故障树推理在无人机发动机故障分析中的应用

故障树推理以故障作为顶事件，找到所有能够引起该故障的原因，直到底事件完成为止。通过分析诱发顶事件全部的可能性，可有针对性地高效排除故障。根据无人机发动机组成和工作原理，采用故障树推理，以发动机故障为顶事件建立故障树，分析诱发发动机故障的所有可能性，对发动机故障的原因进行排查与定位，同时查出存在的薄弱环节，提出针对性的建议，有效规避了其它各种不可靠因素。

故障树是一种体现故障的有向图，以诊断对象最不希望发生的事件作为顶事件，按照对象的结构和功能关系逐层展开，直到不可分事件（底事件）为止。它的优点是能够实现快速诊断,知识库很容易动态修改，并能保持一致性；概率推理可在一定程度上被用于迭择规则的搜寻通道，提高诊断效率；诊断技术与领域无关，只要相应的故障树给定，就可以实现诊断。通过分析诱发顶事件全部的可能性，对故障的原因进行排查与定位；同时查找出存在的薄弱环节，提出针对性的建议，力求彻底排除故障的直接原因，有效规避其它各种不可靠因素，因此故障树推理方法在航空领域应用广泛。

故障树推理在发动机故障分析中的应用

故障现象

发动机转速为89000rpm、尾温为635℃、机上电压为14.39V、油门信号75%，紧接的下一帧数据发动机转速突然出现大幅下降：发动机转速为45500rpm、尾温变为612℃、电池电压为14.42V、油门信号75%。从根据电子控制单元(ECU)与飞控的通讯协议，电池电压信号采用了8位A/D,其信号分辨精度为0.06V，因此采集到的电池电压在0.06V范围内的变化，基本可以认为是常数，即保持不变。表1为发动机故障前后的遥测数据。

表1 故障前后遥测数据

发动机组成

发动机由电子控制单元ECU、油泵、油阀、气阀、温度传感器、转速传感器、点火器、起动电机、15V直流电源、油箱等组成，如图1所示。

飞控通过ECU控制发动机的工作，接收ECU发出的遥测信号，并将遥测信号传输给地面测控站。

故障树

图2 发动机停车故障树

导致发动机故障的因素主要有指令停车和燃烧室燃油供油中断两种方式，故障树见图2。

测试分析

通过信号发生器生成方波信号，模拟发动机上转速传感器信号，通过电位差计模拟热电偶传感器；ECU与飞控器之间的信号传输除按照正式飞行试验的情况连接外，还通过转接电缆增加了ECU与测试计算机的连接，测试计算机内新编制了测试软件，采集ECU发出的遥测信号，该信号采集传输速率为11帧数据/0.6s，比原飞控器传输给地面测试设备的信号1帧数据/0.6s快11倍，且数据中增加了驱动油泵的指令信号简称泵电压信号，该信号的数值可以直接反应油泵的转速，从而反应了供给发动机的燃油流量数值。模拟测试主要是测量ECU和油泵的运转情况，真实的发动机、转速传感器、尾温传感器、起动电机、点火器不参加试验，测试模拟正式飞行试验时飞控器、地面测试设备、ECU的工作情况。测试时的连接关系见图3。

由地面测试设备发出起动指令，ECU通过飞控器接收到起动指令后，ECU控制气阀、油阀、燃油泵工作；手动调节信号发生器输出的方波信号、电位差计输出的电压信号，使ECU工作在开环工作状态，模拟转速信号发生跳高、跳低两种异常情况下，分析ECU驱动油泵指令信号的变化情况。表2为测试项目和内容。

故障定位

（1）油阀异常关闭导致发动机停车

针对燃烧室供油中断这一因素来进行试验验证，试验配置见图4。油阀异常关闭试验是在发动机点火状态下进行的，试验前在油阀的输入信号线上安装手动开关，通过切断开关来实现油阀供电信号的通、断，试验共进行两次：第一次是发动机点火起动到大车然后转入巡航状态后切断油阀供电；第二次是在发动机点火起动到巡航状态后切断油阀供电。图4为试验配置图。

图3 测试配置图

表2 测试项目和内容

试验中发动机转速由82000rpm变化到43000rpm，转速的变化率为65000rpm/s，电池电压14.96V不变。上述两点与故障数据的特征现象吻合，同时尾温由488℃降低到469℃，其变化情况也基本吻合。因此，不能排除油阀异常关闭导致发动机停车。

