李冰月， 孫建紅， 劉海港， 孫 智， 陳 強(qiáng)

(1.南京航空航天大學(xué)航空宇航學(xué)院 南京，210016)(2.沈陽(yáng)飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所 沈陽(yáng)，110035)

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基于FMEA的飛機(jī)空調(diào)系統(tǒng)故障診斷與仿真

李冰月1， 孫建紅1， 劉海港2， 孫 智1， 陳 強(qiáng)1

(1.南京航空航天大學(xué)航空宇航學(xué)院 南京，210016)(2.沈陽(yáng)飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所 沈陽(yáng)，110035)

為保證飛機(jī)空調(diào)系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行，針對(duì)飛機(jī)空調(diào)系統(tǒng)各主要部件進(jìn)行了故障模式影響分析(failure mode and effects analysis，簡(jiǎn)稱(chēng)FMEA)，并結(jié)合故障樹(shù)分析(fault tree analysis，簡(jiǎn)稱(chēng)FTA)方法，對(duì)飛機(jī)空調(diào)系統(tǒng)故障進(jìn)行了診斷實(shí)驗(yàn)。同時(shí)利用Matlab/Simulink軟件建立了各部件的數(shù)值仿真模型，搭建了空調(diào)系統(tǒng)故障仿真平臺(tái)，給出了系統(tǒng)關(guān)鍵部件的故障判據(jù)，對(duì)飛機(jī)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了故障仿真，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與得到的仿真結(jié)果對(duì)比可以得出故障檢修排序。以飛機(jī)座艙溫度異常故障為例，闡述了飛機(jī)空調(diào)系統(tǒng)故障診斷方法。結(jié)果表明，渦輪故障時(shí)對(duì)座艙溫度影響最大，在設(shè)計(jì)和維修中應(yīng)重點(diǎn)考慮。

故障仿真；故障樹(shù)分析；故障模式影響分析；飛機(jī)空調(diào)系統(tǒng)；嚴(yán)酷度

引 言

故障模式及影響分析和故障樹(shù)分析作為產(chǎn)品可靠性和安全性分析的主要分析方法，已在航空航天、汽車(chē)、機(jī)械、電子等領(lǐng)域的工程實(shí)踐中得到了廣泛的應(yīng)用。FMEA是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行分析的一種歸納分析方法，分析系統(tǒng)中所有可能的故障模式及其可能產(chǎn)生的影響，并按每個(gè)故障模式產(chǎn)生影響的嚴(yán)重程度及發(fā)生概率予以分類(lèi)，是屬于單因素的分析方法[1]。FMEA假設(shè)每個(gè)故障模式是相互獨(dú)立的，通常用于分析單一故障模式及對(duì)系統(tǒng)的影響。故障樹(shù)分析是假設(shè)底事件相互獨(dú)立，以一個(gè)不希望的系統(tǒng)故障事件(或?yàn)?zāi)難性的系統(tǒng)危險(xiǎn))作為分析的目標(biāo)，然后由上向下嚴(yán)格按層次的故障因果邏輯分析，逐層找出故障事件的必要而充分的直接原因，最終找出導(dǎo)致頂事件發(fā)生的所有原因和原因組合，并在具有基礎(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)計(jì)算出頂事件發(fā)生概率和底事件重要度等定量指標(biāo)[2]。

隨著航空工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)飛機(jī)空調(diào)系統(tǒng)要求也越來(lái)越高，新工藝和新技術(shù)也越來(lái)越廣泛應(yīng)用在飛機(jī)空調(diào)系統(tǒng)中。由于負(fù)荷規(guī)模日趨龐大，且設(shè)備種類(lèi)、數(shù)量越來(lái)越多，這些都使得飛機(jī)空調(diào)系統(tǒng)的復(fù)雜程度大大提高。從安全性及可靠性角度考慮，飛機(jī)空調(diào)系統(tǒng)故障監(jiān)測(cè)、診斷及排除也越來(lái)越重要。

