B737-300飛機自動增壓失效故障分析

孟慶新，張長勇，趙 飛

（1.中國郵政航空有限責任公司南京分公司機務工程部，南京 211113；2.中國民航大學航空自動化學院，天津 300300）

B737-300型飛機增壓控制分為模擬式和數(shù)字式。增壓系統(tǒng)故障原因涉及空調供氣、增壓區(qū)域滲漏、增壓系統(tǒng)部件和線路等方面，隨著飛機使用時間的推移和結構的老化，增壓系統(tǒng)故障呈上升趨勢。飛機增壓失效返航和備降給旅客出行帶來了諸多不便，而且顯著增加了運行成本并帶來了一定的安全風險。B737-300飛機座艙增壓共有4種方式：自動、備用、人工交流、人工直流。飛行中故障主要發(fā)生在自動方式中，且多數(shù)發(fā)生在飛機爬升和下降過程中。本文以自動增壓系統(tǒng)失效作為切入點，利用故障樹分析法重點分析了自動增壓系統(tǒng)失效的故障模式、故障源和排故措施。

1 增壓系統(tǒng)的工作原理

座艙增壓系統(tǒng)涉及的主要部件有增壓控制器、壓力控制面板、前外流活門、后外流活門、ΔP組件、正/負釋壓活門、座艙高度警告和壓力傳感器。壓力控制器通過控制從機身流出的空氣流量的方法來控制座艙壓力，圖1為自動增壓工作電路原理圖。自動增壓控制方式中輸入增壓控制器的信號主要來自增壓控制面板、座艙壓力傳感器、環(huán)境壓力傳感器、氣壓修正機構和空地感覺機構。在正常情況下有5種不同的增壓程序：地面不增壓、地面增壓、爬升、巡航等壓、下降，每個程序送出的信號都要通過壓力控制器內的速率限制器，以限制最大座艙高度上升率、最大座艙高度下降率，還通過最大壓差限制器限制最大座艙余壓。從速率限制器出來的信號就是要求的座艙壓力指令信號，它與實際的座艙壓力信號比較，其誤差信號送到功率放大器，然后操縱交流馬達驅動排氣活門工作，進而調節(jié)座艙與環(huán)境壓力的壓差、座艙高度以及爬升/下降率。

圖1 座艙自動增壓控制系統(tǒng)工作電路Fig.1 Operating circuit of cabin automatic pressurization control system

2 故障樹的建立

故障樹分析法將系統(tǒng)中最不希望發(fā)生的事件作為頂事件，將直接導致故障發(fā)生的因素作為中間事件，層層往下展開，直至遇到無需再深入的事件，將其作為底事件。通過分析這些底事件發(fā)生的概率來深入分析頂事件發(fā)生的概率和故障模式[2]。所以故障樹分析法的關鍵在于建立合理的故障樹。

2.1 頂事件

飛機在飛行過程中為確保飛機的安全和旅客的舒適性，一般優(yōu)先選用自動增壓模式，壓力控制器通過改變外流活門的大小自動對座艙壓力進行調節(jié)。飛行中增壓系統(tǒng)故障主要發(fā)生在自動方式中，且多數(shù)發(fā)生在飛機爬升和下降過程中，因此把飛機自動增壓系統(tǒng)失效故障作為故障樹的頂事件。

2.2 中間事件

參考B737-345-AMM21-31-00（壓力控制系統(tǒng)）[3]，座艙高度變化率超過1800 ft/min或座艙高度大于13875 ft（1 ft=0.3048 m）均可導致自動增壓失效?？紤]到機身增壓區(qū)域由空調組件供氣，增壓系統(tǒng)通過調節(jié)排到機外的空氣流量來控制座艙壓差及升降率的變化，因此空調組件的供氣流量和增壓區(qū)域密封情況也會影響到增壓系統(tǒng)的工作。把進氣量不足、漏氣量偏大和可控排氣量失控作為中間事件。

2.3 底事件

2.3.1 進氣量不足

B737飛機的客艙增壓空氣來自發(fā)動機的壓氣機，經(jīng)過引氣控制系統(tǒng)進行壓力和溫度預調節(jié)后到達引氣總管，再經(jīng)左右空調組件對引氣進行流量和溫度調節(jié)后通過分配管路到達座艙。由于B737-300飛機投入運營時間較長，較易出現(xiàn)APU引氣管隔板封嚴漏氣、空氣循環(huán)機ACM葉片與本體卡滯等問題，進而引起空調組件供氣量不足。另外一發(fā)引氣關斷或引氣壓力偏低、一個組件關斷或組件活門開度偏小也可導致進入座艙的空氣量不足，影響座艙的正常增壓。

2.3.2 漏氣量偏大

B737飛機的座艙屬于大氣通風式氣密座艙，正常情況下允許存在一定的漏氣量，但是漏氣量過大會導致座艙壓力偏低，座艙高度偏高。引起漏氣量過大的因素主要有機身氣密性差、艙門封嚴漏氣、洗手池排放口漏氣、安全釋壓活門故障等。此外由于前排氣活門由后排氣活門控制，當后排氣活門關閉至0.5°時前外流活門關閉，當后外流活門開至4.5°時前外流活門打開，如果后排氣活門上的開關限制電門失效，就會使前排氣活門處于常開位，導致漏氣量偏大。

