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民機電氣線路互聯(lián)系統(tǒng)(EWIS)維修性設(shè)計研究

0引言

自2009年3月空客A320系列MRBR Rev14中首次出現(xiàn)用“EWIS”標識的工作項目以來，飛機“電氣線路互聯(lián)系統(tǒng)(Electrical Wiring Interconnection System，簡稱 EWIS)”的概念已經(jīng)在航空業(yè)界逐步得到認同。2007年底美國聯(lián)邦航空局(FAA)發(fā)布FAR25部第123號修正案，使得EWIS正式成為現(xiàn)代民機設(shè)計和運營體系中一個重要的獨立專業(yè)系統(tǒng)，對保證航空安全起到了巨大的促進作用。

將EWIS單獨作為一個獨立的飛機系統(tǒng)進行設(shè)計，帶來了飛機電氣系統(tǒng)設(shè)計理念上的重大變化；同時適航當局新發(fā)布的一系列專門針對EWIS持續(xù)適航的法規(guī)和咨詢通告，也帶來了EWIS維護理念、維修方式上的巨大改變。特別是CCAR 25(R4).611和.1719條對EWIS的可達性設(shè)計提出了專門的適航要求[1]。因此，新的民機型號研制過程中，必須探討新的針對EWIS的維修性設(shè)計思路和方法，以充分提高EWIS系統(tǒng)的維修效率，降低飛機運營成本，提高型號市場競爭力。

1EWIS的維修工作

EWIS是指安裝在飛機任何區(qū)域、任何部位的，用于在兩個或多個端頭之間傳送電能(包括數(shù)據(jù)和信號)的各種導線、線路裝置或它們的組合(包括端接設(shè)備在內(nèi))。該系統(tǒng)包括：(1)導線和電纜；(2)匯流條；(3)電氣設(shè)備的端頭，包括繼電器、中斷器、開關(guān)、接觸器、接線板、斷路器和其它電路保護裝置上的端頭；(4)連接器，轉(zhuǎn)接插頭以及插頭的附件，包括直連插頭座；(5)連接器附件；(6)電氣接地和搭接裝置及其有關(guān)的連接件；(7)導線接線片；(8)給導線提供附加保護的的器材，包括導線絕緣，導線套管以及帶有用于搭接的電氣端頭的導管；(9)屏蔽套和編織套；(10)卡箍和其它用來固定和支撐線束的裝置；(11)線束捆綁裝置；(12)標牌或其他識別標簽；(13)壓力封嚴件；(14)在支架、面板、設(shè)備架、接線盒、分配面板等設(shè)備內(nèi)部的EWIS部件，如導線集成組件和設(shè)備的外部導線等。

需要注意的是，EWIS并不包含飛機上的電氣電子設(shè)備和不屬于飛機型號設(shè)計部分的便攜式電氣設(shè)備，也不包含光導纖維。

明確EWIS的范圍，確定EWIS有哪些維修工作，是開展EWIS維修性設(shè)計的基礎(chǔ)。運營飛機的EWIS維修工作包括計劃維修工作和非計劃的修復性維修工作兩部分。

1.1EWIS計劃維修工作

EWIS的計劃維修工作全部來自于MRBR[2]，大部分是根據(jù)CCAR26部和FAA AC25-27A所規(guī)定的EZAP程序[3-4]而來的，這部分任務都在末尾增加了“EWIS”標志(有的型號采用“EZAP”標志，作用是一樣的)，包含在區(qū)域維修大綱和系統(tǒng)維修大綱的ATA20章中。這些任務的詳細情況如表1所示。

表1　MRBR中來自EZAP程序的EWIS維修任務

MRBR禁止運營商從維修方案中刪除ATA20中標識有EWIS的工作任務(這部分任務都來自于EZAP)；同時還要求運營商在根據(jù)MRBR制定本公司的維修方案和維修工卡時，也須將EWIS注明在工卡中。

