基于FTA的机载航空时钟故障定位与诊断

何贵芳 余辰

摘 要：为提高机载成品的故障定位准确性，提升维修效率，开展了基于FTA手段的机载航空时钟故障定位与诊断方法研究。通过建立机载航空时钟的FTA分解模型，确定了最小可更换单元的失效模型，以此为基础设计了故障定位诊断流程，并将经验数据引入其中，升级完善了诊断流程。通过实际测试验证，设计的故障树分析方法条理清晰，路程规范，能够指导维修人员准确发现故障原因，完成故障排查。

关键词：FTA;机载;航空时钟;故障定位;诊断

引言

航空时钟作为飞机飞行的时间显示设备，为飞行员提供着准确的实时时间和飞行时间，是飞行于空中的作战单元与地面指挥所进行时间同步的关键设备。伴随航空电子技术的发展，航空时钟已经重机械指针式升级为电子时钟，具有直观的数字显示能力，并增强了时间显示与记录功能。随着航空时钟数字化的变化，其工作原理、设备组成、可靠性模型和故障定位方法都与旧型号存在极大的不同，为飞机状态保障提出了挑战。快速故障定位，并完成故障诊断，是保证飞机状态完好的必备手段。FTA（Fault Tree Analysis，故障树分析）是一种从底层到顶层的层次分析方法，通过建立故障结果与表征对应到故障原因的映射，形成系统的、无遗漏的故障分析与定位，既可以实现科学的检测维修，还可以提升维修效率，并且积累经验，帮助后续类似故障的诊断与排除[1]。将FTA思维应用于机载航空时钟的故障定位诊断中，建立航空时钟故障树模型，建立故障现象及潜在表征与故障原因的对应关系，实现了机载航空时钟的故障流程式诊断，降低了维修的技术门槛，同时提升了维修效率，对保障飞机良好状态具有坚实的底层支撑作用，并且为飞机其他成品状态保障模式提供了探索。

1基于FTA的数显航空时钟故障定位诊断技术设计

1.1航空时钟FTA分解模型设计

故障树分析是建立在对设备的分解基础上，在元器件层级评估可能的故障概率，即失效率，形成元件故障与故障外在表征相对应的映射关系[2]。因此，首先设计航空时钟的元器件失效模型。建立设备失效分解的模型。

λ设备总失效率;α为补偿系数;Ni第i种元器件在设备中的数量;λG器件通用失效率;πQ器件通用质量系数;n设备中器件的种类总数。

在总失效率的约束条件下，根据航空时钟的元器件分类，建立分解到元器件层级的失效率模型：

λb为基本失效率;πE为环境系数，根据设备工作场景的不同取值不同;πQ为质量系数;πr为额定电流系数;πA为应用系数; 为电压应力系数;πc为结构系数。分析元器件失效模型，元器件的失效是受多方面因素影响的，因此航空时钟的故障原因不仅在器件的可靠性，还在于使用条件、应用环境，因此在设计航空时钟的故障树时，需要建立影响要素与设备故障间的因果关系。

在设备单个器件的失效预计中，采用“浴盆”曲线作为评判依据，在正常使用寿命内，按照单参数分布核算，即使用条件确定时，失效率为常数[3]。针对航空时钟所含元器件的失效模型建立故障树，根据《GJB/Z 299C-2006电子设备可靠性预计手册》，参考元器件应力分析数值，修正后可以得到器件的失效率，进而通过计算得到平均无故障时间。在设计航空时钟的故障树分解模型时，既要考虑元器件层级的故障原因，还要考虑飞机服役时长以及设备的翻修周期，两者都存在导致元器件失效的影响因素，也即航空时钟的故障成因[4]。

