航空裝備故障損傷等級(jí)的可拓精準(zhǔn)評(píng)定研究

，，

(海軍航空大學(xué)，山東 煙臺(tái) 264001)

0 引言

隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭節(jié)奏不斷加快，戰(zhàn)場環(huán)境不斷惡化，航空裝備的過疲勞使用極為頻繁，對航空裝備的性能和維修保障的要求也越來越高。航空裝備發(fā)生故障后，如何快速確定故障的損傷等級(jí)，在最短的時(shí)間內(nèi)合理地安排搶修計(jì)劃，對確定戰(zhàn)場搶修資源需求、提高航空裝備的戰(zhàn)場搶修能力、保持和恢復(fù)航空裝備的作戰(zhàn)能力有著非常重要的意義。

可拓學(xué)[1]是由我國學(xué)者創(chuàng)立的一門交叉學(xué)科，相關(guān)學(xué)者應(yīng)用其研究相應(yīng)領(lǐng)域問題，取得了一些研究成果，并有著較好的應(yīng)用價(jià)值。在文獻(xiàn)[1-14]的基礎(chǔ)上，本文給出了故障元的概念，以形式化描述航空裝備發(fā)生的故障。結(jié)合精準(zhǔn)度和可拓學(xué)[1]的可拓識(shí)別方法，建立了故障損傷等級(jí)的可拓精準(zhǔn)評(píng)定模型。根據(jù)建立的關(guān)聯(lián)函數(shù)，計(jì)算待判別設(shè)備與各故障元相應(yīng)特征指標(biāo)的貼近程度。通過對綜合關(guān)聯(lián)度和設(shè)備故障度的計(jì)算，確定待判別設(shè)備故障的損傷等級(jí)，為確定維修計(jì)劃，提高航空裝備的戰(zhàn)場搶修能力具有重要的指導(dǎo)意義。以某型發(fā)動(dòng)機(jī)故障為例進(jìn)行分析研究，結(jié)果表明提出的方法是可行而有效的 ,并明確了下一步需要深入研究的問題, 為最終開發(fā)完成該型發(fā)動(dòng)機(jī)故障的可拓診斷系統(tǒng)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，也為運(yùn)用可拓學(xué)相關(guān)理論與方法分析、解決航空裝備的故障[5-9]奠定了理論基礎(chǔ)。

1 故障元模型

為了利用可拓學(xué)[1]中的理論與方法研究航空裝備發(fā)生的故障，利用基元理論給出故障元的概念，以形式化描述航空裝備所發(fā)生的故障。

定義1.1 物元

稱為航空裝備發(fā)生某故障時(shí)的故障元。其中，Or表示發(fā)生的某故障，c1,c2,c3,…,cn表示該故障的判別特征，u1,u2,u3,…,un表示特征的量值或量值域。

例如，航空液壓油泵車是重要的航空地面保障裝備[2]，可產(chǎn)生液壓動(dòng)力，以完成飛機(jī)液壓系統(tǒng)及相關(guān)裝置的功能與性能檢測。飛機(jī)場站對某臺(tái)液壓油泵車進(jìn)行檢測中發(fā)現(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)某油路傳感器信號(hào)有異常，經(jīng)過專家和技師的分析，判定此故障是柱塞卡死。

經(jīng)過分析歷史積累的數(shù)據(jù)，結(jié)合專家組的經(jīng)驗(yàn)、意見，參考維修資料，建立此故障的簡單故障元[1]模型為:

B=(Or，C，U)=

2 航空裝備故障損傷等級(jí)的可拓評(píng)定方法

2.1 流程圖

航空裝備故障損傷等級(jí)可拓評(píng)定的流程如圖1。

圖1 航空裝備故障損傷等級(jí)可拓評(píng)定的流程

2.2 航空裝備故障損傷等級(jí)可拓評(píng)定的步驟

2.2.1 提取判別特征

不同的故障有不同的判定標(biāo)準(zhǔn)及判定特征。在診斷航空裝備故障損傷等級(jí)[3-7]時(shí)，要根據(jù)不同的特征參數(shù)進(jìn)行評(píng)定。根據(jù)歷史維修經(jīng)驗(yàn)、專業(yè)資料等提取出航空裝備故障損傷等級(jí)評(píng)定的判別特征c1,c2,c3,…,cn。

