航空發(fā)動機(jī)健康管理系統(tǒng)功能架構(gòu)

健康管理技術(shù)不僅能夠?qū)Πl(fā)動機(jī)的各個截面的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測和故障診斷，同時具有趨勢預(yù)測和發(fā)動機(jī)全生命周期管理的功能。發(fā)動機(jī)健康管理技術(shù)實(shí)現(xiàn)了從傳統(tǒng)的定期維修方式到視情維修乃至預(yù)測維修的轉(zhuǎn)變，成為發(fā)動機(jī)安全性、可靠性的必要保障措施。

航空發(fā)動機(jī)狀態(tài)監(jiān)視和故障診斷系統(tǒng)的研究始于20世紀(jì)60年代末，70年代開始在民用發(fā)動機(jī)上應(yīng)用，并成功地提高了飛行安全和航班運(yùn)營效率。波音777、 波 音747-400、A320、A330等機(jī)型都配備了飛機(jī)健康管理（Aircraft Health Management，AHM）系統(tǒng)，均具有發(fā)動機(jī)健康管理（Engine Health Management，EHM）功能;目前波音787、A380配裝的GEnx、遄達(dá)900等發(fā)動機(jī)均配備了獨(dú)立的發(fā)動機(jī)健康管理系統(tǒng)。從使用效果來看，民用飛機(jī)（如波音747、波音777等機(jī)型）采用的健康管理技術(shù)可降低20%的維修成本，可使航空公司節(jié)省約25%的因航班延誤或取消而導(dǎo)致的費(fèi)用。

發(fā)動機(jī)健康管理系統(tǒng)需求分析

健康管理系統(tǒng)定義及作用

健康管理系統(tǒng)起源于狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，由早期的重點(diǎn)參數(shù)監(jiān)測和回放功能轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)在的實(shí)時狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、趨勢分析、壽命管理與維修決策支持等功能。

發(fā)動機(jī)健康管理是指通過獲取發(fā)動機(jī)相關(guān)數(shù)據(jù)信息，對發(fā)動機(jī)整機(jī)、各系統(tǒng)和部件進(jìn)行綜合監(jiān)測分析，評估發(fā)動機(jī)的健康狀態(tài)并提出維修建議，以實(shí)現(xiàn)對發(fā)動機(jī)的視情維修。

健康管理系統(tǒng)的重點(diǎn)是將各種算法和智能模型以及先進(jìn)的傳感器集成在一起，用于預(yù)測、診斷、監(jiān)控和管理發(fā)動機(jī)狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)維修思想和維修策略的轉(zhuǎn)變：一是維修思想從以預(yù)防為主向以可靠性為中心進(jìn)行轉(zhuǎn)變，由傳統(tǒng)的基于傳感器的故障診斷向基于智能系統(tǒng)的預(yù)測發(fā)動機(jī)狀態(tài)的轉(zhuǎn)變；二是維修策略從定時維修向視情維修轉(zhuǎn)變，由事后維修和定期維修向基于狀態(tài)的視情維修及預(yù)測維修轉(zhuǎn)換。

健康管理系統(tǒng)需求分析

發(fā)動機(jī)的性能在不斷提升，結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，對發(fā)動機(jī)的可靠性和維修性提出了更高的要求。實(shí)際上，不論發(fā)動機(jī)的設(shè)計、材料和工藝水平，還是使用、維修的管理水平都不能保證發(fā)動機(jī)在使用中不出現(xiàn)故障。因此，用戶對發(fā)動機(jī)的供應(yīng)方提出了健康管理的需求。

健康管理系統(tǒng)的主要目標(biāo)是發(fā)動機(jī)的安全性、可靠性和維修性，健康管理系統(tǒng)是發(fā)動機(jī)從定期維修向視情維修轉(zhuǎn)變和零部件視情生產(chǎn)的基礎(chǔ)。

從使用目標(biāo)角度，配備發(fā)動機(jī)健康管理系統(tǒng)應(yīng)該達(dá)到以下目標(biāo)：有效提高發(fā)動機(jī)的安全性和可靠性；延長發(fā)動機(jī)使用壽命；提高發(fā)動機(jī)的使用效率；降低維修成本；具備支持維修編制計劃和安排維修日程。

從功能角度出發(fā)，健康管理系統(tǒng)在設(shè)計時提出了以下需求：航空發(fā)動機(jī)在工作狀態(tài)下能夠?qū)Πl(fā)動機(jī)各個截面、各個工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)異常或失效情況；健康管理系統(tǒng)應(yīng)能夠?qū)Πl(fā)動機(jī)異常和失效進(jìn)行分析，對未來可能發(fā)生的故障進(jìn)行提前預(yù)警并給出分析信息；健康管理系統(tǒng)應(yīng)對發(fā)動機(jī)各部分機(jī)械結(jié)構(gòu)的情況進(jìn)行記錄和監(jiān)控，便于視情維修的實(shí)現(xiàn)；健康管理系統(tǒng)應(yīng)具備對發(fā)動機(jī)性能進(jìn)行評估的功能，為機(jī)務(wù)人員提供維修建議。