另外，MRBR中還有部分是來自L/Hirf維修大綱的任務，雖然沒有在末尾增加“EWIS”或者是“EZAP”標志，但是也與EWIS有關(guān)。從滿足CCAR 25.611和25.1719條規(guī)定的要求來講，所有EWIS的計劃維修工作在EWIS的維修性設(shè)計中都應給予充分重視，保證這些任務的維修對象具有良好的維修性。

1.2EWIS非計劃(修復性)維修工作

EWIS組件的非計劃的修復性維修任務，主要是在飛機航線運營過程中發(fā)生EWIS部件的故障或失效，或者在檢查中發(fā)現(xiàn)EWIS部件的損傷和退化后所采取的恢復故障部件設(shè)計性能的維修任務。這些任務可以分解為以下的一個或多個工作步驟：故障定位、故障隔離、拆卸分解、更換、組裝、調(diào)整及測試等。

EWIS組件常見的非計劃修復性維修工作有：(1)導線和電纜絕緣層的修理；(2)防火區(qū)導線絕緣層的修理；(3)導線束內(nèi)導線的更換；(4)導線接線端片的更換與修理；(5)各種電氣端頭、插頭、插頭附件及接線樁的維修更換；(6)各種電氣接地或搭接裝置的維修更換；(7)線束支撐或固定件的修理或更換；(8)線束的重新捆扎；(9)套管、堵蓋及卡環(huán)的維修更換；(10)接線管及壓力封嚴件的維修更換；(11)熱縮管和波紋管的維修更換；(12)導線、電纜或線束的整體更換；(13)使用連接管進行導線或線纜的修理；(14)線路的檢測與測試工作；(15)非計劃維修中對于各種EWIS組件的表面清潔工作等。這些工作都應按照飛機標準線路施工手冊或AMM手冊中“標準線路施工”中的相關(guān)內(nèi)容來實施。

2EWIS的維修性設(shè)計定性要求

在型號研制中，EWIS的維修性設(shè)計的相關(guān)要求必須能夠保證上述的計劃和非計劃的維修工作都能便于實施，并盡可能地降低維修的成本。下面給出型號“維修性設(shè)計準則”中對EWIS維修性設(shè)計中提出的基本要求：

1)全機布線的設(shè)計必須滿足CCAR 25.1719“可達性規(guī)定：EWIS”中的要求，保證任何EWIS 部件必須可以接近，以對其進行持續(xù)適航所需的檢查和更換。EWIS元器件的可達性設(shè)計應使其各個部分方便實現(xiàn)維護、拆卸和替換；并保證滿足日常運營中能夠在盡量不拆卸其他設(shè)備和組件的前提下按照MRBR進行計劃的EWIS檢查和維護(包括清潔)工作。

2)線纜和線束的敷設(shè)：為了安裝維護方便，飛機內(nèi)敷設(shè)的線束的直徑一般不超過50mm (2.0in)，線纜和線束的敷設(shè)應不妨礙其它零組件的維修通路。所有接線盒的內(nèi)部應便于檢查和維護。單個線束不能過長，不應有過多的轉(zhuǎn)彎和分線束，線束彎曲的半徑不得小于規(guī)定的數(shù)值。設(shè)計中應保證安裝在損傷風險較高區(qū)域內(nèi)的EWIS組件可方便地拆換，這些高風險區(qū)域包括但不限于：(1)評估有特殊風險的區(qū)域(如雷擊、鳥撞、爆胎、輪緣飛脫、任意自由擺動桿松脫掃略以及發(fā)動機碎片影響區(qū)域)；(2)運行期間可能受外來物體撞擊的區(qū)域；(3)在MSG-3分析中認為易受偶然損傷的區(qū)域；(4)容易受到振動、除防冰液、廚房/廁所/貨艙液體、機身排液、液壓油、燃油等影響或污染的區(qū)域。