2.2.2 建立損傷等級(jí)的故障元模型

確定故障的損失等級(jí)十分必要，要根據(jù)不同的故障損失等級(jí)，制定最后的維修方案。在故障判別特征的基礎(chǔ)上，根據(jù)專家組及維修技師的經(jīng)驗(yàn)、意見，將航空裝備發(fā)生的某種故障分為m個(gè)損傷等級(jí)，并用故障元模型描述為:

其中:Obi(i=1,2,…,m)為該故障損傷的m個(gè)等級(jí)，cj(j=1,2,…,n)為提取的n個(gè)故障判別特征，Vij=，(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)為判別特征cj(j=1,2,…,n)關(guān)于該故障損傷等級(jí)i的量值域，即經(jīng)典域[1]。

2.2.3 建立待評(píng)定航空裝備故障的現(xiàn)狀故障元模型

通過儀器、儀表等，監(jiān)測得到的診斷數(shù)據(jù)，結(jié)合機(jī)務(wù)保障人員的經(jīng)驗(yàn)、意見，建立待評(píng)定航空裝備故障Eb的現(xiàn)狀故障元[1]模型為:

其中:v1,v2,v3,…,vn為航空裝備故障關(guān)于判別特征c1,c2,c3,…,cn的量值。

2.2.4 確定判別特征量值的精準(zhǔn)度

判別特征量值v1,v2,v3,…,vn的精準(zhǔn)與否，對最后的評(píng)定結(jié)果起著決定性的影響。以精準(zhǔn)度來表示v1,v2,v3,…,vn的精準(zhǔn)程度，通過層次分析法[9]，確定精準(zhǔn)度，記為α=(α1,α2,α3,…,αn)，αj∈[0,1],(j=1,2,…,n)，量值越大，表示精準(zhǔn)度越高。

2.2.5 計(jì)算關(guān)聯(lián)度函數(shù)值

(1)

(2)

(3)

將2.2.3中確定的各判別特征的量值代入相應(yīng)的關(guān)聯(lián)度函數(shù)中，以計(jì)算出相應(yīng)的關(guān)聯(lián)函數(shù)值。

2.2.6 計(jì)算權(quán)系數(shù)

2.2.7 計(jì)算故障度，確定故障損傷等級(jí)

考慮判別特征的權(quán)系數(shù)及判別特征量值精確度的基礎(chǔ)上，建立故障損失等級(jí)判定的綜合優(yōu)度公式為:

(i=1,2,…,m)

(4)

將待評(píng)定故障相應(yīng)的量值代入公式(4)中，計(jì)算出航空裝備故障Eb關(guān)于故障損傷等級(jí)i的故障度為λi(Eb)。

決策者依據(jù)判定的故障損傷等級(jí)，確定最終的維修方案，安排合適的機(jī)務(wù)維修、保障人員及維修設(shè)施設(shè)備，對發(fā)生的故障進(jìn)行維修。

3 應(yīng)用實(shí)例

艦面定檢狀態(tài)下，確定某型號(hào)飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)已發(fā)生故障。現(xiàn)利用本文方法評(píng)定該故障的損傷等級(jí)，為機(jī)務(wù)維修保障人員選擇適當(dāng)維修方案提供參考依據(jù)。

根據(jù)該型發(fā)動(dòng)機(jī)的故障診斷數(shù)據(jù)庫[11-14]，結(jié)合檢測設(shè)備的綜合檢測，專家和機(jī)務(wù)技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)、意見，確定該飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生了故障A。經(jīng)過診斷，提取該故障的4個(gè)判定特征，分別為高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速c1、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口總溫c2、滑油壓力c3和發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)閘振動(dòng)值c4。將故障A的損傷分為4個(gè)等級(jí)，并用故障元模型刻畫為:

其中，各損傷等級(jí)關(guān)于各判別特征的經(jīng)典域數(shù)據(jù)已經(jīng)過數(shù)量級(jí)處理。

故障A損傷等級(jí)節(jié)域的故障元模型為:

