某型飛機氧氣系統(tǒng)動態(tài)故障樹分析

張大信 郭基聯(lián)

摘要：分析某型飛機氧氣系統(tǒng)工作原理，根據(jù)其工作特點和過程建立系統(tǒng)失效動態(tài)故障樹（DFT），使用馬爾可夫鏈轉(zhuǎn)移公式對故障樹進行定量計算，求出頂事件發(fā)生概率和底事件概率重要度，找出氧氣系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)，為機務維護工作提供幫助，也可指導工廠對氧氣系統(tǒng)進行升級改造。

關(guān)鍵詞：氧氣系統(tǒng)；動態(tài)故障樹；頂事件發(fā)生概率；底事件概率重要度

Keywords： oxygen system；dynamic fault tree；top-event occurrence rate；bottom-event probability significance

0 引言

某型飛機在飛行訓練過程中，出現(xiàn)正常氧分壓低故障，系統(tǒng)自動接通備用氧源，保證了飛行員正常生理需求。氧氣系統(tǒng)作為飛機座艙內(nèi)的一個子系統(tǒng)，是飛行員生命保障系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，也是飛機進行高空安全飛行的重要保障。本文通過故障樹法分析計算其故障發(fā)生概率，并查找氧氣系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)，為機務維護和工廠技術(shù)改進提供參考。

1 氧氣系統(tǒng)工作過程

某型飛機氧氣系統(tǒng)包括主、備份和應急氧氣三部分。

正常情況下，飛行員的用氧由主氧源提供。來自環(huán)控系統(tǒng)的增壓空氣首先經(jīng)過電動活門，電動活門是控制總引氣管路的開關(guān)，然后進入氧氣濃縮器，氧氣濃縮器利用分子篩變壓吸附特性，通過吸附和沖洗再生循環(huán)過程，不斷產(chǎn)生供飛行員呼吸的高品質(zhì)富氧氣體，飛機座艙高度在8km以下時，根據(jù)高度向飛行員供給符合生理需求的混合氧。

當主氧源喪失或者座艙高度超過8km時，通過“氧源轉(zhuǎn)換器”切換到備用氧源為飛行員供氧。備用氧源由兩個額定壓力為21MPa、容積為4L的鋼膽復合材料氧氣瓶組成，可以保證在氣密巡航高度飛行時供氧時間不低于60min。

當備用氧也喪失時，系統(tǒng)會警告飛行員操作“應急手柄”手動切換到應急氧供氧模式，然后立即下降到安全高度返航。應急氧源采用鋼膽復合材料氧氣瓶，容積為0.5L，額定壓力為21MPa，可提供8～13min應急供氧。它同時也在彈射救生過程中為飛行員供氧。

2 氧氣系統(tǒng)失效動態(tài)故障樹

從氧氣系統(tǒng)的工作過程可以看出，主、備份和應急氧源的工作呈現(xiàn)出順序性，而傳統(tǒng)的靜態(tài)故障樹（SFT）其底事件邏輯關(guān)系主要是通過“與門”和“或門”兩種靜態(tài)邏輯門來連接，不適用于氧氣系統(tǒng)的分析。

動態(tài)故障樹針對復雜系統(tǒng)工作時底事件的動態(tài)特性定義了可以描述系統(tǒng)發(fā)生順序、時間關(guān)系的動態(tài)邏輯門，如順序與門、冷備件門、溫備件門等，動態(tài)故障樹即是使用了動態(tài)邏輯門的故障樹。根據(jù)本文分析需求，下面僅介紹順序相關(guān)門（Sequence-Enforcing，SEQ）這一動態(tài)邏輯門，圖形符號如圖1所示。

順序相關(guān)門表示其多個輸入事件A1，A2，…，An必須是以邏輯門下面從左到右排列的順序發(fā)生，輸出事件才會發(fā)生，否則不發(fā)生。

以飛行員吸不到氧氣為頂事件，使用順序相關(guān)門為頂事件的邏輯門建立動態(tài)故障樹，如圖2所示。

3 氧氣系統(tǒng)動態(tài)故障樹定量分析

對動態(tài)故障樹的定量分析只需對故障樹的動態(tài)模塊使用復雜的馬爾可夫鏈轉(zhuǎn)移公式來計算，其余靜態(tài)模塊依然使用傳統(tǒng)的布爾公式。圖2的氧氣系統(tǒng)失效故障樹可以看作是以T為頂事件、G1、G2、G3為底事件的動態(tài)故障樹，其故障失效模式為G1G2G3。其中G1、G2和G3是靜態(tài)子模塊故障樹，T是邏輯門為SEQ的動態(tài)故障樹。

