基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)的A320系列飛機(jī)剎車(chē)溫度指示系統(tǒng)故障分析

范佳樂(lè) 王京 黃勇 顧東敏

摘要：介紹了A320系列飛機(jī)剎車(chē)溫度指示系統(tǒng)的工作原理，基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)對(duì)A320系列飛機(jī)剎車(chē)溫度指示系統(tǒng)故障進(jìn)行了可靠性、故障原因分析，提出了排故流程建議，可在減少排故所需航材成本的同時(shí)為飛機(jī)相關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：數(shù)理統(tǒng)計(jì)；可靠性；故障排除；航材成本

Keywords：mathematical statistics；reliability；fault isolation；material cost

0 引言

公司近期A320系列飛機(jī)剎車(chē)溫度指示系統(tǒng)故障頻發(fā)，在總故障數(shù)的占比中從2017年的0.37%增長(zhǎng)至2020年的1.36%。為了分析這一現(xiàn)象，本文從A320系列飛機(jī)剎車(chē)溫度指示系統(tǒng)的工作原理、導(dǎo)致故障的基本事件、故障現(xiàn)象、可靠性、故障原因五個(gè)方面進(jìn)行深入分析，得出當(dāng)前A320系列飛機(jī)剎車(chē)溫度指示系統(tǒng)故障頻發(fā)的原因，最后依據(jù)歷史排故數(shù)據(jù)，給出關(guān)于排故流程的建議。

1 剎車(chē)溫度指示系統(tǒng)的組成和工作原理

A320飛機(jī)的剎車(chē)溫度指示系統(tǒng)隸屬起落架的機(jī)輪系統(tǒng)，對(duì)應(yīng)ATA章節(jié)號(hào)為32-47，組成部件為剎車(chē)溫度傳感器（BTS）和剎車(chē)溫度監(jiān)控組件（BTMU），下游部件為剎車(chē)/轉(zhuǎn)彎控制組件（BSCU）。

起落A320飛機(jī)的機(jī)輪系統(tǒng)由前起落架的兩個(gè)前輪和左右主起落架各兩個(gè)主輪組成，主輪從左到右依次為1號(hào)到4號(hào)，每個(gè)主輪上安裝有獨(dú)立的碳剎車(chē)組件，4個(gè)BTS分別安裝在對(duì)應(yīng)剎車(chē)上。

目前A320飛機(jī)的BTS采用的是熱電偶式溫度傳感器，熱端位于剎車(chē)轂內(nèi)感受剎車(chē)溫度，冷端與BTMU相連[1]，熱端與冷端分別產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)并連接于BTMU電插頭的兩個(gè)插釘上，兩端電動(dòng)勢(shì)之差形成與溫差成正比的弱電壓信號(hào)。

V/T=0.041mV/℃

左右兩個(gè)BTMU安裝在主起落架支柱上，分別接受對(duì)應(yīng)側(cè)兩個(gè)BTS的電壓信號(hào)，并在補(bǔ)償后將放大至1～9V的電壓信號(hào)輸出到BSCU，1～9V的電壓信號(hào)對(duì)應(yīng)于剎車(chē)溫度0～999℃。

BSCU將電壓信號(hào)處理為ARINC 429信號(hào)并傳輸?shù)较到y(tǒng)數(shù)據(jù)獲取計(jì)算機(jī)（SDAC）。最終由SDAC供向下游各個(gè)部件，如指示在SD wheel頁(yè)面上，如圖1所示。

故障指示：

1）當(dāng)某個(gè)剎車(chē)溫度監(jiān)控失效時(shí)，SD頁(yè)面上對(duì)應(yīng)的溫度將顯示為琥珀色“XX”。

2）當(dāng)某個(gè)剎車(chē)溫度超溫（>300℃）時(shí)，SD頁(yè)面上對(duì)應(yīng)的溫度將顯示為琥珀色數(shù)字，同時(shí)FWD頁(yè)面給出BRAKE HOT警告。

故障監(jiān)控：當(dāng)超溫信號(hào)或故障信號(hào)出現(xiàn)時(shí)，SDAC通過(guò)ACARS向維修指揮中心傳輸一個(gè)空地信號(hào)，完成飛機(jī)技術(shù)狀況的監(jiān)控，并協(xié)助制定排故方案。

2 故障分析

2.1 造成故障的基本事件

根據(jù)空客公司提供的A320飛機(jī)維護(hù)手冊(cè)（AMM），按以下條件進(jìn)行判斷。

1）BSCU將各個(gè)剎車(chē)的溫度與300℃進(jìn)行比較，若某個(gè)剎車(chē)溫度超過(guò)300℃，則向SDAC輸出一個(gè)超溫信號(hào)。