經(jīng)過監(jiān)測設(shè)備檢測，并結(jié)合機(jī)務(wù)保障人員的經(jīng)驗(yàn)、意見，確定該發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)于故障A的4個(gè)判別特征的量值v1,v2,v3,v4分別為57，4.3，2.6，2.8，量值的精準(zhǔn)度α=(α1,α2,α3,α4)=(0.98,0.99,0.98,0.97)。運(yùn)用層次分析方法計(jì)算出4個(gè)判別特征的權(quán)系數(shù)為:δ=(δ1,δ2,δ3,δ4)=(0.35,0.15,0.2,0.3)。

根據(jù)判別特征、精準(zhǔn)度、權(quán)系數(shù)的量值及公式(1)～(4)，通過Matelab計(jì)算機(jī)編程，計(jì)算出各故障的關(guān)聯(lián)函數(shù)值、故障度，并得到該故障損傷等級(jí)的仿真圖，如圖2。

圖2 飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)故障A的損傷等級(jí)仿真

從仿真圖2中可見，該飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)故障A的損傷等級(jí)為3級(jí)的可能性最大。決策者根據(jù)該判定結(jié)果，可以為確定最后的維修方案提供理論數(shù)據(jù)參考依據(jù)。

4 結(jié)束語

本文將可拓學(xué)中的相關(guān)理論與方法應(yīng)用于航空裝備故障診斷中，提出了一種航空裝備故障損失等級(jí)的可拓精準(zhǔn)判定方法。利用可拓學(xué)基元理論給出了故障元的概念，形式化描述航空裝備發(fā)生的故障。利用可拓學(xué)的可拓識(shí)別方法對航空裝備故障損傷等級(jí)的評(píng)定進(jìn)行研究，能對航空裝備所發(fā)生故障的損傷等級(jí)進(jìn)行準(zhǔn)確定量化地評(píng)定。為機(jī)務(wù)保障人員確定最后的維修方案提供理論依據(jù)。但限于篇幅原因，提取的故障判別特征不夠細(xì)化，定性判別特征的定量化數(shù)據(jù)處理不夠，節(jié)域及經(jīng)典域量值的確定缺乏足夠多的數(shù)據(jù)支撐。下一步，將根據(jù)該型發(fā)動(dòng)機(jī)累計(jì)的故障庫數(shù)據(jù)，對上述問題進(jìn)行充分的挖掘研究。為最終開發(fā)完成該型發(fā)動(dòng)機(jī)故障的可拓診斷系統(tǒng)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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4 結(jié)束語

本文對民用直升機(jī)噪聲適航合格審定噪聲符合性驗(yàn)證噪聲測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)背景、設(shè)計(jì)過程及應(yīng)用情況作了簡要介紹，試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法可行高效，與傳統(tǒng)試驗(yàn)方法相比，因?yàn)槟軌颥F(xiàn)場判斷試驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性，所以可以減少不必要的備份飛行架次，更不需要重復(fù)試驗(yàn)，大大提高工作效率和經(jīng)濟(jì)效益。但該系統(tǒng)還有許多不夠完善的地方，需要在以下幾個(gè)方面加以改進(jìn)：

1)隨著計(jì)算機(jī)、測試設(shè)備的不斷發(fā)展，一般設(shè)備都具備總線通訊功能，可以考慮將相關(guān)輔助測試設(shè)備，如大氣環(huán)境、軌跡測量設(shè)備接入測控系統(tǒng)計(jì)算機(jī)，試驗(yàn)過程中自動(dòng)得到相關(guān)數(shù)據(jù)；

2)通過遙測系統(tǒng)[13]，將相關(guān)機(jī)載信號(hào)直接接入測控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)得到相關(guān)數(shù)據(jù)；

3)開發(fā)氣象、軌跡等偏差修正程序，集成到測量系統(tǒng)，現(xiàn)場即可得到最終試驗(yàn)結(jié)果；

4)制作使用手冊，指導(dǎo)整個(gè)試驗(yàn)，降低一般試驗(yàn)技術(shù)人員對適航條例學(xué)習(xí)要求，提高工作效率。

該系統(tǒng)雖然是針對直升機(jī)開發(fā)的，根據(jù)適航條例要求，對該系統(tǒng)做相應(yīng)修改，也可以作為其它航空器噪聲適航合格審定使用。

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