航班航線1 880條，按重復(fù)距離計(jì)算，航線里程約為398.1萬公里，按不重復(fù)距離計(jì)算的航線里程約為276.5萬公里。以上數(shù)據(jù)說明，保障飛機(jī)安全性及故障排除工作日益成為突出的問題。而當(dāng)今中國使用的民用飛機(jī)構(gòu)造系統(tǒng)之復(fù)雜，部件同比之繁多，使維修工作負(fù)擔(dān)日益增加。從飛機(jī)諸多故障分析來看，其中飛機(jī)間接性出現(xiàn)的故障是導(dǎo)致維修工作量加大、維修時(shí)間增加的重要因素之一。據(jù)中國民航局發(fā)布的《2010年民航行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》中指出，全國四成航班延誤的原因是各航空公司本身運(yùn)行因素造成的，而機(jī)械故障占其中很大的比例。這些由于運(yùn)行原因造成的航班延誤，必然給業(yè)界帶來經(jīng)濟(jì)上和信譽(yù)上的損失。因此提高維護(hù)工作效率、保障飛機(jī)系統(tǒng)各個(gè)部件運(yùn)行正常，對航空公司甚至整個(gè)民航業(yè)來說，都是十分重要的。

本文以某航空公司的飛機(jī)排故工作實(shí)際為例，通過采用FMEA分析法，對波音737系列飛機(jī)副翼感覺定中機(jī)構(gòu)系統(tǒng)失效原因及有效預(yù)防方案進(jìn)行了深入的研究。

1 FMEA分析法

故障模式及影響分析法（failure mode and effects analysis，F(xiàn)MEA）其核心是通過分析運(yùn)行系統(tǒng)中的每個(gè)組成部件發(fā)生故障時(shí)對整個(gè)系統(tǒng)所產(chǎn)生的影響程度，通過量化，界定和劃分出各種故障的等級，并在此基礎(chǔ)上研究、查找出潛在故障的一系列思路和方法。這種方法實(shí)際上是進(jìn)行的一種概念上的邏輯分析，換言之，是從可靠性的角度對已完成的可操作設(shè)計(jì)思路進(jìn)行詳細(xì)評價(jià)、對潛在的諸多故障進(jìn)行分析，并按其影響程度確定等級，根據(jù)故障等級及特征，提出準(zhǔn)確、實(shí)用的預(yù)防措施和改進(jìn)設(shè)計(jì)方案的科學(xué)方法[1]。FMEA的工作內(nèi)容和重要參數(shù)為：項(xiàng)目（系統(tǒng)、設(shè)備、零部件等）、故障模式、故障影響、嚴(yán)重度、分類/分級、故障發(fā)生原因、發(fā)生率、現(xiàn)有控制措施、探測手段、不易探測度、危險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)（RPN）。

目前民航業(yè)界飛機(jī)維修方式及其相關(guān)設(shè)備管理格局呈多樣性，就飛機(jī)的維修方式而言，一般有置后維修、預(yù)防維修、狀態(tài)維修及以可靠性為依據(jù)的維修和改善維修。而利用“FMEA分析法”作為一種可靠性為依據(jù)的維修方法，通過了解飛機(jī)系統(tǒng)可能存在的缺陷及其影響、認(rèn)識其附帶引發(fā)的危機(jī)等，進(jìn)而準(zhǔn)確判斷故障及預(yù)防、排除措施。基于優(yōu)先考慮安全和經(jīng)濟(jì)性來確定的可行的、有效的預(yù)防維護(hù)工作思路，它是綜合了故障后果和故障模式的相關(guān)信息，進(jìn)行定性和定量分析而確定的維修模式。其目的是要達(dá)到以較小的維護(hù)資源消耗取得較好的維修效果。

2 FMEA的實(shí)際應(yīng)用

2011年初，某航空公司機(jī)組報(bào)告，飛機(jī)駕駛桿操縱不暢，經(jīng)維修人員檢查后判定為“故障監(jiān)控”項(xiàng)目，飛機(jī)放行。但飛機(jī)起飛后機(jī)組報(bào)告操縱桿壓盤困難并立即返航。地面維修人員了解故障信息后開始對操縱盤、操縱機(jī)構(gòu)、鋼索滾輪、鋼索、扇形盤以及副翼配平機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢查，但結(jié)果均為正常。后經(jīng)各專業(yè)人員反復(fù)排查，發(fā)現(xiàn)副翼定中機(jī)構(gòu)扭力桿旋轉(zhuǎn)不暢，故障認(rèn)定為扭力桿上方處的軸承。更換該處軸承及相關(guān)封圈、系統(tǒng)復(fù)原后，按相關(guān)手冊規(guī)定，測試正常、試飛測試亦正常。從整個(gè)故障伊始至故障排除航班恢復(fù)，延誤時(shí)間長達(dá)8 h。