1.2航空时钟FT A分析流程设计

经过理论分析后，建立航空时钟的故障定位分析流程。航空时钟基于FTA分解模型的结果，在故障诊断中应按照可能发生故障的概率排序，由大到小进行逐一排查。

在流程中，最为关键的环节是“故障原因分析”与“确认故障点”，故障原因分析是建立在时钟已经出现非正常工作状态，需要排查故障的产生原因，而确认故障点则是与排查过程相对应的紧密次序关系，通过确认判断具体的故障元件[5]。在此过程中，需要根据上节中的失效率，优先排查失效率高的元器件，在大概率条件下尽快发现故障点。

在航空时钟故障维修的实践中，发现显示时间缺字和不能校时的故障现象较为常见。针对显示时间缺字问题，直观故障现象是显示错误故障，这仅是外在现象，造成显示错误故障的原因多种多样，例如显示屏在安装中受挤压导致的局部显示缺失、安装中虚焊等导致的数据传输不完整、电源供电不稳等，都会影响正常显示。不能校时也是较为严重的故障，直接影响航空时钟的功能实现，引发的原因也是多种多样，既可能是开关、按键问题，也可能是电子元器件问题，还有可能是连线问题，此外授时设备故障也会影响校时功能。因此对故障的排查流程应当建立在确定故障表征上的多因素逐一确认、排除，直至找到真实故障原因。发现故障原因是在已确定故障点的前提下，对造成故障的客观因素进行排查，例如工作电流、工作电压、接地电阻等会导致该元件失效的工作状态数据，都需要仔细核对，逐一排查。

流程最后的记录数据形成报告，是积累维修经验的关键步骤，有利于FTA分析流程的迭代提高，因此十分重要，需认真对待。对故障分析报告进行分类整理，还可以确定设备设计和加工中的薄弱环节，指导设计部门改进设计。

1.3FTA故障树分析定位方法改进

上述步骤完成了规范的航空时钟故障定位，还有改进完善的空间。在长期机载设备维修中积累的经验数据是规范故障分析流程的有益补充。就航空时钟而言，电子器件中多为阻容型器件，可靠性较高，内部电路发生故障的概率偏低，而电源接口、总线接口由于与机上其他设备交联，更易受到次生危害的影响，如机上发电机纹波变化超限、接插件连接不到位导致阻抗加大等因素改变了时钟的工作环境，容易引发接口电路的过载工作，造成故障。因此在针对数显航空时钟的故障排查中，在通过FTA故障树排定诊断流程后，还需要进行顺序微调，將接口电路的排查放在优先位置。

另一方面，由于机载环境的特殊性，信号地、电源地、屏蔽地多地共接于飞机壳体，并不是零电阻的真地，因此信号串扰现象无可避免。落实到时钟故障的诊断中，需要对时钟的接地电阻和连接方式进行检测，避免由于飞机飞行震动而产生的接地点松动，接地电阻增大，串扰信号的负面效应更多地作用于时钟，导致时钟影响因素增大，干扰正常工作环境，引发故障。

对机载设备的维修排故既要有科学合理的标准流程，还需要针对不同设备的特点有选择的变更排查次序，做到规范却不死板，才能在现场复杂的问题中快速完成故障定位与诊断。

2试验论证分析

为了验证基于FTA的机载航空时钟故障定位诊断方法的有效性，通过实际例子进行测试验证。某型机载数显航空时钟内置时钟芯片，在液晶模块上显示现时、航时、测时信息。具有备份电池实现现时保时功能;具有电量检测电路，实现电量检测和低电量提示;通过总线芯片接收符合国际标准格式的总线信号，用外部时间数据进行一键校时;接收机上“昼/夜”模式切换指令经光电耦合器隔离后进行日模式和夜模式的切换;接收机上轮载信号经光电耦合器隔离后完成航时计算显示;产品内置FLASH存储器，具有记忆功能，即产品可以记录测时、航时等参数。具有BIT自检电路可以实现SRU级故障检测;具有RS232接口可实现软件外部串口加载和维护检测功能。产品导光板上设有按键，可进行亮度调节、计时时间启动、停止、清零、航时查询、一键校时、手动对时、画面切换、故障查询。如此复杂的功能集成于有限的体积内，使用了大量的集成电路。其原理图见图1。

