A320空调系统典型故障及可靠性分析

A320空调系统典型故障及可靠性分析

曹阳

中国东方航空股份有限公司 上海 200335

【摘要】：随着我国国民经济不断快速发展，民航业也处于一个高速发展的阶段，飞机各系统的可靠性就越来越重要，尤其是提供旅客舒适性体验的飞机的空调系统。本文介绍了飞机空调系统研究的课题与背景以及国内的发展情况，基于可靠性维修理论针对A320飞机空调低流量控制系统故障进行分析和研究，并阐述处理方法。

【关键词】：空客A320，空调控制系统，空调低流量控制系统，座舱压力控制器，故障分析，处理方案

1 引言

空调系统是飞机环控与生命保障系统的核心。飞机座舱空调系统的最基本功能就是为了让飞机的客舱、驾驶舱、设备舱及货舱具有良好的环境参数，让飞机在各种不同的外界条件和飞行状态下，都能保证驾驶员和乘客的正常工作条件和生活环境、设备的正常工作及货物的安全。

2 现代民航空调系统典型故障

2.1 飞机空调系统典型故障

空客A320飞机空调系统的故障发生次数多并且复杂，重复性故障也经常会出现，因为每一个故障的发生都不是由于单一的部件或者子系统的问题而引发的，因此单纯靠空调系统工作分析故障的排除方法，效果不是很大。因此，我们要对空调系统工作原理进行分析，根据它发生故障的现象、维修次数和更换空调部件的次数，确定空调频繁发生故障的部件，并且总结发生的故障现象，近一步提高工程人员查找故障和维修飞机系统的速度，同时也进一步提高了航空公司的经济效益。根据东航近2015-2018年来故障更换部件统计，A320 系列飞机4类故障分别为：

(1)Cabin Pressure Controller fail（座舱压力控制器故障）故障数据总数51条。

(2)Cabin Pressure Outflow Value fail(座舱压力排气活门故障)故障数据总数12条。

(3)Cabin Pressure Control Module fail（座舱压力控制模块故障）故障数据总数1条。

(4)System Wiring failure（线路问题）故障数据总数8条。

2.2空调系统的排故手段

2.2.1“假”故障信息

此类故障信息可通过拔相应的跳开关或断电进行抹除。在很多情况下，亦可通过测试相应部件或系统抹除信息。

2.2.2 由系统内气路漏气或堵塞造成的故障

空调组件的漏气现象一般发生在管路和 ACM、冷凝器、热交换器以及再加热器等部件相连接的接头封严的地方。此外，由于冷凝器内部冷路热路隔栅容易穿孔和裂纹，造成漏气并且冷热掺混，结果降低了冷凝器自己本身的热交换的效果，从而直接影响了组件的出口温度。通常初级主热交换器、冷凝器和再加热器等容易产生堵塞的现象。

3 威布尔理论以及应用

3.1 威布尔分布的可靠度函数

产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的概率叫做产品的可靠度函数，简称可靠度，记作R(t)或者S(t)。

产品的可靠度与时间因素有关，因而与产品的寿命有关，当然，产品的寿命也是相对于一定的使用条件而言的，是指在一定的使用条件下产品具有规定功能的“持续时间"。

3.2 威布尔分布参数点的估计

由于威布尔分布的分布函数和密度函数形式比较复杂，这对参数估计带来很大麻烦，也影响了威布尔分布的实际应用，目前常用点估计方法是概率纸的方法，也称为图估计法，该方法简单、直观易懂、使用方便，但缺点是它依赖于对数据曲线的视觉审查，精确度差，效果太粗。本章讨论几种威布尔分布参数的点估计方法，这些方法构造简单、使用方便、精度较高。

4 基于威布尔分布参数估计法的低流量传感器寿命可靠性分析

4.1 平均秩次法

经验分布函数在可靠性的数据分析中占有重要比例，很重要的位置，之前的计算方法都是通过直接查中位秩表或近似中位秩公式得到，这样做得到结果的精确度不高。

……………………………………………………………(4.10)

式中，i为低流量传感器的顺序号，n为低流量传感器的数量。

我们来介绍一种方法，这种方法就是平均中位秩法。平均秩次法是用来降低经验分布函数误差的一种有效的方法，它的分析原理是，有些寿命数据不能使用平均秩或近似中位秩公式计算。例如对于一组不完全寿命的样本数据，由于某些尚未发生故障而中途停止试验的样本，以及什么时间发生故障都无法预测。但是这种情况可以用平均中位秩的方法来预测。可以根据故障样本和中止样本估计出所有可能的秩次，再求出平均秩次，将平均秩次代入近似中位秩公式，求出其经验分布函数。

可以得出：将发生低流量传感器故障时间和通过计算出来的经验分布函数，利用最小二乘参数估计法，拟合出威布尔分布模型的回归直线，从而确定出威布尔分布的形状参数和尺度参数。最后就可求出低流量传感器的可靠性。

4.2 近似中位秩公式计算经验分布函数

在实际工程中，空气低流量传感器器是一种在空调系统中常用的设备，同样也是空调系统中容易发生故障的主要零部件，尤其是在夏天，飞机空调使用频繁，这就更易造成空调系统中低流量传感器的故障。因此，更有必要对空调低流量传感器进行分析。根据经验，空气低流量传感器的寿命为浴盆曲线，它服从威布尔分布。笔者对东航空客A320飞机的空气低流量传感器故障数据的整理和归纳得到故障数据样本，即使是相同的部件，其工作的时间却不一样，而且中间跨度比较大，对分析低流量传感器的精确度提出了更高的要求。