近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)飛機(jī)故障的監(jiān)測(cè)與診斷進(jìn)行了研究[3-5]。危虹等[6]用FMECA和FTA分析方法，針對(duì)飛機(jī)空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程，并結(jié)合可靠性鑒定試驗(yàn)，提出了環(huán)控系統(tǒng)中非指數(shù)分布的產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)評(píng)價(jià)方法。趙俊茹[7]針對(duì)飛機(jī)空調(diào)系統(tǒng)的各主要部件進(jìn)行了仿真研究和故障診斷，采用參數(shù)估計(jì)、專(zhuān)家系統(tǒng)和基于觀測(cè)器的故障診斷方法。何杰等[8]對(duì)飛機(jī)換熱器故障進(jìn)行了故障診斷仿真研究。王兆兵等[9]對(duì)飛機(jī)環(huán)控系統(tǒng)進(jìn)行了故障診斷建模，用TEAMS軟件進(jìn)行了診斷策略設(shè)計(jì)及測(cè)試性分析優(yōu)化，以提高單故障時(shí)故障隔離率與故障診斷率。Laster等[10]運(yùn)用專(zhuān)家系統(tǒng)的方法對(duì)飛機(jī)環(huán)控系統(tǒng)進(jìn)行了故障診斷研究。Price[11]運(yùn)用模糊控制的方法對(duì)環(huán)控系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷研究。

研究人員也比較關(guān)注空調(diào)系統(tǒng)的座艙舒適性，特別是空調(diào)系統(tǒng)故障對(duì)人體熱舒適性以及對(duì)人機(jī)功效的影響[12-18]；但對(duì)于飛機(jī)空調(diào)系統(tǒng)故障分析的研究相對(duì)較少，而且大部分只做了定性分析而沒(méi)有定量分析，特別是與飛機(jī)空調(diào)系統(tǒng)故障仿真相結(jié)合的故障診斷研究十分有限。筆者對(duì)整個(gè)飛機(jī)空調(diào)系統(tǒng)的主要部件進(jìn)行了FMEA分析，并且進(jìn)行空調(diào)系統(tǒng)主要部件及系統(tǒng)的FTA分析。同時(shí)用通風(fēng)溫度及嚴(yán)酷度定義系統(tǒng)故障，給出故障判據(jù)，量化故障模式，利用不同嚴(yán)酷度下的故障仿真結(jié)果與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)比，得出故障檢修排序，進(jìn)而對(duì)飛機(jī)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷。以飛機(jī)座艙溫度非正常變化為例，闡述了飛機(jī)空調(diào)系統(tǒng)故障診斷方法結(jié)合故障仿真結(jié)果給出故障概率排序。

1 分析方法

1.1 FMEA方法與分析

對(duì)空調(diào)系統(tǒng)到各個(gè)制冷部件再到每個(gè)制冷部件的組件逐級(jí)分析，可以根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)、數(shù)據(jù)等對(duì)每個(gè)層次的故障模式、故障原因、故障影響及措施結(jié)果進(jìn)行分析。根據(jù)設(shè)計(jì)階段部件可能出現(xiàn)的故障模式及使用階段對(duì)部件發(fā)生的故障進(jìn)行調(diào)查統(tǒng)計(jì)分析，可以得到所需要的FMEA表格。因此，分別對(duì)環(huán)控系統(tǒng)的空氣-空氣換熱器、燃油-空氣換熱器、水分離器、渦輪、溫度傳感器、壓力傳感器、單向活門(mén)及調(diào)節(jié)活門(mén)等主要部件進(jìn)行FMEA分析。以典型的制冷部件渦輪為例，對(duì)FMEA分析進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，如表1所示。為了敘述及查閱方便，將渦輪部件的故障模式進(jìn)行編號(hào)。

表1 部分渦輪部件FMEA表

對(duì)渦輪部件搜集了26種故障模式，編號(hào)分別為1～26。表中為其中的5種故障模式，分別為渦輪葉輪表面粗糙、葉片磨損、葉片斷裂、噴嘴環(huán)組件型面磨損和變形。渦輪葉輪的主要功能是制冷，其故障模式有磨損，氣流中的雜質(zhì)撞擊引起的表面粗糙，會(huì)直接導(dǎo)致渦輪葉輪表面粗糙，最終導(dǎo)致產(chǎn)品設(shè)計(jì)點(diǎn)性能降低到規(guī)定指標(biāo)的80%～100%。由于傳動(dòng)件故障，與殼體刮蹭導(dǎo)致的葉片磨損，會(huì)導(dǎo)致葉輪表面磨損，使產(chǎn)品設(shè)計(jì)點(diǎn)性能降低到規(guī)定指標(biāo)的80%～100%。葉片斷裂是由于設(shè)計(jì)強(qiáng)度不足、材料缺陷、加工缺陷、轉(zhuǎn)動(dòng)件超速及異物撞擊等導(dǎo)致的，渦輪葉片斷裂會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子卡滯，最終使產(chǎn)品無(wú)法運(yùn)轉(zhuǎn)。噴嘴環(huán)組件也是主要的制冷組件，型面磨損主要由噴嘴環(huán)型面磨損、噴嘴蓋板磨損引起的，故障后會(huì)使得產(chǎn)品設(shè)計(jì)點(diǎn)性能下降到80%～100%。噴嘴環(huán)或噴嘴蓋板引起的變形，也會(huì)使產(chǎn)品設(shè)計(jì)點(diǎn)性能下降到80%左右。

