基于功能共振的萊康明發(fā)動機點火系統(tǒng)故障分析

周長春 蘇月 肖荃益

（中國民用航空飛行學院，四川 廣漢 618307）

航空活塞發(fā)動機具有性能穩(wěn)定、油耗低、動力充足等特點，在通航領域得到廣泛運用。萊康明發(fā)動機因其獨特的構造特點在國際市場占有主導位置，并且在中國的市場需求也在穩(wěn)步增長，截止目前萊康明公司已生產(chǎn)超過1000 臺發(fā)動機，國內(nèi)飛行訓練使用的教練機如Cessna172R、TB20、西門諾爾都配備萊康明公司的發(fā)動機。

隨著對萊康明發(fā)動機的使用及維護不斷增多，發(fā)現(xiàn)其中點火系統(tǒng)的故障率占比最高。點火系統(tǒng)作為活塞發(fā)動機重要系統(tǒng)之一，較高的故障率不僅增加了飛行訓練的安全風險，也影響飛行學生的培養(yǎng)計劃，增加維護部門的維護成本。因此以下選用萊康明公司生產(chǎn)的IO-360-L2A 型發(fā)動機點火系統(tǒng)為研究對象，通過使用功能共振分析方法對點火系統(tǒng)進行分析研究，得出對點火系統(tǒng)正常工作影響較大的致因因子，提出有效的安全建議。

1 萊康明發(fā)動機點火系統(tǒng)基本組成及工作流程

點火系統(tǒng)的主要功能是為在適當?shù)臅r刻產(chǎn)生電火花，以點燃汽缸內(nèi)的油氣混合物，從而保證發(fā)動機的正常起動。萊康明發(fā)動機的點火系統(tǒng)為電磁機式點火系統(tǒng)，主要由磁電機、磁電機點火開關、高壓導線及電嘴等組成的。此型發(fā)動機一共有四個水平對置的汽缸，其各有兩個電嘴，并且裝配有兩個電磁機通過高壓導線分別控制，因此具有兩套獨立的點火系統(tǒng)。

在發(fā)動機起動系統(tǒng)功能完好的前提下，首先將磁電機開關至于“START”位，起動機接通電源，帶動發(fā)動機曲軸轉動。磁鐵轉子跟隨曲軸轉動形成與鐵芯變化的相對位置，產(chǎn)生數(shù)值與方向都變的基本磁通。初級線圈內(nèi)因其產(chǎn)生感應電動勢，大小與基本磁通變化率成正比，并接通低壓電路。而隨之產(chǎn)生的電磁場阻礙低壓電流的變化，因此低壓電流的最大值點在磁電機轉子中立位置后一定角度。在低壓電流最大時斷開斷電器，使軟磁芯中磁通變化率最大，產(chǎn)生最大的高壓電以提供電嘴所需的擊穿電壓。為防止斷電器觸點產(chǎn)生電火花，并聯(lián)電容吸收斷電時自感應電動勢產(chǎn)生的自感電流。分電器根據(jù)點火次序分配高電壓。選用沖擊聯(lián)軸器解決發(fā)動機剛啟動時因轉速太小而無法產(chǎn)生足夠高壓電動勢的問題。在發(fā)動機正常起動后，開關自動跳至“BOTH”位以斷開電源，兩個磁電機同時工作，并持續(xù)到正常工作過程。高壓導線傳輸高壓電至點火電嘴，電嘴兩級間形成高電位差電離兩級間氣體，產(chǎn)生電火花。最后，發(fā)動機停車后，磁電機開關轉至“OFF”位，切斷磁電機與螺旋槳的聯(lián)系，防止誤點火。點火系統(tǒng)工作流程圖如圖1 所示。

圖1 某型發(fā)動機點火系統(tǒng)工作流程圖

2 功能共振分析方法

功能共振分析方法（FRAM），最初也被稱之為功能共振事故模型，它是由Erik Hollnagel 于2004 年提出，F(xiàn)RAM 認為失敗是功能或任務的正常可變性的共振出現(xiàn)的結果，因此它以系統(tǒng)正常運行情況的描述為基礎，從而找出系統(tǒng)未達到預期情況下的致因。該方法適用于復雜系統(tǒng)的事故分析或風險評估。

功能共振方法有四個原理：成功和失敗來自同樣的源頭，事件發(fā)生后結果的好壞都是由同樣的原因引起；近似調整原則，當情況不明確或資源不足時，通過調整以完成工作；事件的發(fā)生不遵循因果關系原理，有可能是涌現(xiàn)的結果；系統(tǒng)功能間的耦合與關聯(lián)無法精準預測，需用特定的原理說明。

FRAM 具體步驟如下所示：

（1）準備工作：理解并確定系統(tǒng)日常情況下應當如何運行，轉換為系統(tǒng)為目標所必須的功能；同時確認此次FRAM 分析是用于事故調查還是風險評估。

（2）識別與描述功能：根據(jù)系統(tǒng)設計原理及結構構成等信息，對系統(tǒng)日常運行過程中所需功能進行識別；再以功能的六角形模型表示為模板，從以下6 個不同的方面對功能的特征進行語言描述：輸入：使功能啟動的事物，或功能將要處理轉化的事物；輸出：功能運行的結果；前提：功能發(fā)生必須存在的前提條件；資源：功能執(zhí)行中所需或消耗掉的事物；控制：用于監(jiān)督或控制該功能的限制，如計劃、步驟、指導指示等；時間：對功能正常運行起到影響的時間約束。識別和描述系統(tǒng)的所有功能后，使用FMV 軟件進行表征，形成一個正常運行狀態(tài)下的系統(tǒng)網(wǎng)絡圖，方便后期分析。