油阀的异常关闭原因如下：

1）ECU接收到飞控关闭油阀指令后，一般情况下发出关闭油阀的电信号，从遥测数据看没有该信号，因此可以排除该因素；

2）ECU内部驱动油阀的电子元器件烧坏。油阀产品铭牌上的标记是6V供电110mA，实际使用是15V供电300mA，在低温下实际的供电电流可达到400mA，ECU驱动油阀的电子元器件在该电流下能否正常工作及设计余量是多少，需要仔细分析，如果电子元器件失效，将直接导致无电流输出引起油阀关闭；

3）油阀本身在给定的驱动电流下，输出的电磁力是否会由于环境因素变化而导致电磁力减小，这一点需要进一步分析；

4）电缆故障、油阀与ECU之间的电连接器松动引起电力无法直接加载到油阀上，从而引起油阀关闭，这一点无法直接排除。

5）油阀本身故障，需要对油阀的内部结构进行分析，分析其环境适应性，特别是在力学环境中振动、冲击和温度环境对其受力的影响，机械力是否存在突变情况。

综合以上分析：油阀异常关闭会导致发动机停车故障。油阀异常关闭的特征与故障特征十分接近，油阀的实际使用状况与产品铭牌上的标称有较大的出入。

（2）油泵出口到燃烧室间的燃油管路断路导致发动机停车

图4 试验配置图

油泵出口到燃烧室间的管路断路，主要是油泵出口与油阀进口之间的管路断路、油阀出口与燃烧室之间的管路断路。发动机处于巡航状态工作时，在油阀出口到发动机燃烧室之间的管路上安装两个手动开关阀，一路开关采用手动方式切断供给发动机的燃油，另一路开关采用手动方式将油泵出口的燃油排入敞口容器中。发动机转速由88500rpm变化到57000rpm，转速的变化率为52500rpm/s，电池电压保持14.23V不变，与故障数据的特征现象基本吻合；同时，尾温的变化情况也基本吻合。因此，油泵出口到燃烧室间的管路断路导致发动机空中停车的故障因素不能排除。

综上所述，发动机停车故障定位为：油阀异常关闭或油泵出口管路断路，引起供给发动机燃烧室的燃油减少或中断导致发动机不足以维持当前转速，造成发动机熄火。

机理分析

从故障数据的特征点分析，发动机转速首先发生突降，而ECU的供电电池电压基本维持不变，即油泵输出的燃油没有发生大的变化。从油阀异常关闭或油泵出口管路发生断路的时刻开始，发动机由于供油减少或中断导致发动机转速下降，尾温下降，由于发动机处于等供油量的开环工作状态，因此，ECU不需要对油泵的状态进行调整，这样电池电压可基本保持不变。这两点与故障数据的特征相似，在后续的几个采样点内，由于发动机转速的持续下降，ECU发现转速过低，实施主动停车策略，停转油泵，这样电池电压由于轻载将会发生向上跳变，这一点在故障数据和排故过程中都得到了验证。油阀异常关闭或油泵出口管路发生断路的因素可对故障做出合理解释。

建议

建议后续开展下列工作：

（1）分析ECU部件的硬件电路，特别是其中的油阀驱动电路部分；

（2）分析ECU部件内部装载的控制软件，分析ECU的控制规律、控制算法、信号采集处理方式和软件工作流程；必要时在软件上是否可采取容错处理措施；如果具备条件，应请第三方完成软件评测；

（3）油阀本身的特性（供电方面、机械力方面）需要作进一步验证分析，特别是其环境适应性方面（振动、冲击、高低温）需要进一步验证与分析。如在系统设计中必须使用电磁阀，则必需严格控制可能引起I、Ⅱ类故障发生的因素，必要时需采取冗余设计措施提高系统可靠性；

（4）ECU的电连接器选型应优先选用航空产品，电缆需严格按照制造验收技术要求，进行屏蔽设计、生产、加工、验收、测试、安装。机上电缆与电子产品正确连接后，应采取防松措施（如打锁丝），防止电连接器出现接触不良现象；

（5）地面遥测数据码速率偏低，无法反映发动机的真实工作情况，建议提高遥测数据码速率，增加发动机转速、油泵驱动电压等遥测参数，新增油泵进出口油压传感器检测点；

（6）该型发动机巡航状态的控制规律采用了等供油量开环控制，没有采取转速闭环控制，本身的抗干扰能力差，特别是在发动机物理转速发生变化情况或发动机进气条件发生变化时，实际供给发动机的燃油不做调整，会导致发动机的油气比失当，情况严重时会造成富油或贫油熄火，建议全程采用转速闭环控制。

结束语

通过采用故障树推理，以发动机停车为顶事件建立故障树，分析诱发顶事件全部可能性，对故障的原因进行排查与定位；同时查找出存在的薄弱环节，提出针对性的建议，有效规避其它各种不可靠因素。

（参考文献：略。如有需要，请联系编辑部。）