基于故障树的某型发动机防冰故障技术研究
周萌 张千一 徐鑫 陈海洋 李珂 童岩鹏
摘要：针对某型发动机外场装机条件下地面试车时控制器上位机及飞机座舱发出“防冰故障”告警的情况，采用故障树分析法，结合“防冰故障”“温包故障”告警原理，准确定位故障原因，采取相应的解决措施，并对控制软件逻辑进行优化，增加“温包故障信号器”监测逻辑，以在飞行前自检时预判故障，有效提高了飞行安全性。
关键词：航空发动机；
防冰故障；
温包故障；
控制软件；
监测逻辑
Keywords：aero-engine；
anti-icing fault；
temperature bulb fault；
control software；
monitoring logic
0 引言
航空发动机是飞机的心脏，发动机能否正常工作，对飞行安全具有决定性影响。电气系统（包括多种电气部件和连接导线）是控制和监测航空发动机工作的重要组成部分，电气系统工作在高温、高负荷、强振动的恶劣环境中，极易受到外界环境影响而出现多种类型故障，影响发动机的正常工作，甚至导致毁灭性的事件发生，因此航空发动机电气系统是飞行安全的技术核心[1]。
由于航空发动机电气系统的特点是线路多，连接关系复杂，各元器件相互影响，并存在电气元器件和连接导线之间的信号交联，以及偶发性电磁干扰故障，因此电气系统故障常常具有排故工作范围广、故障模式难以判断的技术特点，排故工作难度较大[2]。
航空发动机数字电子控制器（简称控制器）作为发动机控制系统（包含电气系统）的核心部件，其主要作用是对发动机和控制系统的各重要控制、监控参数进行采集，按一定的控制规律和控制算法进行运算并发出控制指令，控制相应的执行机构。作为数字电子控制系统设计的关键，控制软件各环节设计都是至关重要的。
1 故障现象描述
某型航空发动机在外场装机条件下进行地面试车时，在发动机已运转至高压转子转速N2≥57%，且当时发动机进口总温T1≤16℃的条件下，控制器上位机及飞机座舱发出“防冰故障”告警。经检查发现，控制器满足防冰自动接通条件，控制器开关量输出“接通防冰”信号正常，但是控制器开关量输入“防冰系统接通”信号（KI_FB）检测时显示防冰系统没有接通，即控制器X3插座30管脚（X3：30）未接收到27V信号。同时发现发动机停车时，控制器上位机未发出“温包故障”告警，判定为异常现象。
2 故障排查
发动机在N2≥57%，T1≤16℃，H<10.5km，Ma<1.2时，满足防冰接通条件，控制器发出防冰接通指令，通过飞机继电器，接通防冰气动电磁阀。电磁阀打开后，将高压五级热空气接通至防冰控制附件，通过压力差打开防冰控制附件，将热空气送出。防冰控制附件接通后产生位移，微动开关采集位移信号后，将防冰接通信号反馈至控制器，形成闭环回路，如图1所示。
根据防冰控制回路的构成示意图，梳理了可能导致防冰故障的故障树，如图2所示。根据故障树，梳理出18项底事件，并逐项进行了分析和排除，具体过程如表1所示，其中14项可排除，有4项不能排除。
采用故障树分析法对底事件进行排查后，有4项底事件不能排除，故障原因定位到飞机供电的断路器（保险）、发动机电缆、防冰微动开关及飞机电缆（即图3中线路1）上，需通过进一步排查来准确定位故障原因。“防冰故障”告警的电气原理示意图如图3所示。
正常情况下，断路器开关闭合，飞机供电28V经由发动机电缆接线盒XC1插座1管脚，给温包故障信号器（在主燃油泵调节器上）、防冰微动开关（在防冰控制附件上）、总燃油滤压差信号器、滑油滤压差信号器以及滑油金属屑末信号器同时供电。当控制器满足防冰自动接通条件时，在防冰气动电磁阀及防冰控制附件功能正常的情况下，防冰微动开关闭合，如果图3中的线路1上无断路点，则线路1为通路，这时控制器X3插座30管脚会接受到27V信号；
反之，当线路1断路，则控制器X3插座30管脚不会接受到27V信号。根据防冰功能控制软件逻辑，控制器满足防冰自动接通条件而防冰系统没有接通（即X3：30管脚未接收到27V信号），则通过1394B总线发出“防冰故障”告警信号，这就是飞机座舱发出“防冰故障”告警的原理。
3 故障问题定位
故障数据回放显示，该型发动机发生防冰故障时，发动机已运转至N2≥57%，当时T1≤16℃，且发动机地面开车时H为当地海拔（约300m）、Ma=0，控制器满足防冰自动接通条件。根据上述对防冰故障的排查分析，可判断该型发动机此次防冰故障的原因是线路1存在断路点。逐段排查线路1上飞机供电的断路器（保险）、发动机电缆、防冰微动开关、飞机电缆以及电连接器的连接情况，发现给飞机供电的断路器（保险）跳闸，致使线路1断路。怀疑线路1存在短路点，造成线路1电流过大，导致断路器（保险）跳闸。但经逐段排查后，未在线路1上发现短路点。