FMEA是為了排除或減少妨礙系統(tǒng)（或產(chǎn)品）正常工作的故障而進(jìn)行的分析方法。根據(jù)FMEA的要求，科學(xué)的分析必須建立在對系統(tǒng)的任務(wù)和功能、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的全面和充分的理解之上。如果對系統(tǒng)、子系統(tǒng)具有的功能研究得不充分、不透徹，即便實(shí)施了該方法，也完全有可能因遺漏某些性能要求而發(fā)生故障，因而很可能達(dá)不到理想效果。

2.1 副翼控制原理

副翼控制手輪通過鋼索輸入到副翼感覺定中機(jī)構(gòu)上，再傳到副翼的動(dòng)力控制組件（PCU），最后由PCU移動(dòng)副翼鋼索以及副翼。副翼PCU同時(shí)將位移量輸入到擾流板混合器，通過混合器再控制飛行擾流板大翼鋼索，從而控制飛行擾流板作動(dòng)筒。而自動(dòng)駕駛作動(dòng)筒通過感覺定中組件，提供一個(gè)機(jī)械的輸入到動(dòng)力控制組件PCU，然后通過PCU移動(dòng)副翼機(jī)翼鋼索以及副翼PCU，同時(shí)也提供輸入到擾流板混合器。其中副翼配平電門提供一個(gè)輸入信號到副翼感覺定中組件并且改變副翼的中立位。副翼輸入軸可通過3種方式接受副翼輸入信號：①通過操作駕駛桿后鋼索的傳動(dòng)到副翼控制扇形盤；②自動(dòng)駕駛通過2個(gè)自動(dòng)駕駛作動(dòng)筒連接的輸入桿；③副翼配平電門通過副翼配平作動(dòng)筒。以上3種輸入信號傳入副翼輸入軸，使得副翼輸入軸轉(zhuǎn)動(dòng)，并帶動(dòng)軸上的輸入桿搖臂轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使控制副翼PCU的輸入桿發(fā)生移動(dòng)。而副翼感覺定中機(jī)構(gòu)連接副翼輸入軸的底部，當(dāng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)副翼感覺定中機(jī)構(gòu)中的2個(gè)彈簧會自然產(chǎn)生反饋感覺力。如圖1所示。

圖1 副翼控制原理圖Fig.1 Aileron control principle

2.2 故障現(xiàn)象的診斷

首先，通過對操縱駕駛盤在打壓和不打壓的情況下進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)壓盤力比正常情況稍大、定中效果略有卡滯現(xiàn)象，定中軸承滾輪對故障現(xiàn)象有一定影響。斷開相關(guān)連接部件后，檢查發(fā)現(xiàn)滾輪磨損較嚴(yán)重，滾動(dòng)過程中有卡滯現(xiàn)象，但隔離故障后，嘗試調(diào)節(jié)定中彈簧彈力后無明顯效果；其次，檢查傳動(dòng)部件，檢查鋼索狀態(tài)，鋼索狀態(tài)正常；再次，檢查與PCU相關(guān)的作動(dòng)器，經(jīng)過測試，故障依舊；最后，斷開副翼感覺定中機(jī)構(gòu)的所有關(guān)聯(lián)部件，做元件級別的排查工作：通過將正副駕駛盤到副翼控制扇形的副翼操縱鋼索進(jìn)行隔離—排查—對比后，判定故障為定中機(jī)構(gòu)輸入桿軸承是故障源。

2.3 故障分析

機(jī)務(wù)工程人員通常使用排除法來排除故障，循環(huán)的判斷—驗(yàn)證，直至找出故障。而針對比較復(fù)雜的系統(tǒng)，并且故障概率較低的情況來說，原有的排故方法就很難達(dá)到效果。特別是故障間歇性地出現(xiàn)，同時(shí)有些故障的位置又難以接近，這樣的故障因在日常維護(hù)過程中很難檢查到而不能及時(shí)地發(fā)現(xiàn)和徹底地排除。

若將FMEA分析法應(yīng)用到此類排故工作中可創(chuàng)造出一種嶄新的排故方法。現(xiàn)在就利用該方法對故障進(jìn)行一系列的分析：

1）根據(jù)上述原理以及對故障現(xiàn)象的分析可初步劃分副翼操縱系統(tǒng)、鋼索、PCU和定中機(jī)構(gòu)4個(gè)模塊，這些模塊均可能與故障的產(chǎn)生有關(guān)。

2）根據(jù)所列舉出的各部分及其子部件的邏輯關(guān)系制作可靠性框圖，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)可靠性框圖Fig.2 Block diagram of system reliability

3）為了分析定中機(jī)構(gòu)故障模式的影響，必須對其進(jìn)行約定層次的定義，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)約定層次圖Fig.3 System convention level