2）如果BTS與BTMU的冷端接線(xiàn)與熱端接線(xiàn)之一斷路或兩者都斷路，BTMU將輸出一個(gè)大于9V的電壓表示傳感器失效。

3）如果BTS與BTMU的冷端接線(xiàn)與熱端接線(xiàn)之間短路，剎車(chē)溫度指示較低。

4）如果BTS線(xiàn)路與飛機(jī)接地，剎車(chē)溫度指示較高。

5）90%的電子故障將導(dǎo)致BTMU輸出信號(hào)大于9V或小于1V。

2.2 常見(jiàn)故障類(lèi)型與處理

在空客公司提供的A320飛機(jī)故障隔離手冊(cè)（TSM）中，提及了該系統(tǒng)的五類(lèi)故障：

1）單個(gè)剎車(chē)溫度監(jiān)控不工作；2）單個(gè)剎車(chē)溫度指示不正確；3）同側(cè)剎車(chē)溫度指示不工作或不正確；

4）所有剎車(chē)溫度指示不工作或不正確；

5）1號(hào)和3號(hào)（或3號(hào)和4號(hào)）剎車(chē)溫度指示不工作。

對(duì)公司A320系列飛機(jī)出現(xiàn)過(guò)的剎車(chē)溫度指示故障進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（見(jiàn)圖2）發(fā)現(xiàn)，第一類(lèi)故障和第二類(lèi)故障在實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)頻率最高，分別占76.7%和15.3%；第三類(lèi)故障出現(xiàn)14起，占4.9%；第四類(lèi)故障出現(xiàn)9起，占3.1%；第五類(lèi)故障暫無(wú)。

剎車(chē)溫度指示的故障涉及公司90%以上的A320機(jī)隊(duì)，具有普遍性。實(shí)際排故過(guò)程中，對(duì)于第三類(lèi)和第四類(lèi)故障的隔離措施簡(jiǎn)單有效；對(duì)于第三類(lèi)故障，根據(jù)TSM手冊(cè)更換BTMU后故障多消除；對(duì)于第四類(lèi)故障，根據(jù)TSM手冊(cè)更換跳開(kāi)關(guān)1GW后故障也多消除。

在TSM手冊(cè)的實(shí)際執(zhí)行中存在以下困難：TSM中的故障確認(rèn)以落地后重置1GW跳開(kāi)關(guān)和BSCU的BITE測(cè)試為依據(jù)，在超過(guò)9成情況下，重置跳開(kāi)關(guān)并執(zhí)行測(cè)試后故障會(huì)消除，但在之后的飛機(jī)運(yùn)行中，56.3%的故障將在短時(shí)間（1～60天）內(nèi)復(fù)現(xiàn)，形成重復(fù)故障。對(duì)于此類(lèi)情況，TSM上并沒(méi)有給出相關(guān)排故建議。

2.3 剎車(chē)溫度指示的可靠性分析

通過(guò)“平均每架飛機(jī)單次相關(guān)記錄的發(fā)生間隔”和“剎車(chē)指示累計(jì)失效概率”兩種方式對(duì)剎車(chē)溫度指示的可靠性進(jìn)行分析，以期發(fā)現(xiàn)A320和A321機(jī)型剎車(chē)溫度指示系統(tǒng)的故障率規(guī)律。

第一種方式，對(duì)2013年來(lái)公司全A320系列機(jī)隊(duì)的相關(guān)維修記錄的條數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)合各機(jī)飛行天數(shù)和飛機(jī)數(shù)進(jìn)行計(jì)算得到：平均每架A320飛機(jī)493天產(chǎn)生一條剎車(chē)溫度指示故障記錄，平均每架A321飛機(jī)101天產(chǎn)生一條剎車(chē)溫度指示的故障記錄，如表1所示。

為了進(jìn)一步分析剎車(chē)指示系統(tǒng)的可靠性，采用第二種方式，分別選取10架飛行時(shí)間超過(guò)五年的A320飛機(jī)和A321飛機(jī)共計(jì)80個(gè)剎車(chē)溫度指示作為對(duì)照組，采樣目標(biāo)為單個(gè)剎車(chē)溫度指示的首次失效時(shí)間，采樣頻率為三個(gè)月。根據(jù)采樣結(jié)果，得到剎車(chē)指示累計(jì)失效概率即剎車(chē)指示的不可靠度，其時(shí)間分布如圖3所示。

