基于FTA的機載航空時鐘故障定位與診斷

何貴芳 余辰

摘 要：為提高機載成品的故障定位準確性，提升維修效率，開展了基于FTA手段的機載航空時鐘故障定位與診斷方法研究。通過建立機載航空時鐘的FTA分解模型，確定了最小可更換單元的失效模型，以此為基礎設計了故障定位診斷流程，并將經驗數(shù)據(jù)引入其中，升級完善了診斷流程。通過實際測試驗證，設計的故障樹分析方法條理清晰，路程規(guī)范，能夠指導維修人員準確發(fā)現(xiàn)故障原因，完成故障排查。

關鍵詞：FTA;機載;航空時鐘;故障定位;診斷

引言

航空時鐘作為飛機飛行的時間顯示設備，為飛行員提供著準確的實時時間和飛行時間，是飛行于空中的作戰(zhàn)單元與地面指揮所進行時間同步的關鍵設備。伴隨航空電子技術的發(fā)展，航空時鐘已經重機械指針式升級為電子時鐘，具有直觀的數(shù)字顯示能力，并增強了時間顯示與記錄功能。隨著航空時鐘數(shù)字化的變化，其工作原理、設備組成、可靠性模型和故障定位方法都與舊型號存在極大的不同，為飛機狀態(tài)保障提出了挑戰(zhàn)?？焖俟收隙ㄎ?，并完成故障診斷，是保證飛機狀態(tài)完好的必備手段。FTA（Fault Tree Analysis，故障樹分析）是一種從底層到頂層的層次分析方法，通過建立故障結果與表征對應到故障原因的映射，形成系統(tǒng)的、無遺漏的故障分析與定位，既可以實現(xiàn)科學的檢測維修，還可以提升維修效率，并且積累經驗，幫助后續(xù)類似故障的診斷與排除[1]。將FTA思維應用于機載航空時鐘的故障定位診斷中，建立航空時鐘故障樹模型，建立故障現(xiàn)象及潛在表征與故障原因的對應關系，實現(xiàn)了機載航空時鐘的故障流程式診斷，降低了維修的技術門檻，同時提升了維修效率，對保障飛機良好狀態(tài)具有堅實的底層支撐作用，并且為飛機其他成品狀態(tài)保障模式提供了探索。

1基于FTA的數(shù)顯航空時鐘故障定位診斷技術設計

1.1航空時鐘FTA分解模型設計

故障樹分析是建立在對設備的分解基礎上，在元器件層級評估可能的故障概率，即失效率，形成元件故障與故障外在表征相對應的映射關系[2]。因此，首先設計航空時鐘的元器件失效模型。建立設備失效分解的模型。

λ設備總失效率;α為補償系數(shù);Ni第i種元器件在設備中的數(shù)量;λG器件通用失效率;πQ器件通用質量系數(shù);n設備中器件的種類總數(shù)。

在總失效率的約束條件下，根據(jù)航空時鐘的元器件分類，建立分解到元器件層級的失效率模型：

λb為基本失效率;πE為環(huán)境系數(shù)，根據(jù)設備工作場景的不同取值不同;πQ為質量系數(shù);πr為額定電流系數(shù);πA為應用系數(shù); 為電壓應力系數(shù);πc為結構系數(shù)。分析元器件失效模型，元器件的失效是受多方面因素影響的，因此航空時鐘的故障原因不僅在器件的可靠性，還在于使用條件、應用環(huán)境，因此在設計航空時鐘的故障樹時，需要建立影響要素與設備故障間的因果關系。

在設備單個器件的失效預計中，采用“浴盆”曲線作為評判依據(jù)，在正常使用壽命內，按照單參數(shù)分布核算，即使用條件確定時，失效率為常數(shù)[3]。針對航空時鐘所含元器件的失效模型建立故障樹，根據(jù)《GJB/Z 299C-2006電子設備可靠性預計手冊》，參考元器件應力分析數(shù)值，修正后可以得到器件的失效率，進而通過計算得到平均無故障時間。在設計航空時鐘的故障樹分解模型時，既要考慮元器件層級的故障原因，還要考慮飛機服役時長以及設備的翻修周期，兩者都存在導致元器件失效的影響因素，也即航空時鐘的故障成因[4]。