图3所示，温包故障信号器等5个信号器都是由同一路飞机供电线路供电的，除防冰微动开关这一路外，其他几路上如果存在短路点，也会造成断路器（保险）跳闸。因此，逐段排查其他几路上的发动机电缆、信号器、飞机电缆以及电连接器的连接情况，发现线路2上由发动机电缆接线盒端到控制器端的飞机电缆线（XC2：T→X3：75）（见图3）存在绝缘问题，与地虚接短路。线路2上飞机电缆线存在短路点，造成线路2电流过大，导致断路器（保险）跳闸，从而使线路1断路，控制器根据防冰功能控制软件逻辑，通过1394B总线发出“防冰故障”告警信号，因此，控制器上位机及飞机座舱发出“防冰故障”告警。
“温包故障”告警的电气原理示意图如图3所示，液壓原理示意图如图4所示。当发动机停车时，由于图4中定压油压力未充分建立，在温包指令压力的作用下，温度传感器转换活门1向下移动，使温包故障信号器4的燃油进口定压油与回油沟通，温包故障信号器4内油压降低，电路接通。但由于断路器（保险）跳闸，线路2断路，尽管温包故障信号器电路接通，控制器X3：75管脚也不会有27V电压输入，因此控制器上位机未发出“温包故障”告警，符合故障现象。
总燃油滤压差信号器、滑油滤压差信号器、滑油金属屑末信号器与温包故障信号器类似，当总燃油滤、滑油滤未堵塞，滑油中金属屑末未超标，温包正常的情况下，这4个信号器不接通，因此无论线路上是否存在其他断路点，飞机座舱都不会报故。
4 排故措施及验证情况
针对上述故障原因分析确定的故障问题，以一根绝缘性良好的新飞机电缆线替代原存在绝缘问题的飞机电缆线（XC2：T→X3：75），恢复飞机电缆插头，从而使飞机供电的断路器（保险）正常工作，飞机能够正常供电，图3中的5路信号器线路都能正常工作。
更换新飞机电缆线后，当发动机停车时，控制器上位机正常发出“温包故障”告警。发动机地面开车（H约300m、Ma=0）至N2≥57%，且当时T1≤16℃，控制器满足防冰自动接通条件，控制器上位机及飞机座舱不再发出“防冰故障”告警信号。这表明故障问题定位准确，排故措施有效。
5 控制软件逻辑优化
飞机电缆线（XC2：T→X3：75）短路造成断路器（保险）跳闸，致使温包故障信号器、防冰微动开关等5路信号器线路断路是导致本次防冰故障的根本原因。实际上，在发动机地面开车前，控制器上位机未发出“温包故障”告警就说明温包故障信号器一路（线路2）上存在问题，但这一现象容易被人忽视。同时，假设发动机开车过程中存在温包故障、总燃油滤堵塞、滑油滤堵塞、滑油金属屑末超标现象，由于断路器（保险）跳闸，飞机及控制器也不能正常报故，会严重影响发动机安全甚至飞行安全。因此，从更深层次的角度考虑，应对控制软件逻辑进行优化。
在控制软件中增加“温包故障信号器”监测逻辑，可以在飞行前的自检中及时发现问题。具体控制软件逻辑要求如下：
增加Flash可调参数“温包故障信号器状态字”（默认值为1，可调范围0、1）。
当“温包故障信号器状态字”为0时，飞行前自检逻辑保持不变。
当“温包故障信号器状态字”为1时，在飞行前自检逻辑中增加温包故障信号器检查，即在飞行前自检过程中，若开关量输入KI_WB“温包故障”信号为0V，则认为温包故障信号器故障，飛行前自检不通过，并通过1394B总线输出“上电及飞行前自检未通过”，在DATA包1、FTI包1的字节偏移212，字内偏移10，发出“飞行前自检温包故障信号器故障”，通过RS-422串口总线在上位机中输出“飞行前自检未通过”“飞行前自检温包故障信号器故障”，在7143数据、上位机数据中增加记录“飞行前自检温包故障信号器故障”。
控制软件逻辑优化后，如果发动机地面开车前，控制器上位机未发出“温包故障”告警，控制器飞行前自检是不通过的，因此可以提前预判故障，及时排查问题原因，并采取相应解决措施，提高了飞行安全性。
6 结束语
本文针对外场飞行前发生的“防冰故障”告警，采用了故障树分析法，通过分析故障模式的底层事件，梳理了18项底事件，通过对底事件的逐项分析、逐项排除，准确定位该故障的原因为飞机电缆线短路。针对故障问题定位，采取更换导线的排故措施，经验证，采取措施有效。总结本次防冰故障排故经验，对控制软件逻辑进行了优化，可在飞行前自检时及时发现问题，避免后续此类故障的发生，提高了发动机的可靠性，提高飞行的安全性。
参考文献
[1] 张璐. 民用航空发动机电气系统故障诊断方法研究[D]. 天津：天津大学，2016.
[2] 伊恩·莫伊尔，阿伦·西布里奇.飞机系统-航空、电气和航空电子分布系统综合[M]. 北京：航空工业出版社，2011，152～155.
作者简介
周萌，工程师，主要从事航空发动机控制系统总体设计工作。
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