3)分離面的布置：應在每個結(jié)構(gòu)對接分離面處提供布線分離面。如果拆卸可拆卸的結(jié)構(gòu)或零組件時會影響到布線，那么該布線應具有機械斷點。分離面的尺寸應足以保證標準連接器工具的通路，且不會妨礙鄰近的連接器。連接器周圍應留有足夠的空間，保證可以不用連接器夾鉗就能進行適當緊固。

4)EWIS緊固件和固定裝置的可達性要求：EWIS緊固件的位置和類型應盡量使檢查、修理和更換工作不對EWIS 部件和其鄰近的飛機系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生干擾。所有的電纜托架、線束托架、線束捆扎點都必須可達并在周圍留下足夠的工具操作空間。

5)連接器：在線束與設(shè)備或線束與線束的連接由于移動或維修設(shè)備、元器件或布線而需要經(jīng)常拆卸時，應采用連接器。連接器的安裝位置應保證其不能被作為操作或維護人員的扶手或踏腳，也不能被貨物和儲藏物損傷。屏蔽連接器與結(jié)構(gòu)間電搭接應便于檢查和維護。螺紋耦合匹配的連接器應使用自鎖耦合環(huán)。連接器尾附件耦合環(huán)沒有自鎖機構(gòu)的應使用保險絲打保險以防松動。對于圓形連接器，應保證：(1)提供不用工具拆裝連接器所需的足夠空間；(2)在連接器耦合環(huán)的周圍最少保持25mm(1.0in)間隔，除非設(shè)備的尺寸或連接器安裝可利用區(qū)域有限，或者連接器的數(shù)量和尺寸無法滿足該空間要求，這種情況下連接器的周圍最少保持19mm (3/4in)的清空；(3)當若干連接器能按次序拆裝時，在按次序拆卸和復位的起始處的連接器周圍應提供25mm(1.0in)掃過最少270°的清空；(4)連接器的安裝軸線與機身成水平時連接器的主鍵位應在上，成垂直時連接器的主鍵應位于飛行器的前方；(5)無論插頭和插座，極性鍵(多個)的嚙合和定位應明顯。對于矩形連接器，應保證：為連接和分離矩形連接器提供足夠的空間；每個連接器都能在不拆卸鄰近連接器的前提下進行拆裝，每一個連接器的連接和分離不影響其相鄰的LRU和連接器；連接器連接和分離時應有工具通路。

6)防差錯設(shè)計：位置鄰近的線纜接頭或連接器都絕不應該出現(xiàn)錯誤的交叉對接。為了保證這一點，鄰近的成對連接器應該有不同的殼體規(guī)格、連接方式、型譜或鍵位。當這些方法不可行時，應該通過敷設(shè)和卡緊線束，控制路徑以確保成對連接器不能錯誤地互相交叉對接。鄰近接線端子應使用不同規(guī)格的螺柱孔、扇形片或束縛電纜控制點，而不是依靠代碼標識，以防錯裝。

7)線纜端接：為保證連接器更換，應提供最少比正常長度長出13mm (1/2in)的線纜余量，該余量應分布在連接器和第二個支撐卡箍之間，AWG 8 以及更粗的導線、射頻電纜不受重新端接余量要求的約束。導線長度應允許在不更換導線的前提下進行兩次端子重新壓接。AWG2 及以上的銅電線，在端接處提供至少1 倍圓套筒長度的松弛量。這些余量應分布在耳片端子/對接接頭附近以便于維護人員更換耳片端子/對接接頭時利用。接線端子上需要彎曲的位置，應由接線端子制造商預先壓制，而不應在維修現(xiàn)場壓制。

8)饋電線：機身內(nèi)主電源饋電線的設(shè)計和安裝應允許10%的變形和拉伸而不會失效。三相饋電線必須敷設(shè)到同一線束中并且容易識別。

3EWIS的維修性設(shè)計要求的分解與權(quán)衡

在FAR25-123修正案之前，由于電纜被分屬于不同的系統(tǒng)來設(shè)計，制造商對于機上的電纜是不單獨分配維修性設(shè)計指標的。而隨著EWIS獨立成系統(tǒng)，特別是25.1709條款專門對EWIS系統(tǒng)的可靠性分析提出要求以來，對EWIS系統(tǒng)的維修性給出專門的EWIS設(shè)計要求，也成為現(xiàn)代新型號民機EWIS維修性設(shè)計的一個新趨勢。