1.2航空時鐘FT A分析流程設計

經過理論分析后，建立航空時鐘的故障定位分析流程。航空時鐘基于FTA分解模型的結果，在故障診斷中應按照可能發(fā)生故障的概率排序，由大到小進行逐一排查。

在流程中，最為關鍵的環(huán)節(jié)是“故障原因分析”與“確認故障點”，故障原因分析是建立在時鐘已經出現(xiàn)非正常工作狀態(tài)，需要排查故障的產生原因，而確認故障點則是與排查過程相對應的緊密次序關系，通過確認判斷具體的故障元件[5]。在此過程中，需要根據(jù)上節(jié)中的失效率，優(yōu)先排查失效率高的元器件，在大概率條件下盡快發(fā)現(xiàn)故障點。

在航空時鐘故障維修的實踐中，發(fā)現(xiàn)顯示時間缺字和不能校時的故障現(xiàn)象較為常見。針對顯示時間缺字問題，直觀故障現(xiàn)象是顯示錯誤故障，這僅是外在現(xiàn)象，造成顯示錯誤故障的原因多種多樣，例如顯示屏在安裝中受擠壓導致的局部顯示缺失、安裝中虛焊等導致的數(shù)據(jù)傳輸不完整、電源供電不穩(wěn)等，都會影響正常顯示。不能校時也是較為嚴重的故障，直接影響航空時鐘的功能實現(xiàn)，引發(fā)的原因也是多種多樣，既可能是開關、按鍵問題，也可能是電子元器件問題，還有可能是連線問題，此外授時設備故障也會影響校時功能。因此對故障的排查流程應當建立在確定故障表征上的多因素逐一確認、排除，直至找到真實故障原因。發(fā)現(xiàn)故障原因是在已確定故障點的前提下，對造成故障的客觀因素進行排查，例如工作電流、工作電壓、接地電阻等會導致該元件失效的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)，都需要仔細核對，逐一排查。

流程最后的記錄數(shù)據(jù)形成報告，是積累維修經驗的關鍵步驟，有利于FTA分析流程的迭代提高，因此十分重要，需認真對待。對故障分析報告進行分類整理，還可以確定設備設計和加工中的薄弱環(huán)節(jié)，指導設計部門改進設計。

1.3FTA故障樹分析定位方法改進

上述步驟完成了規(guī)范的航空時鐘故障定位，還有改進完善的空間。在長期機載設備維修中積累的經驗數(shù)據(jù)是規(guī)范故障分析流程的有益補充。就航空時鐘而言，電子器件中多為阻容型器件，可靠性較高，內部電路發(fā)生故障的概率偏低，而電源接口、總線接口由于與機上其他設備交聯(lián)，更易受到次生危害的影響，如機上發(fā)電機紋波變化超限、接插件連接不到位導致阻抗加大等因素改變了時鐘的工作環(huán)境，容易引發(fā)接口電路的過載工作，造成故障。因此在針對數(shù)顯航空時鐘的故障排查中，在通過FTA故障樹排定診斷流程后，還需要進行順序微調，將接口電路的排查放在優(yōu)先位置。

另一方面，由于機載環(huán)境的特殊性，信號地、電源地、屏蔽地多地共接于飛機殼體，并不是零電阻的真地，因此信號串擾現(xiàn)象無可避免。落實到時鐘故障的診斷中，需要對時鐘的接地電阻和連接方式進行檢測，避免由于飛機飛行震動而產生的接地點松動，接地電阻增大，串擾信號的負面效應更多地作用于時鐘，導致時鐘影響因素增大，干擾正常工作環(huán)境，引發(fā)故障。

對機載設備的維修排故既要有科學合理的標準流程，還需要針對不同設備的特點有選擇的變更排查次序，做到規(guī)范卻不死板，才能在現(xiàn)場復雜的問題中快速完成故障定位與診斷。

2試驗論證分析

為了驗證基于FTA的機載航空時鐘故障定位診斷方法的有效性，通過實際例子進行測試驗證。某型機載數(shù)顯航空時鐘內置時鐘芯片，在液晶模塊上顯示現(xiàn)時、航時、測時信息。具有備份電池實現(xiàn)現(xiàn)時保時功能;具有電量檢測電路，實現(xiàn)電量檢測和低電量提示;通過總線芯片接收符合國際標準格式的總線信號，用外部時間數(shù)據(jù)進行一鍵校時;接收機上“晝/夜”模式切換指令經光電耦合器隔離后進行日模式和夜模式的切換;接收機上輪載信號經光電耦合器隔離后完成航時計算顯示;產品內置FLASH存儲器，具有記憶功能，即產品可以記錄測時、航時等參數(shù)。具有BIT自檢電路可以實現(xiàn)SRU級故障檢測;具有RS232接口可實現(xiàn)軟件外部串口加載和維護檢測功能。產品導光板上設有按鍵，可進行亮度調節(jié)、計時時間啟動、停止、清零、航時查詢、一鍵校時、手動對時、畫面切換、故障查詢。如此復雜的功能集成于有限的體積內，使用了大量的集成電路。其原理圖見圖1。