由圖3可以發(fā)現(xiàn)，A321飛機(jī)的剎車(chē)指示在五年內(nèi)發(fā)生故障的概率為72.5%，遠(yuǎn)高于A320機(jī)型的20%。同時(shí)，兩者的圖像近似于均勻分布型概率分布的函數(shù)圖像，通過(guò)對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，分別得到A320和A321機(jī)型剎車(chē)指示累計(jì)失效概率（故障概率）F（t）關(guān)于時(shí)間t的函數(shù)，t的單位為月。

在擬合過(guò)程中，樣本最大標(biāo)準(zhǔn)化殘差的絕對(duì)值為1.69，符合國(guó)際民航領(lǐng)域95%置信度的要求[2]。

累計(jì)失效概率F（t）對(duì)時(shí)間t求導(dǎo)，得到在60個(gè)月的區(qū)間內(nèi)A320機(jī)型剎車(chē)溫度指示概率密度（每月故障率）f（t）=0.003841，A321機(jī)型剎車(chē)溫度指示的失效概率密度f(wàn)（t）=0.011397。假設(shè)該失效概率密度在更長(zhǎng)的時(shí)間區(qū)間內(nèi)有效，A320單個(gè)剎車(chē)溫度指示的平均無(wú)故障時(shí)間（平均壽命）約為130個(gè)月，而A321的該數(shù)據(jù)為44個(gè)月，僅為A320機(jī)型的1/3。

將第一種方式得到的維修記錄產(chǎn)生間隔與第二種方式得到的預(yù)期無(wú)故障時(shí)間相結(jié)合，可推算出A320機(jī)型平均每次失效將產(chǎn)生2條維修記錄，而A321機(jī)型因故障頻率高，實(shí)際排故中將產(chǎn)生較多的故障確認(rèn)步驟，每次失效將產(chǎn)生3.3條維修記錄（見(jiàn)表2）。該推算數(shù)據(jù)與實(shí)際生產(chǎn)中的情況基本吻合，證明了本節(jié)計(jì)算和假設(shè)的有效性。

2.4 A321剎車(chē)溫度指示異常原因分析

目前，公司A320系列飛機(jī)所使用的剎車(chē)系統(tǒng)部件來(lái)自法國(guó)賽峰公司，BTMU件號(hào)為35-1H5-1002，A320BTS件號(hào)為C20229001，A321BTS件號(hào)為C20464XXX系列。因此，提出第一種假設(shè)：件號(hào)為C20464XXX的剎車(chē)溫度傳感器本體存在可靠性問(wèn)題。

同時(shí)，考慮A320和A321飛機(jī)的自重與最大起飛重量都存在約20%的差異，A321飛機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中起落架區(qū)域面臨著更高的振動(dòng)，但兩者采用了同樣的BTS和BTMU的安裝與連接方式。提出第二種假設(shè)：A321機(jī)型高載重引起的高振動(dòng)對(duì)剎車(chē)溫度指示的可靠性產(chǎn)生了負(fù)面影響。

雖然缺少主要故障件BTS的具體維修報(bào)告作為數(shù)據(jù)來(lái)源，但由于BTMU件號(hào)相同，可以基于公司現(xiàn)有的2018～2020年的BTMU維修報(bào)告對(duì)第二種假設(shè)進(jìn)行有效性驗(yàn)證。對(duì)比裝機(jī)于A320機(jī)型和A321機(jī)型的BTMU，共計(jì)出現(xiàn)了19起B(yǎng)TMU故障，其中A320有7起故障， A321有12起故障。故障類(lèi)型分為連接頭損壞、電子組件故障、連接頭損壞且電子組件故障，具體如圖4所示。

三年間公司A320機(jī)隊(duì)數(shù)量穩(wěn)定且A320飛機(jī)數(shù)量約為A321飛機(jī)數(shù)量的1.5倍，從圖4可以看出，A321BTMU故障數(shù)約為A320BTMU故障數(shù)的2倍，可見(jiàn)，即使是相同件號(hào)的BTMU，安裝于A321飛機(jī)的故障率約為安裝于A320飛機(jī)的3倍。結(jié)合上一節(jié)的結(jié)論“A321機(jī)型的剎車(chē)溫度指示系統(tǒng)的故障率約為A320飛機(jī)的3倍”，可以得出第二種假設(shè)是造成兩者剎車(chē)溫度指示故障率差異巨大的主要原因，也是公司近年來(lái)A320系列機(jī)隊(duì)剎車(chē)溫度指示故障頻發(fā)的主要原因。

