關于FMEA飛機副翼感覺定中機構故障分析

孟慶新 ，劉 岱 ，吳 瑤

（1.中國郵政航空有限責任公司機務工程部，江蘇 211113；2.中國民航大學a.航空自動化學院；b.理學院，天津 300300）

隨著中國民航事業的不斷發展，航空運輸保持了較為快速的增長。僅2010年全國運輸機場完成起降架次為553.2萬，比上年增長14.3%。截至2010年底，中國共有定期航班航線1 880條，按重復距離計算，航線里程約為398.1萬公里，按不重復距離計算的航線里程約為276.5萬公里。以上數據說明，保障飛機安全性及故障排除工作日益成為突出的問題。而當今中國使用的民用飛機構造系統之復雜，部件同比之繁多，使維修工作負擔日益增加。從飛機諸多故障分析來看，其中飛機間接性出現的故障是導致維修工作量加大、維修時間增加的重要因素之一。據中國民航局發布的《2010年民航行業發展統計公報》中指出，全國四成航班延誤的原因是各航空公司本身運行因素造成的，而機械故障占其中很大的比例。這些由于運行原因造成的航班延誤，必然給業界帶來經濟上和信譽上的損失。因此提高維護工作效率、保障飛機系統各個部件運行正常，對航空公司甚至整個民航業來說，都是十分重要的。

本文以某航空公司的飛機排故工作實際為例，通過采用FMEA分析法，對波音737系列飛機副翼感覺定中機構系統失效原因及有效預防方案進行了深入的研究。

1 FMEA分析法

故障模式及影響分析法（failure mode and effects analysis，FMEA）其核心是通過分析運行系統中的每個組成部件發生故障時對整個系統所產生的影響程度，通過量化，界定和劃分出各種故障的等級，并在此基礎上研究、查找出潛在故障的一系列思路和方法。這種方法實際上是進行的一種概念上的邏輯分析，換言之，是從可靠性的角度對已完成的可操作設計思路進行詳細評價、對潛在的諸多故障進行分析，并按其影響程度確定等級，根據故障等級及特征，提出準確、實用的預防措施和改進設計方案的科學方法[1]。FMEA的工作內容和重要參數為：項目（系統、設備、零部件等）、故障模式、故障影響、嚴重度、分類/分級、故障發生原因、發生率、現有控制措施、探測手段、不易探測度、危險優先數（RPN）。

目前民航業界飛機維修方式及其相關設備管理格局呈多樣性，就飛機的維修方式而言，一般有置后維修、預防維修、狀態維修及以可靠性為依據的維修和改善維修。而利用“FMEA分析法”作為一種可靠性為依據的維修方法，通過了解飛機系統可能存在的缺陷及其影響、認識其附帶引發的危機等，進而準確判斷故障及預防、排除措施?；趦炏瓤紤]安全和經濟性來確定的可行的、有效的預防維護工作思路，它是綜合了故障后果和故障模式的相關信息，進行定性和定量分析而確定的維修模式。其目的是要達到以較小的維護資源消耗取得較好的維修效果。

2 FMEA的實際應用

2011年初，某航空公司機組報告，飛機駕駛桿操縱不暢，經維修人員檢查后判定為“故障監控”項目，飛機放行。但飛機起飛后機組報告操縱桿壓盤困難并立即返航。地面維修人員了解故障信息后開始對操縱盤、操縱機構、鋼索滾輪、鋼索、扇形盤以及副翼配平機構進行檢查，但結果均為正常。后經各專業人員反復排查，發現副翼定中機構扭力桿旋轉不暢，故障認定為扭力桿上方處的軸承。更換該處軸承及相關封圈、系統復原后，按相關手冊規定，測試正常、試飛測試亦正常。從整個故障伊始至故障排除航班恢復，延誤時間長達8 h。

FMEA是為了排除或減少妨礙系統（或產品）正常工作的故障而進行的分析方法。根據FMEA的要求，科學的分析必須建立在對系統的任務和功能、系統結構的全面和充分的理解之上。如果對系統、子系統具有的功能研究得不充分、不透徹，即便實施了該方法，也完全有可能因遺漏某些性能要求而發生故障，因而很可能達不到理想效果。

2.1 副翼控制原理

副翼控制手輪通過鋼索輸入到副翼感覺定中機構上，再傳到副翼的動力控制組件（PCU），最后由PCU移動副翼鋼索以及副翼。副翼PCU同時將位移量輸入到擾流板混合器，通過混合器再控制飛行擾流板大翼鋼索，從而控制飛行擾流板作動筒。而自動駕駛作動筒通過感覺定中組件，提供一個機械的輸入到動力控制組件PCU，然后通過PCU移動副翼機翼鋼索以及副翼PCU，同時也提供輸入到擾流板混合器。其中副翼配平電門提供一個輸入信號到副翼感覺定中組件并且改變副翼的中立位。副翼輸入軸可通過3種方式接受副翼輸入信號：①通過操作駕駛桿后鋼索的傳動到副翼控制扇形盤；②自動駕駛通過2個自動駕駛作動筒連接的輸入桿；③副翼配平電門通過副翼配平作動筒。以上3種輸入信號傳入副翼輸入軸，使得副翼輸入軸轉動，并帶動軸上的輸入桿搖臂轉動，從而使控制副翼PCU的輸入桿發生移動。而副翼感覺定中機構連接副翼輸入軸的底部，當軸轉動時副翼感覺定中機構中的2個彈簧會自然產生反饋感覺力。如圖1所示。