電路板上共計有39個器件，其中LED1～LED6為外部顯示數(shù)碼管，其故障現(xiàn)象可以直觀觀察到，而其余器件均包含在航空時鐘殼體內部，對故障現(xiàn)象和故障表征不易觀察到。采用FTA分析方法，對39個元器件進行分解建模，歸類處理。IC1～IC6為數(shù)碼管的驅動電路，IC7～IC9為顯示控制電路，IC10為精度控制電路，IC12為工作模式選擇電路，IC13為電源穩(wěn)壓電路，以上電路模塊與數(shù)碼管一樣都屬于集成電路，因此采用同樣的失效率模型;J1為電源輸入接口，S1～S3為觸控按鍵，此類為按鍵開關的失效率模型;Y1為高精度晶振，為電路提供工作時鐘，采用二極管的失效率模型;R1～R11以及C1～C8為外圍穩(wěn)壓電路，采用電阻失效率模型。經過分類計算，失效率由高至低分別是：集成電路-觸控開關-晶振-阻容元件，因此確定排查的順序以此為基礎。同時考慮到IC10的高精度要求，對環(huán)境的影響更為敏感，因此在集成電路類中優(yōu)先排查IC10，其次是頻繁電壓通斷的IC1～IC6，以及數(shù)碼管。

確定排查順序后，結合以往航空時鐘維修工作經驗，對承受飛行振動應力較多的電源接口接插件、以及經常使用的觸控按鍵重點排查，并且由于這兩種器件在航空時鐘殼體的靠外位置，便于優(yōu)先檢查，因此在優(yōu)先級上安排為第一輪檢查。例如，針對顯示缺失的故障，通過規(guī)范的故障排查流程，對液晶模塊、安裝焊點和裝配間隙、排線導通性、電源供電、電池電量逐一排查后，確認是由于電池虧電，導致電壓下降，對液晶模塊的供電電壓不足，液晶模塊工作在欠壓狀態(tài)，顯示內容缺失。

通過以上分析，確定了排查的順序和關注重點，在數(shù)顯航空時鐘的故障維修中，形成規(guī)范的流程，在大部分情況下都可以快速發(fā)現(xiàn)故障點，并按照故障樹關系表溯源到故障原因，大大提高了維修工作的準確性，同時規(guī)范了維修工藝，提升了維修效率。

3結束語

機載設備的維護與保養(yǎng)是延長飛機使用壽命的基礎保障，通過研究機載成品的故障模式，探索快速、準確定位故障的診斷方法，對于提升飛機出勤率具有積極地作用。在研究故障診斷方法中，從科學原理出發(fā)，遵循規(guī)律，從事物的底層規(guī)則中尋求最優(yōu)解決方案，是解決裝備保障問題的正途。本文以數(shù)顯航空時鐘為例，通過故障樹分析的方法，研究了設備的保障維修方法，即是對科學理論應用于實際問題的實踐，也是以點帶面探索科學、規(guī)范的裝備保養(yǎng)技術。在實踐中總結的成品故障致病因，還可以作為今后裝備研發(fā)的典型案例，促進裝備可靠性的穩(wěn)步提升。今后還將在機載成品的修理維護中，深入的開展和探索更加合理的故障診斷方法。

參考文獻：

[1]唐福軍，姚金彪，邵珠君，等.某型慣性導航系統(tǒng)地速超差故障分析[J].航空維修與工程，2022（02）：94-96.DOI：10.19302/j.cnki.1672-0989.2022.02. 027.

[2]魯順，徐增丙，熊文，等.基于FMECA和FTA的旋轉機械設備故障診斷方法[J].機械制造，2021，59（05）：76-81.

[3]趙華，計鑫，張勝，等.基于故障樹（FTA）的重型液壓機故障診斷系統(tǒng)設計[J].自動化與儀器儀表，2020（09）：79-83.DOI：10.14016/j.cnki.1001- 9227.2020.08.079.

[4]顧煜炯，楊楠，陳東超，等.利用故障因果信息的汽輪機故障智能診斷研究[J].噪聲與振動控制，2019，39（04）：12-19.

[5]高嵐，王偉濤.一種基于FTA的發(fā)射裝置自動測試和故障診斷系統(tǒng)設計[J].計量與測試技術，2019，46（05）：20-23.DOI：10.15988/j.cnki.1004- 6941.2019.5.006.