电路板上共计有39个器件，其中LED1～LED6为外部显示数码管，其故障现象可以直观观察到，而其余器件均包含在航空时钟壳体内部，对故障现象和故障表征不易观察到。采用FTA分析方法，对39个元器件进行分解建模，归类处理。IC1～IC6为数码管的驱动电路，IC7～IC9为显示控制电路，IC10为精度控制电路，IC12为工作模式选择电路，IC13为电源稳压电路，以上电路模块与数码管一样都属于集成电路，因此采用同样的失效率模型;J1为电源输入接口，S1～S3为触控按键，此类为按键开关的失效率模型;Y1为高精度晶振，为电路提供工作时钟，采用二极管的失效率模型;R1～R11以及C1～C8为外围稳压电路，采用电阻失效率模型。经过分类计算，失效率由高至低分别是：集成电路-触控开关-晶振-阻容元件，因此确定排查的顺序以此为基础。同时考虑到IC10的高精度要求，对环境的影响更为敏感，因此在集成电路类中优先排查IC10，其次是频繁电压通断的IC1～IC6，以及数码管。

确定排查顺序后，结合以往航空时钟维修工作经验，对承受飞行振动应力较多的电源接口接插件、以及经常使用的触控按键重点排查，并且由于这两种器件在航空时钟壳体的靠外位置，便于优先检查，因此在优先级上安排为第一轮检查。例如，针对显示缺失的故障，通过规范的故障排查流程，對液晶模块、安装焊点和装配间隙、排线导通性、电源供电、电池电量逐一排查后，确认是由于电池亏电，导致电压下降，对液晶模块的供电电压不足，液晶模块工作在欠压状态，显示内容缺失。

通过以上分析，确定了排查的顺序和关注重点，在数显航空时钟的故障维修中，形成规范的流程，在大部分情况下都可以快速发现故障点，并按照故障树关系表溯源到故障原因，大大提高了维修工作的准确性，同时规范了维修工艺，提升了维修效率。

3结束语

机载设备的维护与保养是延长飞机使用寿命的基础保障，通过研究机载成品的故障模式，探索快速、准确定位故障的诊断方法，对于提升飞机出勤率具有积极地作用。在研究故障诊断方法中，从科学原理出发，遵循规律，从事物的底层规则中寻求最优解决方案，是解决装备保障问题的正途。本文以数显航空时钟为例，通过故障树分析的方法，研究了设备的保障维修方法，即是对科学理论应用于实际问题的实践，也是以点带面探索科学、规范的装备保养技术。在实践中总结的成品故障致病因，还可以作为今后装备研发的典型案例，促进装备可靠性的稳步提升。今后还将在机载成品的修理维护中，深入的开展和探索更加合理的故障诊断方法。

参考文献：

[1]唐福军，姚金彪，邵珠君，等.某型惯性导航系统地速超差故障分析[J].航空维修与工程，2022（02）：94-96.DOI：10.19302/j.cnki.1672-0989.2022.02. 027.

[2]鲁顺，徐增丙，熊文，等.基于FMECA和FTA的旋转机械设备故障诊断方法[J].机械制造，2021，59（05）：76-81.

[3]赵华，计鑫，张胜，等.基于故障树（FTA）的重型液压机故障诊断系统设计[J].自动化与仪器仪表，2020（09）：79-83.DOI：10.14016/j.cnki.1001- 9227.2020.08.079.

[4]顾煜炯，杨楠，陈东超，等.利用故障因果信息的汽轮机故障智能诊断研究[J].噪声与振动控制，2019，39（04）：12-19.

[5]高岚，王伟涛.一种基于FTA的发射装置自动测试和故障诊断系统设计[J].计量与测试技术，2019，46（05）：20-23.DOI：10.15988/j.cnki.1004- 6941.2019.5.006.