故障樹推理在無人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)故障分析中的應(yīng)用

故障樹推理以故障作為頂事件，找到所有能夠引起該故障的原因，直到底事件完成為止。通過分析誘發(fā)頂事件全部的可能性，可有針對性地高效排除故障。根據(jù)無人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)組成和工作原理，采用故障樹推理，以發(fā)動(dòng)機(jī)故障為頂事件建立故障樹，分析誘發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)故障的所有可能性，對發(fā)動(dòng)機(jī)故障的原因進(jìn)行排查與定位，同時(shí)查出存在的薄弱環(huán)節(jié)，提出針對性的建議，有效規(guī)避了其它各種不可靠因素。

故障樹是一種體現(xiàn)故障的有向圖，以診斷對象最不希望發(fā)生的事件作為頂事件，按照對象的結(jié)構(gòu)和功能關(guān)系逐層展開，直到不可分事件（底事件）為止。它的優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)快速診斷,知識(shí)庫很容易動(dòng)態(tài)修改，并能保持一致性；概率推理可在一定程度上被用于迭擇規(guī)則的搜尋通道，提高診斷效率；診斷技術(shù)與領(lǐng)域無關(guān)，只要相應(yīng)的故障樹給定，就可以實(shí)現(xiàn)診斷。通過分析誘發(fā)頂事件全部的可能性，對故障的原因進(jìn)行排查與定位；同時(shí)查找出存在的薄弱環(huán)節(jié)，提出針對性的建議，力求徹底排除故障的直接原因，有效規(guī)避其它各種不可靠因素，因此故障樹推理方法在航空領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

故障樹推理在發(fā)動(dòng)機(jī)故障分析中的應(yīng)用

故障現(xiàn)象

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為89000rpm、尾溫為635℃、機(jī)上電壓為14.39V、油門信號(hào)75%，緊接的下一幀數(shù)據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速突然出現(xiàn)大幅下降：發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為45500rpm、尾溫變?yōu)?12℃、電池電壓為14.42V、油門信號(hào)75%。從根據(jù)電子控制單元(ECU)與飛控的通訊協(xié)議，電池電壓信號(hào)采用了8位A/D,其信號(hào)分辨精度為0.06V，因此采集到的電池電壓在0.06V范圍內(nèi)的變化，基本可以認(rèn)為是常數(shù)，即保持不變。表1為發(fā)動(dòng)機(jī)故障前后的遙測數(shù)據(jù)。

表1 故障前后遙測數(shù)據(jù)

發(fā)動(dòng)機(jī)組成

發(fā)動(dòng)機(jī)由電子控制單元ECU、油泵、油閥、氣閥、溫度傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、點(diǎn)火器、起動(dòng)電機(jī)、15V直流電源、油箱等組成，如圖1所示。

飛控通過ECU控制發(fā)動(dòng)機(jī)的工作，接收ECU發(fā)出的遙測信號(hào)，并將遙測信號(hào)傳輸給地面測控站。

故障樹

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)停車故障樹

導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)故障的因素主要有指令停車和燃燒室燃油供油中斷兩種方式，故障樹見圖2。

測試分析

通過信號(hào)發(fā)生器生成方波信號(hào)，模擬發(fā)動(dòng)機(jī)上轉(zhuǎn)速傳感器信號(hào)，通過電位差計(jì)模擬熱電偶傳感器；ECU與飛控器之間的信號(hào)傳輸除按照正式飛行試驗(yàn)的情況連接外，還通過轉(zhuǎn)接電纜增加了ECU與測試計(jì)算機(jī)的連接，測試計(jì)算機(jī)內(nèi)新編制了測試軟件，采集ECU發(fā)出的遙測信號(hào)，該信號(hào)采集傳輸速率為11幀數(shù)據(jù)/0.6s，比原飛控器傳輸給地面測試設(shè)備的信號(hào)1幀數(shù)據(jù)/0.6s快11倍，且數(shù)據(jù)中增加了驅(qū)動(dòng)油泵的指令信號(hào)簡稱泵電壓信號(hào)，該信號(hào)的數(shù)值可以直接反應(yīng)油泵的轉(zhuǎn)速，從而反應(yīng)了供給發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油流量數(shù)值。模擬測試主要是測量ECU和油泵的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，真實(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)速傳感器、尾溫傳感器、起動(dòng)電機(jī)、點(diǎn)火器不參加試驗(yàn)，測試模擬正式飛行試驗(yàn)時(shí)飛控器、地面測試設(shè)備、ECU的工作情況。測試時(shí)的連接關(guān)系見圖3。