4）嚴(yán)重度定義

故障模式所產(chǎn)生影響的嚴(yán)重程度。嚴(yán)重度類別是給系統(tǒng)或部件故障造成的最壞影響規(guī)定一個(gè)量度。如果全面分析直到部件級的一切可能的故障模式及其原因，可以獲得完整的信息但耗費(fèi)大量的時(shí)間，因此通過嚴(yán)重度指數(shù)判斷哪些系統(tǒng)或部件需要作出進(jìn)一步分析應(yīng)該是一個(gè)便捷的方法[2]，如表1所示。

表1 嚴(yán)重度評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Severity of evaluation criteria

5）故障發(fā)生率

發(fā)生率是描述出現(xiàn)可能性的級別具有相對意義，而不是絕對的數(shù)值[3]，如表2所示。概率值由一個(gè)10分值標(biāo)準(zhǔn)來描述。通過維修方案設(shè)計(jì)變更或設(shè)計(jì)過程變更來預(yù)防或控制故障模式的原因/機(jī)理是可能使頻率數(shù)降低的唯一途徑。本文例舉的故障情況的發(fā)生率為2或3級。

表2 故障發(fā)生率的辨別標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Identify standard of failure rate

6）不易探測度

在采取現(xiàn)行的控制方法實(shí)施控制時(shí)，故障可被查出的難易程度。不易探測度一般使用統(tǒng)計(jì)法，通過相關(guān)技術(shù)人員的排故經(jīng)驗(yàn)綜合評定每一個(gè)故障的不易檢測度等級，為了盡量接近實(shí)際數(shù)據(jù)，一般綜合多個(gè)技術(shù)人員的評分，取平均值，如表3所示。

表3 不易探測度等級定義表Tab.3 Level definition of difficult to detect

由排故過程可知，副翼定中機(jī)構(gòu)軸承造成卡滯現(xiàn)象屬于等級3。

7）風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)（RPN）

RPN是每個(gè)故障模式可能發(fā)生的危險(xiǎn)程度，其值是用于對有可能出現(xiàn)的故障模式進(jìn)行排序。針對高的RPN值，需提出改進(jìn)建議并采取措施來降低RPN，這些措施要形成工作計(jì)劃并實(shí)施和驗(yàn)證[4]。RPN值等于嚴(yán)重度、發(fā)生率、不易探測度的值的乘積。通過RPN值可以給該類故障做出其危害影響的定義，并可根據(jù)該部件的可靠性制定相應(yīng)的檢查周期?？梢酝ㄟ^以下各點(diǎn)作為參考[2]：

a）風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)越大的故障模式越應(yīng)該受到重視。通過RPN給出的值排序，使得對故障模式的定性評估向定量評估轉(zhuǎn)變。采取的措施首先要針對危險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)高的故障模式，然后是次高的，依次實(shí)施。某一特定的故障模式的RPN在采取措施后得到了降低，降低后的RPN應(yīng)成為后續(xù)產(chǎn)品FMEA的參考數(shù)據(jù)。

b）在嚴(yán)重度高的故障模式中，屬于安全法規(guī)規(guī)定的項(xiàng)目全部是安全保證特性的內(nèi)容。糾正措施后，應(yīng)重新評價(jià)發(fā)生率、嚴(yán)重度和不易探測度數(shù)，并計(jì)算糾正后的RPN值且填入表中。這也是一個(gè)不斷改進(jìn)、減少缺陷的過程，如表4所示。

表4 飛機(jī)副翼感覺定中機(jī)構(gòu)故障模式及影響分析Tab.4 Research of aircraft aileron feel and centering unit on FMEA

3 結(jié)語

由于此類故障屬于故障率較低的復(fù)雜系統(tǒng)，故障又具有間歇性出現(xiàn)的特點(diǎn)，同時(shí)日常的維護(hù)檢查工作又難以觸及，致使此類故障排故工作時(shí)間較長，造成延誤航班時(shí)間。該故障現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)和排除，通過FMEA理論分析是最佳方法。該法適用于各種機(jī)型飛機(jī)故障的排除，有一定的推廣價(jià)值，各航空公司可利用此法，組織有針對性的專業(yè)培訓(xùn)，制定相應(yīng)的檢查方法以及合理的維修方案。此法的實(shí)施，可以有效地節(jié)約維修時(shí)間，提高維修效率，將給各航空公司帶來豐厚的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

[1] 王紹印.故障模式和影響分析（FMEA）[M].廣州：中山大學(xué)出版社，2003.

[2] 盧明銀，徐人平.系統(tǒng)可靠性[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[3]KATSUSHIGE ONODERA.FMEA的實(shí)際應(yīng)用及有效分析技術(shù)[C]//第三屆國際可靠性、維修性、安全性會議，廣州，1997：12-19.

[4] 胡 濤，俞 建，董 鵬.基于功能建模的復(fù)雜系統(tǒng)FMEA方法研究[C]//中國電子學(xué)會可靠性分會第十四屆學(xué)術(shù)年會，海口，2008：33-54.