（3）功能變化的識別：為了能夠理解上下游功能耦合，需要密切關注功能的可變性，在FRAM 中，較之于功能本身會發(fā)生的變化，分析中更加側重于能夠引起功能的輸出變化的變化。主要有三種變化：內(nèi)在變化、外在變化、上下游功能耦合。判斷出變化的來源后，通過對時間和精度的描述對功能變化進行簡單篩選，對需要深入分析的單個功能，再進行復雜描述。

（4）確定功能共振：上下游功能耦合是指一個功能的可變性可以由上游功能的耦合而產(chǎn)生，在上一步中確定好單個功能的變化后，借助上下游功能耦合的概念，尋找引發(fā)不期望結果的因素，確定功能共振,分析影響功能共振因素以及失效連接關系。

（5）分析結果：通過前三步對系統(tǒng)建模的完成進行結果分析，針對發(fā)生共振的功能模塊，根據(jù)特定情況下的上下游功能耦合及功能間的失效連接關系，識別導致功能發(fā)生性能變化的原因，并制定相應的保護措施。目的是在不失去控制的情況下提高結果成功的可能性。除了普遍使用的消除、預防、保護和易化的方法外，F(xiàn)RAM 分析中提出了另外兩種手段，即監(jiān)控與抑制。

3 FRAM 在點火系統(tǒng)中的運用

3.1 識別和描述系統(tǒng)功能

此次使用FRAM 對點火系統(tǒng)進行建模分析的結果將用于點火系統(tǒng)的故障分析及風險評估。通過對點火系統(tǒng)的研究，將點火系統(tǒng)工作過程分為12 個步驟，由此識別出點火系統(tǒng)12 個功能：F1 接通起動系統(tǒng)、F2 加速轉子、F3 產(chǎn)生磁通、F4 產(chǎn)生低壓電、F5 接通低壓電路、F6 斷開低壓電路、F7 吸收電流、F8 產(chǎn)生高壓電、F9 分配高電壓、F10 傳輸高電壓、F11 點火、F12 進行正常工作。根據(jù)FRAM 的功能描述的六個方面進行具體描述，以F6 斷開低壓電路為例，其描述如表1 所示。

根據(jù)FRAM 建模的基本規(guī)則，每項功能的特征必須與至少一項其他功能的某個特征相對應，從而形成上下游關系。結合12 項功能的六角功能分析結果，建立點火系統(tǒng)功能網(wǎng)絡，如圖2 所示。

圖2 某型發(fā)動機點火系統(tǒng)功能網(wǎng)絡

3.2 功能變化的識別

利用各單元功能六角功能分析表中具體的描述內(nèi)容，結合以往關于點火系統(tǒng)的故障分析文獻及數(shù)據(jù)，從時間或精度對可能造成每個單元功能輸出發(fā)生變化的原因進行評估。文獻[4]對Slick 磁電機中斷電器觸點電腐蝕及化學磨損的故障進行了理論分析，并且系統(tǒng)闡述了斷電器及周圍部件工作原理。文獻[5]選用與本文相同的研究對象，對其常見故障的現(xiàn)象進行描述并提出建議措施及維護要求。文獻[6]在同型點火系統(tǒng)故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計的基礎上，對最常見的電嘴故障及磁電機故障進行了理論分析并提出預防措施。文獻[7]中對同型發(fā)動機出現(xiàn)抖動現(xiàn)象進行致因分析，以求以后的維護工作中能快速有效的排除故障。本文結合以往文獻中提出的故障致因與2020 年某通航單位同型發(fā)動機點火系統(tǒng)故障數(shù)據(jù)，判斷各功能變化的可能性，如表2 所示。

表2 點火系統(tǒng)中功能輸出的變化

3.3 確定功能共振

根據(jù)圖2 所示的某型發(fā)動機點火系統(tǒng)功能網(wǎng)絡，確定與變化的功能有相互影響的單元功能，分析其影響力的大小，從而找出系統(tǒng)可能的故障致因，即失效連接中產(chǎn)生影響的因素就可能是系統(tǒng)發(fā)生故障的因素。因此點火系統(tǒng)功能共振單元能、失效連接及影響因素如表3 所示。

表3 某型發(fā)動機點火系統(tǒng)失效連接與功能共振影響因素

3.4 分析結果及安全建議

經(jīng)過本文的分析，某型發(fā)動機的點火系統(tǒng)維護及維修工作需要注意以下方面：第一，對于故障次數(shù)較高的部件做好航材管理，主要以維修維護代替更換，節(jié)約維修成本；第二，對磁電機的功能完整性需要定期檢查，完善維護及定檢工單，仔細檢查可能發(fā)生故障的部件；第三，提高測溫等數(shù)據(jù)檢測系統(tǒng)的可靠性，以及時發(fā)現(xiàn)未達到預期的情況；第四，要求飛機操作人員正確學習并使用貧富油調節(jié)技術，給予發(fā)動機一個良好的工作環(huán)境。

4 結論

本文將功能共振分析方法運用到萊康明IO-360-L2A 型發(fā)動機點火系統(tǒng)的故障分析中，根據(jù)點火系統(tǒng)的工作流程識別出其系統(tǒng)功能，繪制功能網(wǎng)絡圖，從系統(tǒng)的角度分析了在工作過程中故障率較高的斷開低壓電路、吸收電流、點火等單元功能輸出發(fā)生變化可能造成的影響，從而分析出可能導致系統(tǒng)故障的原因，并提出針對技術、人員及組織各方面有效的安全建議，以求減少事故或故障的發(fā)生。