由地面測試設(shè)備發(fā)出起動(dòng)指令，ECU通過飛控器接收到起動(dòng)指令后，ECU控制氣閥、油閥、燃油泵工作；手動(dòng)調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器輸出的方波信號(hào)、電位差計(jì)輸出的電壓信號(hào)，使ECU工作在開環(huán)工作狀態(tài)，模擬轉(zhuǎn)速信號(hào)發(fā)生跳高、跳低兩種異常情況下，分析ECU驅(qū)動(dòng)油泵指令信號(hào)的變化情況。表2為測試項(xiàng)目和內(nèi)容。

故障定位

（1）油閥異常關(guān)閉導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)停車

針對燃燒室供油中斷這一因素來進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)配置見圖4。油閥異常關(guān)閉試驗(yàn)是在發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火狀態(tài)下進(jìn)行的，試驗(yàn)前在油閥的輸入信號(hào)線上安裝手動(dòng)開關(guān)，通過切斷開關(guān)來實(shí)現(xiàn)油閥供電信號(hào)的通、斷，試驗(yàn)共進(jìn)行兩次：第一次是發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火起動(dòng)到大車然后轉(zhuǎn)入巡航狀態(tài)后切斷油閥供電；第二次是在發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火起動(dòng)到巡航狀態(tài)后切斷油閥供電。圖4為試驗(yàn)配置圖。

圖3 測試配置圖

表2 測試項(xiàng)目和內(nèi)容

試驗(yàn)中發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速由82000rpm變化到43000rpm，轉(zhuǎn)速的變化率為65000rpm/s，電池電壓14.96V不變。上述兩點(diǎn)與故障數(shù)據(jù)的特征現(xiàn)象吻合，同時(shí)尾溫由488℃降低到469℃，其變化情況也基本吻合。因此，不能排除油閥異常關(guān)閉導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)停車。

油閥的異常關(guān)閉原因如下：

1）ECU接收到飛控關(guān)閉油閥指令后，一般情況下發(fā)出關(guān)閉油閥的電信號(hào)，從遙測數(shù)據(jù)看沒有該信號(hào)，因此可以排除該因素；

2）ECU內(nèi)部驅(qū)動(dòng)油閥的電子元器件燒壞。油閥產(chǎn)品銘牌上的標(biāo)記是6V供電110mA，實(shí)際使用是15V供電300mA，在低溫下實(shí)際的供電電流可達(dá)到400mA，ECU驅(qū)動(dòng)油閥的電子元器件在該電流下能否正常工作及設(shè)計(jì)余量是多少，需要仔細(xì)分析，如果電子元器件失效，將直接導(dǎo)致無電流輸出引起油閥關(guān)閉；

3）油閥本身在給定的驅(qū)動(dòng)電流下，輸出的電磁力是否會(huì)由于環(huán)境因素變化而導(dǎo)致電磁力減小，這一點(diǎn)需要進(jìn)一步分析；

4）電纜故障、油閥與ECU之間的電連接器松動(dòng)引起電力無法直接加載到油閥上，從而引起油閥關(guān)閉，這一點(diǎn)無法直接排除。

5）油閥本身故障，需要對油閥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，分析其環(huán)境適應(yīng)性，特別是在力學(xué)環(huán)境中振動(dòng)、沖擊和溫度環(huán)境對其受力的影響，機(jī)械力是否存在突變情況。

綜合以上分析：油閥異常關(guān)閉會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)停車故障。油閥異常關(guān)閉的特征與故障特征十分接近，油閥的實(shí)際使用狀況與產(chǎn)品銘牌上的標(biāo)稱有較大的出入。

（2）油泵出口到燃燒室間的燃油管路斷路導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)停車

圖4 試驗(yàn)配置圖

油泵出口到燃燒室間的管路斷路，主要是油泵出口與油閥進(jìn)口之間的管路斷路、油閥出口與燃燒室之間的管路斷路。發(fā)動(dòng)機(jī)處于巡航狀態(tài)工作時(shí)，在油閥出口到發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室之間的管路上安裝兩個(gè)手動(dòng)開關(guān)閥，一路開關(guān)采用手動(dòng)方式切斷供給發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油，另一路開關(guān)采用手動(dòng)方式將油泵出口的燃油排入敞口容器中。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速由88500rpm變化到57000rpm，轉(zhuǎn)速的變化率為52500rpm/s，電池電壓保持14.23V不變，與故障數(shù)據(jù)的特征現(xiàn)象基本吻合；同時(shí)，尾溫的變化情況也基本吻合。因此，油泵出口到燃燒室間的管路斷路導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)空中停車的故障因素不能排除。