由于RANSAC算法穩(wěn)定性較高，且能夠剔除錯誤樣本點，故將該算法應用到空間圓弧擬合的點云篩選及優(yōu)化中。

2.3.3 可控排氣量失控

增壓控制器接受來自增壓控制面板、座艙壓力感受點、環(huán)境壓力感受點、壓差組件、空地感覺機構的信號、這些信號在增壓控制器內進行比較、放大、邏輯處理后，輸出控制后外流活門交直流馬達的電壓信號，控制后外流活門的開度進而控制座艙壓差、升降速率。如果增壓控制器不能正確的對各種輸入信號與實際環(huán)境壓力進行比較處理，將輸出錯誤的電壓信號到交直流馬達，控制后外流活門作動到不正確的開度，從而造成座艙壓力與外界環(huán)境壓力差值過大或過小，故增壓控制器故障的可能性最大。增壓控制面板故障、座艙壓力傳感器故障、空地信號錯誤也會導致座艙壓力控制器不能正常輸出指令信號。當控制活門故障（交流電機及傳動機構故障、活門卡阻）時，即使壓力控制器輸出正確指令信號，控制活門也不能及時進行開度調節(jié)，導致座艙高度偏高或偏低。

2.4 故障樹

通過上述對座艙供氣量不足、漏氣量偏大、可控排氣量失控故障的分析，得出座艙自動增壓失效的故障樹如圖2所示，表1列出了故障樹中各符號的含義。

圖2 自動增壓失效故障樹Fig.2 Fault tree of automatic pressurization failure

表1 故障樹中符號含義Tab.1 Symbol meaning of fault tree

3 故障樹分析

故障樹定性分析的任務就是找出導致頂事件發(fā)生的所有可能的故障模式，即求出故障樹的最小割集。由于全部最小割集反映了系統(tǒng)的全部故障模式，全部最小割集的集合又稱為系統(tǒng)的故障譜[4]。通過分析獲得的最小割集即可得知影響系統(tǒng)可靠性的關鍵環(huán)節(jié)。求解故障樹最小割集的方法一般有下行法和上行法兩種，本文采用下行法求解該故障樹的最小割集

由上式可得，該故障樹有20個最小割集，它們分別為：{x1}、{x2}、{x3}、{x4}、{x5}、{x6}、{x7}、{x8}、{x9}、{x10}、{x11}、{x12}、{x13}、{x14}、{x15}、{x16}、{x17}、{x18}、{x19}、{x20}。根據(jù)表2的FHA故障狀態(tài)分類[5]，綜合考慮空調系統(tǒng)歷史故障數(shù)據(jù)、各個部件的可靠性，表3列出了最小割集發(fā)生概率。

表2 FHA故障狀態(tài)分類Tab.2 FHA fault status classification

表3 最小割集發(fā)生概率Tab.3 Occurrence probability of minimal cut sets

故障樹中，頂事件狀態(tài)Φ完全由底事件狀態(tài)X決定，即 Φ = Φ（X），其中 X=（x1，x2，…，xn）。稱 Φ（X）為故障樹的結構函數(shù)。故障樹的或門結構函數(shù)為

當xi僅取0或l兩值的時候（0表示正常狀態(tài)，1表示故障狀態(tài)），式（2）可改寫為

根據(jù)相容事件概率公式可得，頂事件發(fā)生的概率為

其中：ci、cj、ck分別為第 i、j、k 個最小割集。

當系統(tǒng)故障樹的最小割集之間沒有重復底事件存在，且最小割集互相獨立時，則有

根據(jù)表3，A類事件發(fā)生的概率為10-9；B類事件為 10-7；C 類事件為 10-5；D 類事件為 10-4；代入式（5），可以計算出頂事件的故障概率為2.90801×10-4，所以對于自動增壓失效的故障，主要取決于C類和D類事件發(fā)生的概率，因此在航線維護中，對于自動增壓失效故障的排故中應該重點監(jiān)控C類和D類事件中各個部件的運行情況。

4 結語

本文應用故障樹分析法，重點介紹了建立自動增壓失效故障樹的過程和依據(jù)，在此基礎上，對B737自動增壓失效故障進行了定性分析和定量分析。該方法已經(jīng)實際運用到我公司的航線排故工作中，對減少事故的發(fā)生、保障飛行安全、縮短排故時間、保障飛機正點率具有重要的現(xiàn)實意義。

[1]季厭庸，劉艷紅，盛樂山.飛機環(huán)境控制[M].北京：兵器工業(yè)出版社，2004（5）：120-132.

[2]孫 權.應用故障樹解決實際問題[J].質量工程卷，2005（5）：26-31.

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[4]SCHNEEWEISS，WINFRID G.Fault tree analysis in case of multiple faults，especially convered and uncovered ones[J].Microelectronics and Reliability.1998，38（4）：659-663.

[5]陸 中，孫有朝.民用飛機適航符合性驗證方法與程序研究[J].航空標準化與質量，2007（4）：6-8.