飛機其他系統(tǒng)維修性指標分配常用的做法，是將系統(tǒng)總的維修性指標按照各種組件單元的故障率進行分配，使得故障率高的組件單元的維修時間短、維修成本低，以此保證整個系統(tǒng)的平均維修時間和平均維修成本維持在一個較低的水平上[5]，這種分配方法對EWIS來講，在一定程度上具有參考性[6]。

但是EWIS系統(tǒng)相比于其他系統(tǒng)顯然更具特殊性，這些特殊性表現(xiàn)在：首先，EWIS組件單元數(shù)量很多，但種類不多，而且空間上遍布機上各個區(qū)域，同一種組件單元布置在不同的環(huán)境中，服務于不同的系統(tǒng)，承擔不同的負載，因此僅僅以組件單元本身的可靠性為依據(jù)來進行EWIS組件的維修性指標分配就不盡合理，必須引入更多的參考因素。另外更重要的是，EWIS系統(tǒng)的組件服務于其“用戶設(shè)備”，因此EWIS的位置和安裝方式很大程度上取決于“用戶設(shè)備”的位置和接口方式，因此EWIS的維修性設(shè)計必須與“用戶設(shè)備”相協(xié)調(diào)，同時還要考慮其走向路徑上的其他結(jié)構(gòu)和設(shè)備的綜合影響。

在民機EWIS研制過程中，為了便于機上不同位置EWIS的設(shè)計統(tǒng)籌和協(xié)調(diào)，通用做法是將飛機空間劃分為多個EWIS設(shè)計區(qū)域(EWIS Design Zone，簡稱EDZ)，EDZ是EWIS數(shù)字樣機設(shè)計最基本的組織單元[7]。鑒于EWIS的維修性與其所在區(qū)域的環(huán)境關(guān)系較大，本文提出以機上不同EDZ為對象開展EWIS的維修性要求分解的思路，即將維修性設(shè)計要求分解到各個EDZ上去，在此基礎(chǔ)上再考慮具體每個EWIS組件的維修性設(shè)計要求。具體方法如下：

(1)在開展全機EDZ劃分的過程中，充分考慮到不同EDZ內(nèi)的EWIS工作環(huán)境和維護環(huán)境，盡量避免將不同的維護環(huán)境劃到同一個EDZ中；

(2)充分考慮各個EDZ中可能造成EWIS組件退化、損傷或故障的各種因素，這些因素包含但不限于：EWIS所在區(qū)域空間大小、空間內(nèi)EWIS稠密度與間距、負載類型、起火的潛在影響、溫度變化、振動、灰塵、廚房液體、廁所液體、液壓油、防/除冰液、化學液體、燃油、濕氣、閃電和高強度電磁輻射影響、地面保障設(shè)備影響、外來物損傷、天氣影響、其他維修工作影響、可能的液體溢出影響、乘客活動影響等。根據(jù)這些因素的不同，來有針對性地提出EWIS的保護設(shè)計要求和維修性設(shè)計要求。

(3)將EWIS保護設(shè)計要求與維修性設(shè)計要求相結(jié)合。在某種意義上，EWIS保護設(shè)計也可以看做是EWIS維修性設(shè)計的一部分，因為這些保護措施的強化和落實可以減少全壽命期的EWIS維護工作。特別是對于預計可能維修性比較差的EWIS組件，通過強化EWIS保護設(shè)計來降低該組件的失效率。同時，對于某些由于重量和其他約束而不得不采用相對較弱的保護設(shè)計的EWIS組件，就要從維修性設(shè)計要求上充分保證其檢查和維護的便捷性。