綜上所述，發(fā)動(dòng)機(jī)停車故障定位為：油閥異常關(guān)閉或油泵出口管路斷路，引起供給發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的燃油減少或中斷導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)不足以維持當(dāng)前轉(zhuǎn)速，造成發(fā)動(dòng)機(jī)熄火。

機(jī)理分析

從故障數(shù)據(jù)的特征點(diǎn)分析，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速首先發(fā)生突降，而ECU的供電電池電壓基本維持不變，即油泵輸出的燃油沒有發(fā)生大的變化。從油閥異常關(guān)閉或油泵出口管路發(fā)生斷路的時(shí)刻開始，發(fā)動(dòng)機(jī)由于供油減少或中斷導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降，尾溫下降，由于發(fā)動(dòng)機(jī)處于等供油量的開環(huán)工作狀態(tài)，因此，ECU不需要對油泵的狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，這樣電池電壓可基本保持不變。這兩點(diǎn)與故障數(shù)據(jù)的特征相似，在后續(xù)的幾個(gè)采樣點(diǎn)內(nèi)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的持續(xù)下降，ECU發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速過低，實(shí)施主動(dòng)停車策略，停轉(zhuǎn)油泵，這樣電池電壓由于輕載將會(huì)發(fā)生向上跳變，這一點(diǎn)在故障數(shù)據(jù)和排故過程中都得到了驗(yàn)證。油閥異常關(guān)閉或油泵出口管路發(fā)生斷路的因素可對故障做出合理解釋。

建議

建議后續(xù)開展下列工作：

（1）分析ECU部件的硬件電路，特別是其中的油閥驅(qū)動(dòng)電路部分；

（2）分析ECU部件內(nèi)部裝載的控制軟件，分析ECU的控制規(guī)律、控制算法、信號(hào)采集處理方式和軟件工作流程；必要時(shí)在軟件上是否可采取容錯(cuò)處理措施；如果具備條件，應(yīng)請第三方完成軟件評測；

（3）油閥本身的特性（供電方面、機(jī)械力方面）需要作進(jìn)一步驗(yàn)證分析，特別是其環(huán)境適應(yīng)性方面（振動(dòng)、沖擊、高低溫）需要進(jìn)一步驗(yàn)證與分析。如在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中必須使用電磁閥，則必需嚴(yán)格控制可能引起I、Ⅱ類故障發(fā)生的因素，必要時(shí)需采取冗余設(shè)計(jì)措施提高系統(tǒng)可靠性；

（4）ECU的電連接器選型應(yīng)優(yōu)先選用航空產(chǎn)品，電纜需嚴(yán)格按照制造驗(yàn)收技術(shù)要求，進(jìn)行屏蔽設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、加工、驗(yàn)收、測試、安裝。機(jī)上電纜與電子產(chǎn)品正確連接后，應(yīng)采取防松措施（如打鎖絲），防止電連接器出現(xiàn)接觸不良現(xiàn)象；

（5）地面遙測數(shù)據(jù)碼速率偏低，無法反映發(fā)動(dòng)機(jī)的真實(shí)工作情況，建議提高遙測數(shù)據(jù)碼速率，增加發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、油泵驅(qū)動(dòng)電壓等遙測參數(shù)，新增油泵進(jìn)出口油壓傳感器檢測點(diǎn)；

（6）該型發(fā)動(dòng)機(jī)巡航狀態(tài)的控制規(guī)律采用了等供油量開環(huán)控制，沒有采取轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，本身的抗干擾能力差，特別是在發(fā)動(dòng)機(jī)物理轉(zhuǎn)速發(fā)生變化情況或發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣條件發(fā)生變化時(shí)，實(shí)際供給發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油不做調(diào)整，會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的油氣比失當(dāng)，情況嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成富油或貧油熄火，建議全程采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。

結(jié)束語

通過采用故障樹推理，以發(fā)動(dòng)機(jī)停車為頂事件建立故障樹，分析誘發(fā)頂事件全部可能性，對故障的原因進(jìn)行排查與定位；同時(shí)查找出存在的薄弱環(huán)節(jié)，提出針對性的建議，有效規(guī)避其它各種不可靠因素。

（參考文獻(xiàn)：略。如有需要，請聯(lián)系編輯部。）