嚴(yán)酷度等級(jí)按照嚴(yán)重程度分為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ4個(gè)等級(jí)。其中，Ⅰ級(jí)最嚴(yán)重，Ⅵ級(jí)最不嚴(yán)重。按最終影響來(lái)分，當(dāng)產(chǎn)品無(wú)法運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)品嚴(yán)酷度等級(jí)為Ⅰ級(jí)；產(chǎn)品設(shè)計(jì)點(diǎn)性能降低到規(guī)定指標(biāo)的80%為Ⅱ級(jí)；產(chǎn)品設(shè)計(jì)點(diǎn)性能降低到規(guī)定指標(biāo)的80%～100%為Ⅲ級(jí)；而對(duì)產(chǎn)品性能無(wú)影響，但可靠性降低的故障歸類(lèi)為Ⅵ級(jí)，此類(lèi)故障不能單純用數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，因此后面的故障仿真工作中不討論此類(lèi)故障。每種故障模式的故障概率取值見(jiàn)表1。

風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)是根據(jù)嚴(yán)酷度和故障模式等級(jí)概率取值的[1]。對(duì)編號(hào)為1～5號(hào)故障模式的嚴(yán)酷度和故障模式概率等級(jí)的取值分別為(5，5)，(5，5)，(10，5)，(5，1)和(7，1)。計(jì)算出的風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)的值分別為25，25，50，5，7。根據(jù)其風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)的取值排序由大到小依次為3，1，2，5，4。風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)最大數(shù)值為50，因此進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮渦輪葉片斷裂故障，盡力避免或減小其故障發(fā)生。

1.2 故障樹(shù)模型與分析

飛機(jī)簡(jiǎn)單式空調(diào)系統(tǒng)原理如圖1所示，系統(tǒng)不希望發(fā)生的故障可分為座艙溫度異常和座艙壓力異常。假設(shè)各底事件相互獨(dú)立，以座艙溫度升高為系統(tǒng)故障樹(shù)模型的底事件建立故障樹(shù)模型，描述的是系統(tǒng)故障與各部件的基本事件之間的邏輯關(guān)系，二者用邏輯門(mén)連接。

定義座艙溫度升高故障為頂事件，找出導(dǎo)致該事件發(fā)生的諸直接因素，即換熱器、渦輪等制冷部件故障為中間事件，再利用FMEA表得到每個(gè)部件中不能再細(xì)分的事件，它們也常被稱(chēng)為底事件，此時(shí)所有的底事件的故障機(jī)理或概率分布應(yīng)該都是已知的，其故障樹(shù)如圖2所示。由于故障樹(shù)過(guò)于龐大，以渦輪部件為例，渦輪部件的底事件如表2所示。

由于飛機(jī)空調(diào)系統(tǒng)所有的最小割集即為其底事件本身，因此主要針對(duì)故障樹(shù)進(jìn)行定量分析，即計(jì)算出頂事件發(fā)生的概率以及各個(gè)底事件故障對(duì)頂事件的影響情況。假設(shè)所有的底事件之間相互獨(dú)立，底事件和頂事件都只考慮兩種狀態(tài)——發(fā)生或者不發(fā)生，即正?；蛘吖收蟍2]。

以發(fā)生座艙溫度高于舒適區(qū)溫度為例，如表3所示，通過(guò)故障樹(shù)分析計(jì)算，按各部件發(fā)生概率排序?yàn)闇u輪、調(diào)節(jié)活門(mén)、燃油-空氣換熱器、空氣-空氣換熱器及溫度傳感器，即渦輪部件故障的可能性最大，達(dá)到了座艙溫度升高故障時(shí)的61.80%，而且渦輪故障的概率是調(diào)節(jié)活門(mén)故障的3倍多，是換熱器故障的6倍多，是溫度傳感器的110倍。因此可以判斷出，渦輪部件是導(dǎo)致座艙溫度異常的關(guān)鍵部件。