4EWIS的維修性分析與評估驗證

在飛機研制過程中，通過對EWIS系統(tǒng)設(shè)計方案進行維修性分析、評估和驗證，可以充分地了解設(shè)計方案是否滿足EWIS維修性定性要求和定量指標，以便及時發(fā)現(xiàn)維修性的設(shè)計不足并做出改進優(yōu)化。對EWIS的維修性設(shè)計評估是一項持續(xù)性的工作，從EWIS設(shè)計的早期就開始，反復迭代進行，并與其它系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)的維修性設(shè)計評估工作同步進行、共享設(shè)計數(shù)據(jù)信息。

4.1虛擬維修方法在EWIS維修性設(shè)計中的運用

虛擬維修技術(shù)利用數(shù)字樣機和相關(guān)維修信息，創(chuàng)建虛擬維修環(huán)境，在虛擬環(huán)境中模擬維修的過程，從而在設(shè)計階段就可以對EWIS的維修性進行分析評價[8]。

(1)虛擬維修仿真環(huán)境建模：EWIS虛擬維修仿真利用飛機研制過程中的數(shù)字樣機來建立每個EDZ的三維模型，并在此基礎(chǔ)上增加維修人員、維修工具、地面設(shè)備模型。仿真模型既具有幾何屬性，如形狀、體積等；又具有物理屬性，如重量、重心；同時還包括裝配、約束關(guān)系，能體現(xiàn)材質(zhì)、粗糙度、光潔度等特征，以及維修人員的生理特征、動作規(guī)律和行為特點等。對于EWIS組件，必要時還需要對其軟硬度、撓曲性進行仿真建模。

(2)維修過程仿真的實現(xiàn)：維修仿真由維修場景和虛擬人的行為來實現(xiàn)維修有關(guān)活動或過程的模擬，通過運動控制對虛擬人行為進行調(diào)整，來仿真虛擬人行為，模擬維修場景的約束運動，并對維修仿真的結(jié)果輸出進行記錄和處理。

運用虛擬維修手段，可以實現(xiàn)對EWIS組件以下幾個方面維修性特征的分析：(1)可達性分析，包括視覺可達性和實體接觸可達；(2)維修操作空間分析，驗證維修對象安裝位置對維修人員完成維修動作所需空間的滿足程度；(3)工作姿態(tài)與人素工程分析，判斷維修人員姿態(tài)、所需要用力的方向及大小、安全威脅等不利影響；(4)維修時間分析，通過記錄虛擬仿真過程中的維修時間來對實際操作的維修時間進行評估。這些都可以用來分析評估EWIS維修性定性要求和定量指標的落實情況。

4.2基于維修工作分析的EWIS維修性指標預計

維修工作分析(Maintenance Task Analysis ，簡稱MTA)是指對飛機及其設(shè)備、部件的每一個維修任務(包括計劃維修任務和非計劃維修任務)進行詳細的分析，以確定完成每一項維修任務所需要的支持資源，這些支持資源包括時間、物料、工具、支援和測試設(shè)備、人員及其技能等[9]。飛機研制過程中對EWIS開展MTA的工作內(nèi)容和流程如圖1所示。

圖1　EWIS開展MTA的工作內(nèi)容和流程

通過MTA分析確定EWIS維修工作所需的各項支持資源，就可以在研制階段對EWIS的維修性定量指標進行預計，還可以為EWIS相關(guān)的技術(shù)出版物提供基礎(chǔ)工作程序支持。

4.3EWIS維修性試驗與驗證

在飛機研制過程中，對于某些位置或作用關(guān)鍵、狀態(tài)臨界而又不能通過虛擬仿真手段評估的EWIS維修對象，就需要通過實際的EWIS維修性驗證試驗來進行評估驗證。

(1)EWIS研制階段的試驗室維修性驗證：在飛機研制階段，通過實物樣機模擬出的機上安裝和運行環(huán)境，運用真實的EWIS試驗件來模擬維修拆裝工作，通過獲取相關(guān)數(shù)據(jù)來驗證設(shè)計是否可行。