通過分析，氧氣系統(tǒng)故障樹可以轉(zhuǎn)化為一條鏈長為3的馬爾可夫轉(zhuǎn)移鏈，如圖3所示。

3.1 頂事件發(fā)生概率

假設氧氣系統(tǒng)底事件的失效率分別為：

計算得出頂事件發(fā)生概率為2.6058×10-4，意為氧氣系統(tǒng)正常工作1000h出現(xiàn)飛行員吸不到氧氣的概率約為0.00026。從計算結(jié)果可知，采用了備份氧源和應急氧源的某型飛機氧氣系統(tǒng)出現(xiàn)飛行員吸不到氧氣的故障率較低，符合使用需求。

3.2 底事件概率重要度

底事件概率重要度表示第i個底事件發(fā)生概率引起的變化導致頂事件發(fā)生概率的程度。通過對每個底事件概率重要度的對比，可以找出可為系統(tǒng)帶來最大改進的部件。本文用減支法來計算底事件概率重要度，減支法的思路為：令底事件的發(fā)生概率Ei=l和0，分別代入馬爾可夫鏈概率公式，求出整個系統(tǒng)的故障概率PT（Ei=l）和PT（Ei=0），兩數(shù)相減即為該底事件的概率重要度。

這種使用復雜的馬爾可夫鏈轉(zhuǎn)移公式求底事件概率重要度的方法其計算過程較復雜，為節(jié)省空間，本文使用Matlab軟件對公式進行編程，代入數(shù)據(jù)后計算底事件概率重要度，如表1所示。

對表1進行排序，可以準確得出概率重要度最大的前三個底事件是E3（氧源轉(zhuǎn)換器故障）、E4（應急手柄失效）和E5（應急儲氣瓶漏氣），這就是需要機務重點維護和檢查的部件。通過降低事件E3、E4和E5的故障概率即可在一定程度上降低頂事件的發(fā)生概率，從而減小系統(tǒng)的故障率。

尤其應重點提高概率重要度最大的E3故障的可靠性，此型飛機主氧源采用的是先進的分子篩變壓吸附技術(shù)，其可靠性不如傳統(tǒng)的用氧氣瓶儲存氧氣的方法。飛行過程中，如果正常氧分壓突然低于報警值時，系統(tǒng)將由氧源轉(zhuǎn)換器自動轉(zhuǎn)為備用氧。本文開頭提到的飛行中出現(xiàn)的氧氣系統(tǒng)故障問題正是這種情況?？梢?，氧源轉(zhuǎn)換器是整個氧氣系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，降低其故障率可以有效避免飛行員發(fā)生“無法呼吸”的危險狀況。

若將λE3的故障率由原來的5×10-5h-1提高到1×10-5h-1，代入公式計算，求得頂事件發(fā)生概率為5.264×10-5，頂事件發(fā)生概率縮小為原來的1/5，有效降低了整個系統(tǒng)的故障率。

3.3 動態(tài)故障樹定量分析的特點

1）可以分析靜態(tài)故障樹不能處理的一些問題。對于具有動態(tài)性、冗余性、相關(guān)性的復雜問題，動態(tài)邏輯門能更加清楚地表示故障發(fā)生的順序和原因，故障邏輯清晰準確。

4 總結(jié)

本文對某型飛機氧氣系統(tǒng)工作情況進行了分析，以飛行員吸不到氧氣為頂事件選用順序相關(guān)門為邏輯門畫出動態(tài)故障樹，對故障樹進行了定量分析；使用馬爾科夫轉(zhuǎn)移鏈概率計算公式，求解頂事件發(fā)生概率；選用減支法計算底事件概率重要度，準確找出系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)，有針對性地提出改進方案。動態(tài)故障樹可以準確分析復雜系統(tǒng)故障模式，其定量分析的計算結(jié)果精確，可作為機務維護保養(yǎng)和例行檢查的參考數(shù)據(jù)，也可為飛機研制、生產(chǎn)和大修的廠所提供第一手分析數(shù)據(jù)。

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作者簡介

張大信，碩士研究生，研究方向：航空裝備作戰(zhàn)運用與保障。