圖1 簡(jiǎn)單式空調(diào)系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of simple air conditioning system

圖2 座艙溫度高于舒適區(qū)故障樹(shù)Fig.2 The fault tree of the cabin temperature is higher than comfort zone

底事件序號(hào)底事件底事件概率(×10-6)底事件序號(hào)底事件底事件概率(×10-6)x1渦輪葉輪表面粗糙1.20x12動(dòng)壓止推軸承過(guò)燒損壞105.26x2渦輪葉輪葉片磨損0.60x13左殼體支撐面磨損0.14x3渦輪葉輪葉片斷裂0.20x14左殼體變形開(kāi)裂0.14x4噴嘴環(huán)組件型面磨損1.06x15右殼體支撐面磨損0.14x5噴嘴環(huán)組件變形1.06x16右殼體變形開(kāi)裂0.14x6渦輪蝸殼殼體破裂0.14x17密封板磨損52.21x7軸組件表面磨損63.24x18密封板密封損壞52.21x8軸組件變形63.24x19密封圈表面損傷0.36x9動(dòng)壓徑向軸承涂層過(guò)度磨損105.26x20密封圈斷裂0.36x10動(dòng)壓徑向軸承過(guò)燒損壞105.26x21轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置無(wú)信號(hào)輸出1.02x11動(dòng)壓止推軸承涂層過(guò)度磨損105.26x22轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置信號(hào)輸出有誤1.02

表3 座艙溫度升高時(shí)各部件故障及發(fā)生概率

Tab.3 Each component failure probability and occurrence probability when cabin temperature rises

部件故障概率(×10-6)發(fā)生概率/%空氣-空氣換熱器100×10-69.36燃油-空氣換熱器102×10-69.55調(diào)節(jié)活門(mén)201×10-618.73溫度傳感器6×10-60.56渦輪659×10-661.80

由于渦輪部件的故障樹(shù)并不復(fù)雜且底事件故障概率很小，因此概率重要度和結(jié)構(gòu)重要度約等于1，重點(diǎn)分析關(guān)鍵重要度。根據(jù)故障概率函數(shù)公式,計(jì)算得出座艙溫度升高時(shí)以渦輪部件故障為頂事件的發(fā)生概率為330×10-6。其中，嚴(yán)酷度類(lèi)別為Ⅰ的底事件按關(guān)鍵重要度排為

x10=x12>x8>x18>x3>x14=x16

嚴(yán)酷度類(lèi)別為Ⅱ的底事件按關(guān)鍵重要度排序?yàn)?/p>

x5>x20>x6

嚴(yán)酷度類(lèi)別為Ⅲ的底事件按關(guān)鍵重要度排序?yàn)?/p>

x9=x11>x7>x17>x1=x4=x21=

x22>x2>x19>x13=x15

當(dāng)通過(guò)檢測(cè)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度發(fā)現(xiàn)渦輪發(fā)生Ⅰ嚴(yán)酷度等級(jí)的故障時(shí)，引起渦輪故障的故障模式排查的優(yōu)先順序?yàn)閯?dòng)壓徑向軸承過(guò)燒損壞、動(dòng)壓止推軸承過(guò)燒損壞、軸組件變形、密封板密封損壞、渦輪葉輪葉片斷裂、左殼體變形開(kāi)裂和右殼體變形開(kāi)裂。當(dāng)確定渦輪發(fā)生嚴(yán)酷度等級(jí)為Ⅱ級(jí)的故障時(shí)，最有可能發(fā)生的故障模式為噴嘴環(huán)組件變形，其次為密封圈斷裂，最后為渦輪蝸殼殼體破裂。當(dāng)檢測(cè)出渦輪發(fā)生的故障嚴(yán)酷度等級(jí)為Ⅲ級(jí)時(shí)，其故障模式排序的優(yōu)先順序?yàn)閯?dòng)壓徑向軸承涂層過(guò)度磨損、動(dòng)壓止推軸承涂層過(guò)度磨損、軸組件表面磨損、密封板磨損、渦輪葉輪表面粗糙、噴嘴環(huán)組件型面磨損、轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置無(wú)信號(hào)輸出、轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置信號(hào)輸出有誤、渦輪葉輪葉片磨損、密封圈表面損傷、左殼體支撐面磨損和右殼體支撐面磨損。計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 座艙溫度升高時(shí)渦輪部件基本事件重要度