圖1 副翼控制原理圖Fig.1 Aileron control principle

2.2 故障現象的診斷

首先，通過對操縱駕駛盤在打壓和不打壓的情況下進行觀察，發現壓盤力比正常情況稍大、定中效果略有卡滯現象，定中軸承滾輪對故障現象有一定影響。斷開相關連接部件后，檢查發現滾輪磨損較嚴重，滾動過程中有卡滯現象，但隔離故障后，嘗試調節定中彈簧彈力后無明顯效果；其次，檢查傳動部件，檢查鋼索狀態，鋼索狀態正常；再次，檢查與PCU相關的作動器，經過測試，故障依舊；最后，斷開副翼感覺定中機構的所有關聯部件，做元件級別的排查工作：通過將正副駕駛盤到副翼控制扇形的副翼操縱鋼索進行隔離—排查—對比后，判定故障為定中機構輸入桿軸承是故障源。

2.3 故障分析

機務工程人員通常使用排除法來排除故障，循環的判斷—驗證，直至找出故障。而針對比較復雜的系統，并且故障概率較低的情況來說，原有的排故方法就很難達到效果。特別是故障間歇性地出現，同時有些故障的位置又難以接近，這樣的故障因在日常維護過程中很難檢查到而不能及時地發現和徹底地排除。

若將FMEA分析法應用到此類排故工作中可創造出一種嶄新的排故方法?，F在就利用該方法對故障進行一系列的分析：

1）根據上述原理以及對故障現象的分析可初步劃分副翼操縱系統、鋼索、PCU和定中機構4個模塊，這些模塊均可能與故障的產生有關。

2）根據所列舉出的各部分及其子部件的邏輯關系制作可靠性框圖，如圖2所示。

圖2 系統可靠性框圖Fig.2 Block diagram of system reliability

3）為了分析定中機構故障模式的影響，必須對其進行約定層次的定義，如圖3所示。

圖3 系統約定層次圖Fig.3 System convention level

4）嚴重度定義

故障模式所產生影響的嚴重程度。嚴重度類別是給系統或部件故障造成的最壞影響規定一個量度。如果全面分析直到部件級的一切可能的故障模式及其原因，可以獲得完整的信息但耗費大量的時間，因此通過嚴重度指數判斷哪些系統或部件需要作出進一步分析應該是一個便捷的方法[2]，如表1所示。

表1 嚴重度評價標準Tab.1 Severity of evaluation criteria

5）故障發生率

發生率是描述出現可能性的級別具有相對意義，而不是絕對的數值[3]，如表2所示。概率值由一個10分值標準來描述。通過維修方案設計變更或設計過程變更來預防或控制故障模式的原因/機理是可能使頻率數降低的唯一途徑。本文例舉的故障情況的發生率為2或3級。

表2 故障發生率的辨別標準Tab.2 Identify standard of failure rate

6）不易探測度

在采取現行的控制方法實施控制時，故障可被查出的難易程度。不易探測度一般使用統計法，通過相關技術人員的排故經驗綜合評定每一個故障的不易檢測度等級，為了盡量接近實際數據，一般綜合多個技術人員的評分，取平均值，如表3所示。

表3 不易探測度等級定義表Tab.3 Level definition of difficult to detect

由排故過程可知，副翼定中機構軸承造成卡滯現象屬于等級3。

7）風險優先數（RPN）

RPN是每個故障模式可能發生的危險程度，其值是用于對有可能出現的故障模式進行排序。針對高的RPN值，需提出改進建議并采取措施來降低RPN，這些措施要形成工作計劃并實施和驗證[4]。RPN值等于嚴重度、發生率、不易探測度的值的乘積。通過RPN值可以給該類故障做出其危害影響的定義，并可根據該部件的可靠性制定相應的檢查周期?？梢酝ㄟ^以下各點作為參考[2]：

a）風險優先數越大的故障模式越應該受到重視。通過RPN給出的值排序，使得對故障模式的定性評估向定量評估轉變。采取的措施首先要針對危險優先數高的故障模式，然后是次高的，依次實施。某一特定的故障模式的RPN在采取措施后得到了降低，降低后的RPN應成為后續產品FMEA的參考數據。

b）在嚴重度高的故障模式中，屬于安全法規規定的項目全部是安全保證特性的內容。糾正措施后，應重新評價發生率、嚴重度和不易探測度數，并計算糾正后的RPN值且填入表中。這也是一個不斷改進、減少缺陷的過程，如表4所示。

表4 飛機副翼感覺定中機構故障模式及影響分析Tab.4 Research of aircraft aileron feel and centering unit on FMEA

3 結語

由于此類故障屬于故障率較低的復雜系統，故障又具有間歇性出現的特點，同時日常的維護檢查工作又難以觸及，致使此類故障排故工作時間較長，造成延誤航班時間。該故障現象的發現和排除，通過FMEA理論分析是最佳方法。該法適用于各種機型飛機故障的排除，有一定的推廣價值，各航空公司可利用此法，組織有針對性的專業培訓，制定相應的檢查方法以及合理的維修方案。此法的實施，可以有效地節約維修時間，提高維修效率，將給各航空公司帶來豐厚的經濟和社會效益。

[1] 王紹印.故障模式和影響分析（FMEA）[M].廣州：中山大學出版社，2003.

[2] 盧明銀，徐人平.系統可靠性[M].北京：機械工業出版社，2008.

[3]KATSUSHIGE ONODERA.FMEA的實際應用及有效分析技術[C]//第三屆國際可靠性、維修性、安全性會議，廣州，1997：12-19.

[4] 胡 濤，俞 建，董 鵬.基于功能建模的復雜系統FMEA方法研究[C]//中國電子學會可靠性分會第十四屆學術年會，?？?，2008：33-54.