(2)飛機試制裝配階段的EWIS維修性驗證：在飛機試制階段，可以在裝配過程中對各個EDZ內(nèi)EWIS組件的維修性情況進行驗證。EWIS裝配過程中獲取的工藝數(shù)據(jù)、時間和資源消耗信息等，對于優(yōu)化EWIS組件的維修性設(shè)計都具有重要的指導意義。

(3)試飛階段的EWIS維修性驗證：試飛階段的EWIS維修工作與實際運營階段類似，通過試飛維修檢查方案的落實和試飛階段改裝、排故、修復性維修的實施，采集維修性相關(guān)的數(shù)據(jù)，也可以為設(shè)計改進和優(yōu)化提供重要的依據(jù)。

5結(jié)論

將EWIS單獨作為一個獨立的飛機系統(tǒng)來進行設(shè)計，帶來了飛機設(shè)計理念上的重大改變，也對EWIS的維修性設(shè)計提出了新的要求。本文從型號工程實踐出發(fā)，分析明確了飛機運營中EWIS的計劃和非計劃維修工作任務，并在此基礎(chǔ)上創(chuàng)新性地提出了針對EWIS維修性設(shè)計的定性要求、結(jié)合EWIS組件的設(shè)計特點提出了以EDZ為對象進行維修性設(shè)計要求分解方法、以及型號研制中開展EWIS的維修性分析與評估驗證的方法。型號實踐證明，所提的EWIS維修性設(shè)計要求、維修性定量指標分配方法以及維修性分析評估驗證方法等在實際工程中具有很強的操作性和指導性，對優(yōu)化和提升EWIS維修性設(shè)計水平具有很強的價值。

通過以上研究和探討，可以看出EWIS是一個高度復雜并與飛機各系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)高度交聯(lián)的重要系統(tǒng)，其設(shè)計水平對保證航空安全和飛機型號市場競爭力具有決定性的作用。目前國產(chǎn)民機在EWIS維修性設(shè)計方面仍有許多方面需要改進和突破，需要國內(nèi)工程技術(shù)人員繼續(xù)開放視野、不斷學習國際先進理念和技術(shù)，深入開展自主創(chuàng)新，以進一步提高國產(chǎn)民機的整體設(shè)計水平。

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Research on the Maintainability Design of Electrical Wiring Interconnection System(EWIS) for Civil Aircraft

馬麟龍?zhí)崎L森 /

Ma LinlongTang Changsen

(上海飛機設(shè)計研究院，上海 201210)

(Shanghai Aircraft Design and Research Institute，Shanghai 201210，China)

摘要：

依照將EWIS作為飛機獨立功能系統(tǒng)的研制理念，從型號工程實踐中出發(fā)，分析明確了飛機運營中EWIS的計劃和非計劃維修工作任務，并在此基礎(chǔ)上創(chuàng)新性地提出了針對EWIS維修性設(shè)計的定性要求、結(jié)合EWIS組件的設(shè)計特點提出了以EDZ為對象進行維修性設(shè)計要求分解的方法，以及型號研制中開展EWIS的維修性分析與評估驗證的方法。

關(guān)鍵詞：電氣線路互聯(lián)系統(tǒng)；維修性設(shè)計 ；定性要求；指標分配；驗證

[Abstract]This paper clarifies the EWIS scheduled and un-scheduled maintenance tasks of aircraft in service according to the concept of the Electrical Wiring Interconnection System (EWIS) as a special functional system of the aircraft, relying on the type development practice. Based on this, some special maintainability qualitative requirements were presented, a set of new process and method of allocating the maintainability requirements to EWIS design zones were innovatively delivered, and some feasible means of EWIS maintainability evaluation or verification were studied.

[Key words]electrical wiring interconnection system; maintainability design; qualitative requirement; index allocation; verification

中圖分類號：V242

文獻標識碼：A