Tab.4 Basic event importance of the turbine fault when cabin temperature rises

序號(hào)底事件底事件概率×10-6關(guān)鍵重要度×10-4x1渦輪葉輪表面粗糙1.2020x2渦輪葉輪葉片磨損0.6010x3渦輪葉輪葉片斷裂0.203x4噴嘴環(huán)組件型面磨損1.0620x5噴嘴環(huán)組件變形1.0620x6渦輪蝸殼殼體破裂0.142x7軸組件表面磨損63.24960x8軸組件變形63.24960x9動(dòng)壓徑向軸承涂層磨損105.261600x10動(dòng)壓徑向軸承過(guò)燒損壞105.261600x11動(dòng)壓止推軸承涂層磨損105.261600x12動(dòng)壓止推軸承過(guò)燒損壞105.261600x13左殼體支撐面磨損0.142x14左殼體變形開(kāi)裂0.142x15右殼體支撐面磨損0.142x16右殼體變形開(kāi)裂0.142x17密封板磨損52.21790x18密封板密封損壞52.21790x19密封圈表面損傷0.365x20密封圈斷裂0.365x21轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置無(wú)信號(hào)1.0220x22轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置信號(hào)有誤1.0220

2 系統(tǒng)故障仿真與分析

2.1 空調(diào)系統(tǒng)主要部件模型

2.1.1 渦 輪

渦輪的出口溫度Tex、功率和效率特性的數(shù)學(xué)模型為

2.1.2 換熱器

空氣-空氣換熱器和燃油-空氣換熱器均采用不銹鋼殼管式換熱器。其中，換熱器殼程的工作介質(zhì)分別是沖壓空氣和燃油，管程的工作介質(zhì)是空氣。

換熱器的計(jì)算主要包括壓力損失的計(jì)算和熱效率的計(jì)算，其數(shù)學(xué)模型如下。

流體流經(jīng)換熱器時(shí)的總壓力損失可以表示為

Δp=Δp'+Δpcf-Δp''+Δpa

(4)

其中：Δp'為換熱器芯體進(jìn)口壓力損失；Δp''為芯體出口壓力回升；Δpcf為芯體內(nèi)的壓力損失；Δpa為連接端蓋的附加壓力損失。

換熱器效率表示換熱器的實(shí)際傳熱量Q與理論上最大可能的傳熱量Qmax之比，即

(5)

當(dāng)W1=Wmin時(shí)，有

其中：A為熱流體的冷卻程度；B為兩流體的進(jìn)口溫差。

當(dāng)W2=Wmin時(shí)，有

其中：C為冷流體的加熱程度；B為兩流體的進(jìn)口溫差。2.1.3 水分離器

濕空氣流經(jīng)水分離器時(shí)，水分離器的出口游離水含量d和氣流壓降Δpw分別為

d=d0(1-ηw)

(6)

Δpw=ξρv2/2

(7)

其中：ηw為水分離器的除水效率；ξ為阻力系數(shù)。

2.1.4 調(diào)節(jié)閥門(mén)

蝶閥為飛機(jī)空調(diào)系統(tǒng)中常用閥門(mén)類(lèi)型，本研究采用蝶閥進(jìn)行仿真計(jì)算。在建模時(shí)將蝶閥模型看作一個(gè)最小截面積可變的噴管且忽略通過(guò)氣流溫度的變化。經(jīng)過(guò)蝶閥的流量、壓降可表示為

其中：θ為閥門(mén)開(kāi)度；ξ為阻力系數(shù)，由經(jīng)驗(yàn)公式所得。

2.2 空調(diào)系統(tǒng)仿真模型

從圖1飛機(jī)空調(diào)系統(tǒng)可以看出，經(jīng)過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)引氣的高溫高壓氣體經(jīng)過(guò)空氣-空氣初級(jí)散熱器、燃油-空氣次級(jí)散熱器初步降溫后，通過(guò)高壓除水器將空氣中的游離水排出，再由渦輪進(jìn)行降溫降壓。所形成的低溫低壓氣體經(jīng)過(guò)調(diào)溫活門(mén)進(jìn)行溫度控制，再由低壓除水器分離空氣中的游離水后，通往座艙和電子艙。利用Matlab/Simulink進(jìn)行故障仿真，得到的仿真結(jié)果如下。