近似中位秩公式（4.10）中i为经顺序统计后空气低流量传感器的顺序号，n为低流量传感器的数量。

采用威尔分布模型进行分析，通过对样本数据在EXAL程序处理进行可靠性线分析可得到以下线性拟合图。从图4.1中可以看到， 与 之间存在着良好的线性关系：

图4.1 线性拟合图

形状参数可以表征分布模型的失效率的变化规律，当形状参数<1说明失效率随时间没有显著增加，不属于耗损失效型。一般情况下零部件在刚开始投入使用的时候他的失效较少，随着时间的增加零件的实效率会逐渐增加。所以，对于空调低流量传感器此类故障规律的部件应该定时清洁或者拆修，以预防这些部件出现功能故障或者多重故障。形状参数越大，失效率随时间增加越快。根据这一情况，下面做空调低流量传感器故障时间的概率分布图。

读图4.1，得到威布尔分布参数α=540.91，形状参数β=1.18956。因此得出可靠度函数为：

函数图象如下：

图4.2 传感器故障时间的概率分布图

如图4.2，当该空调低流量传感器使用时间到160小时之后，部件的可靠性就已经降低到80%。但是而当空调低流量传感器使用时间达到540.91小时（特征寿命），该部件可靠性已经降低到了65%。

根据以上分析可知：

（1）空调低流量传感器在某段时间之前发生故障的可能性比较小，随着时间的推移发生故障的概率明显增加，所以较适合进行定时检修。

（2）在160小时以前发生故障的概率很小，但存在着数量比较大的清洁故障的数据，从故障数据分析中可以得到这一点，在排故时，如果低流量传感器使用时间小于150小时，则优先考虑对该部件进行检查，从而减少拆换数量，提高部件使用率，降低可控维护成本，同时提高了航空公司的经济效益。

（3）部件使用时间超过540.91小时后，部件的故障概率达到了65%，建议使用时间超过此时间后对部件进行拆修或者更换，从而以预防功能故障或者多重故障。

4.3使用泊松分布理论进行空气低流量控制器优化

作为一种常见的离散型随机变量的分布，泊松分布日益显示其重要性，成为概率论中最重要的几个分布之一。服从泊松分布的随机变量是常见的，它常与时间单位的计数过程相联系。在自然界和人们的现实生活中，经常要遇到在随机时刻出现的某种事件，我们把在随机时刻相继出现的事件所形成的序列，叫做随机事件流。若事件流具有平稳性、无后效性、普通性，则称该事件流为泊松事件流(泊松流)。

在空调系统中空气低流量控制器作为经常损坏需要休息的部件，航空公司必然会对这部分航材有一定的库存。但是我们知道飞机的航材的价格非常昂贵，因此为经济效益航空公司也不可能作大批量的库存，这样就要对座舱增压控制器库存进行合理地优化。进入修理状态的备件数量是一随机变量，其分布满足均值为E的泊松分布。所以我们可以通过泊松分布理论对于空气低流量控制器的库存提出建议：

可修理件的备件需求量满足泊松分布计算公式为：

……………………………………………（4.11）

Q — 不可修理件的备件需求量，台；

E — 可修理件的备件需求量，台；

UN — 单机件数，台；

AN — 机队的飞机架数；

MFH — 平均的每架飞机年飞行小时，h；

MTBR — 平均更换间隔，h；

MR — 平均修理时间，天；

以下为东航2018年A320机队按维修数据归纳出的参数表（表4.2）：

若A320飞机低流量控制器备件保证率分别为95%和98%，2018年其备件需求量：

查泊松表：备件保障率为95%时，空气低流量控制器备件需求量为22台；备件需求量为98%时，空气低流量控制器备件需求量为24台。

从计算的空气低流量控制器备件2018年的需求量来看，推荐如果在飞机数目不变化的情况下，明年为节约成本与保障安全同时考虑，可以将空气低流量控制器的库存数量保持在22台～24台的水平。才可以保证设备达到应有的可靠性，为航空公司避免不必要的成本损失。

5 结论

通过分析运用飞机维护手册与FIM排故手册对A320飞机空调控制系统的工作特性、结构进行分析研究，进一步了解空调系统的低流量控制器结构以及工作特性，并对东航2018年空调低流量传感器的故障数据进行精确统计。整理出空客A320飞机空调控制系统故的频发故障为：

(1)流量控制活门的开度不够；

(2)流量控制活门不正常关闭或者打不开流量控制活门；

(3)由系统内气路漏气或堵塞造成的故障；

(4)传感器、继电器故障；

(5)电子舱通风板虑，通风简虑；

(6)前舱温度控制传感器，客舱和后客舱区域温度控制器。

利用运用可靠性理论和泊松分布理论针对空客A320飞机空调增压系统中故障最为频发的座舱压力控制器进行分析研究，通过故障数据的处理以及自建故障树的分析，根据公司运营的实际情况提出如下建议：

(1)建议部件使用时间超过540小时后，拆修或者更换客舱压力控制器；

(2)建议每个部件安装使用160小时后，对其进行保养工作；

(3)建议将座舱压力控制器的库存数量保持在22台～24台的水平；

(4)机务维修人员应更认真学习《飞机维护手册》，熟练掌握《FIM排故手册》提高维护技能，充分理解故障原由，为公司节约可控成本。

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【作者简介】：曹阳（1981年12月），男，汉族，籍贯江苏昆山，助理工程师，工学学士，中国东方航空股份有限公司，研究方向：航空管理。

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