如果能夠依據(jù)上述方式進(jìn)一步將該結(jié)論在更大范圍的A320系列機(jī)隊(duì)上進(jìn)行驗(yàn)證，可嘗試對(duì)剎車(chē)溫度指示系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)減少振動(dòng)對(duì)相關(guān)組件的影響來(lái)減少此類(lèi)故障的發(fā)生。

3 故障維護(hù)建議

剎車(chē)溫度指示的核心部件BTS和BTMU的連接處位于剎車(chē)上，屬于高振動(dòng)區(qū)域，電接頭和接頭基座通過(guò)黑色橡膠套固定（見(jiàn)圖5）。從3.1節(jié)可知，高振動(dòng)情況下可能發(fā)生瞬時(shí)松動(dòng)或水汽浸入。瞬時(shí)松動(dòng)將導(dǎo)致接線(xiàn)斷路，造成剎車(chē)溫度指示失效；水汽浸入可能導(dǎo)致BTS冷端熱端間的接線(xiàn)短路而造成指示溫度低，也可能導(dǎo)致BTS接線(xiàn)與電插頭殼體間短路并形成接地而造成指示溫度高。

如果出現(xiàn)剎車(chē)溫度指示異常，雖然能夠通過(guò)直接更換BTS或BTMU進(jìn)行故障隔離，但也存在較大可能是以上原因造成的故障，如直接更換BTS將導(dǎo)致功能合格的部件被返廠(chǎng)維修，造成不必要的航材成本浪費(fèi)。

基于2013～2020年共計(jì)484條該故障維修記錄的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，針對(duì)不同故障現(xiàn)象，建議按照?qǐng)D6所示的排故流程進(jìn)行操作。

3.1 單個(gè)剎車(chē)溫度指示異常

1）首次出現(xiàn)瞬時(shí)故障且重置跳開(kāi)關(guān)1GW測(cè)試后故障消除。排故成功率43.7%。

2）如短期（建議兩個(gè)月）內(nèi)故障復(fù)現(xiàn)，優(yōu)先檢查黑色橡膠套是否完好在位，檢查并清潔電接頭。排故成功率70%。

3）若故障復(fù)現(xiàn)，更換BTS。排故成功率95%。

4）若故障復(fù)現(xiàn)，更換BTMU。排故成功率100%。

若在步驟3中的“故障復(fù)現(xiàn)”和“更換BTS”之間加入BTS的本機(jī)串件及持續(xù)監(jiān)控，可通過(guò)故障是否轉(zhuǎn)移直接判斷故障源是BTS還是BTMU，但考慮到更換BTS的高排故成功率，建議省略串件環(huán)節(jié)。

3.2 同側(cè)剎車(chē)溫度指示異常

1）首次出現(xiàn)瞬時(shí)故障且重置跳開(kāi)關(guān)1GW測(cè)試。

2）測(cè)試出現(xiàn)故障信息或短期內(nèi)故障復(fù)現(xiàn)，更換BTMU。

3.3 所有剎車(chē)溫度指示異常

1）首次出現(xiàn)瞬時(shí)故障且重置跳開(kāi)關(guān)1GW測(cè)試。

2）測(cè)試出現(xiàn)故障信息或短期內(nèi)故障復(fù)現(xiàn)，更換1GW。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于統(tǒng)計(jì)分析進(jìn)行維修方案的優(yōu)化是MSG-3維修理念下的一種趨勢(shì)導(dǎo)向，目前在全球范圍內(nèi)處于探索和實(shí)驗(yàn)的前沿[2]。本文以公司當(dāng)前頻發(fā)的剎車(chē)溫度指示故障為出發(fā)點(diǎn)，嘗試進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到“A321機(jī)型剎車(chē)溫度指示系統(tǒng)故障率為A320機(jī)型的3倍且高故障率的主要原因是A321機(jī)型高載重帶來(lái)的高振動(dòng)”這一結(jié)論。最后，基于歷史排故數(shù)據(jù)給出了常見(jiàn)剎車(chē)溫度指示故障的排故流程建議，相比“出現(xiàn)故障直接更換傳感器”的維修方案將能減少80%不必要的剎車(chē)溫度傳感器拆換，在降低航材成本方面具有顯著潛力。

參考文獻(xiàn)

[1]孔祥榮.A320系列飛機(jī)機(jī)輪溫度指示原理及故障梳理淺談[J].工程技術(shù)，2016（28）：307-308.

[2]鄭志霖.基于統(tǒng)計(jì)分析方法的飛機(jī)維修方案優(yōu)化[J].航空維修與工程，2020（11）：29-33.