2.3 仿真結(jié)果與分析

2.3.1 故障判定

采用系統(tǒng)通風(fēng)溫度來(lái)定義系統(tǒng)的嚴(yán)酷度并定義故障。飛機(jī)中系統(tǒng)通風(fēng)溫度對(duì)飛行員的影響，一般認(rèn)為供給座艙的正常通風(fēng)溫度為10～12℃。定義當(dāng)系統(tǒng)通風(fēng)溫度達(dá)到24℃以上即為災(zāi)難性的故障，嚴(yán)酷度類(lèi)別為Ⅰ；系統(tǒng)通風(fēng)溫度在20～24℃之間或者5℃以下，分別達(dá)到了人體的冷熱應(yīng)激區(qū)，定義其嚴(yán)酷度類(lèi)別為Ⅱ，即致命的故障；系統(tǒng)通風(fēng)溫度為15～20℃時(shí)，可以達(dá)到人體的功效保證區(qū)，雖然舒適度降低，但是可以完成任務(wù)，定義其為中等故障，嚴(yán)酷度類(lèi)別為Ⅲ；系統(tǒng)通風(fēng)溫度為5～10℃和12～15℃時(shí)，為輕度的故障，此時(shí)座艙舒適程度稍有降低，但不影響執(zhí)行任務(wù)。當(dāng)系統(tǒng)中只有單一部件故障而其他部件正常工作時(shí)，定義空調(diào)系統(tǒng)主要部件故障的嚴(yán)酷度如表5[13]～表8所示。

表5 系統(tǒng)嚴(yán)酷度定義

表6 空氣-空氣換熱器嚴(yán)酷度定義

表7 燃油-空氣換熱器嚴(yán)酷度定義

表8 渦輪嚴(yán)酷度定義

2.3.2 算例與分析

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)引氣溫度為380℃、壓力為400kPa、流量為4 320 kg/h、飛機(jī)的飛行高度為8 km、Ma數(shù)為1.2的巡航狀態(tài)下，根據(jù)每個(gè)部件的嚴(yán)酷度類(lèi)別判斷故障。以渦輪部件為例，給出了渦輪部件正常工作和不同嚴(yán)酷度等級(jí)故障時(shí)的仿真數(shù)據(jù)，見(jiàn)表9?？梢?jiàn)單一故障下，溫度為敏感參數(shù)，壓力、流量參數(shù)則變化不明顯，因此可根據(jù)檢測(cè)各部件出口溫度變化來(lái)分布傳感器，找出渦輪部件的故障。通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與額定工作和不同嚴(yán)酷度下的仿真結(jié)果的比較，可以得出發(fā)生故障的部件及故障排序。例如當(dāng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)結(jié)果與嚴(yán)酷度為Ⅲ故障的數(shù)據(jù)接近時(shí)，可以得到故障樹(shù)分析中的故障排序?yàn)?/p>

表9 渦輪故障時(shí)穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果

x9=x11>x7>x17>x1=x4=x21=

x22>x2>x19>x13=x15

即導(dǎo)致座艙溫度異常的原因是渦輪部件故障，且最有可能發(fā)生的故障模式為動(dòng)壓徑向軸承涂層過(guò)度磨損、動(dòng)壓止推軸承涂層過(guò)度磨損。同樣，不同的參數(shù)條件可以通過(guò)故障仿真模擬得到其故障模式。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)飛機(jī)空調(diào)系統(tǒng)各部件的FMEA分析，得到故障模式的故障數(shù)據(jù)及故障模式的風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先排序。同時(shí)以座艙溫度異常(高于舒適區(qū)溫度)時(shí)為例，對(duì)飛機(jī)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷，結(jié)果顯示渦輪故障的可能性最大，達(dá)到了61.8%，說(shuō)明渦輪部件是導(dǎo)致座艙溫度變化的關(guān)鍵部件，與事實(shí)情況一致。利用Matlab/Simulink對(duì)飛機(jī)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷仿真，通過(guò)各部件出口參數(shù)的監(jiān)測(cè)與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)比，可以快速找到故障原因及故障模式的排序。以座艙通風(fēng)溫度作為故障判據(jù)，用部件效率來(lái)量化不同嚴(yán)酷度下的故障判據(jù)是判斷空調(diào)系統(tǒng)故障可行的方法。

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10.16450/j.cnki.issn.1004-6801.2017.03.026

2015-12-31；

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TH17; V240.2

李冰月，女，1991年1月生，碩士。主要研究方向?yàn)轱w行器環(huán)境控制。 E-mail：1105244427@qq.com