典型的軍用發(fā)動機(jī)健康管理系統(tǒng)

F119發(fā)動機(jī)健康管理系統(tǒng)

F119發(fā)動機(jī)的健康管理系統(tǒng)主要通過獨(dú)立的發(fā)動機(jī)健康管理監(jiān)測單元與電子控制器共同實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)的故障監(jiān)測、隔離等功能，配合地面保障設(shè)備具備實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)的趨勢分析與維修保障的功能。

F119發(fā)動機(jī)機(jī)載健康管理系統(tǒng)通過STORM模型，實(shí)現(xiàn)氣路性能監(jiān)測、振動監(jiān)測、滑油監(jiān)測和壽命管理等功能。機(jī)載健康管理系統(tǒng)具備檢測、診斷發(fā)動機(jī)故障的功能，能夠在線統(tǒng)計關(guān)鍵部件的壽命使用情況，存儲健康管理數(shù)據(jù)和維修所需數(shù)據(jù)。當(dāng)出現(xiàn)異常時，能夠向飛行員發(fā)送不同等級的告警信息。

地面系統(tǒng)主要由地面保障設(shè)備對機(jī)載數(shù)據(jù)進(jìn)行二次分析，完成關(guān)鍵部件的壽命管理，并針對故障或異常進(jìn)行維修處置。

EJ200發(fā)動機(jī)健康管理系統(tǒng)

歐洲EJ200發(fā)動機(jī)的EHM系統(tǒng)采用的也是機(jī)載系統(tǒng)和地面支持系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案，如圖1所示。機(jī)上主要功能為機(jī)內(nèi)自檢測、故障檢測、壽命消耗計算和存儲記錄；地面支持保障系統(tǒng)（如圖2所示）則完成性能關(guān)鍵參數(shù)趨勢分析、詳細(xì)的故障診斷和隔離、壽命管理、發(fā)動機(jī)機(jī)群管理以及后勤規(guī)劃等。

圖1 EJ200發(fā)動機(jī)健康管理系統(tǒng)功能與架構(gòu)

圖2 EJ200地面EHM系統(tǒng)功能

F135發(fā)動機(jī)健康管理系統(tǒng)

F135發(fā)動機(jī)配裝的健康管理系統(tǒng)被認(rèn)為是美國基于狀態(tài)維修技術(shù)的最高水平。F135發(fā)動機(jī)健康管理系統(tǒng)由機(jī)載智能實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)和地面飛機(jī)綜合管理系統(tǒng)組成，通過先進(jìn)傳感器和智能診斷算法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確檢測隔離故障功能，在診斷預(yù)測基礎(chǔ)上具備維修決策和資源管理等功能。

航空發(fā)動機(jī)健康管理系統(tǒng)功能架構(gòu)

圖3 健康管理系統(tǒng)使用模式

發(fā)動機(jī)健康管理系統(tǒng)能夠?qū)Πl(fā)動機(jī)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，自動定位已發(fā)生故障的部附件并預(yù)測潛在的故障，自動提交診斷和預(yù)測報告給飛機(jī)綜合管理系統(tǒng)，提供維修提示；逐步實(shí)現(xiàn)視情維修，減少發(fā)動機(jī)定檢及維修次數(shù)，減少維修人員工作量、備件數(shù)量及停機(jī)時間，從而減少維修費(fèi)用；最終提高發(fā)動機(jī)可靠性、維修性和保障性。

健康管理系統(tǒng)通常由機(jī)載子系統(tǒng)和地面子系統(tǒng)組成。通過獲取飛機(jī)、發(fā)動機(jī)相關(guān)數(shù)據(jù)信息，采用機(jī)載和地面健康管理算法相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)狀態(tài)監(jiān)視、故障診斷及預(yù)測、趨勢分析、壽命管理功能，機(jī)載系統(tǒng)為飛行員提供告警信息，地面系統(tǒng)為地面維修人員提供維修建議，為維修保障提供規(guī)劃。

機(jī)載子系統(tǒng)一般由機(jī)載監(jiān)測單元、專用傳感器、發(fā)動機(jī)電纜和機(jī)載健康管理軟件等組成。通過對發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)的采集、處理、分析和記錄，實(shí)現(xiàn)對發(fā)動機(jī)狀態(tài)實(shí)時監(jiān)測、故障診斷和壽命統(tǒng)計分析等功能。

地面子系統(tǒng)一般由地面數(shù)據(jù)處理計算機(jī)、數(shù)據(jù)管理中心和地面健康管理軟件組成。通過對機(jī)載系統(tǒng)記錄數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理，實(shí)現(xiàn)故障診斷、趨勢預(yù)測和壽命管理(包括關(guān)鍵件、重要件、成附件)功能，并生成發(fā)動機(jī)健康狀態(tài)報告，指導(dǎo)發(fā)動機(jī)的使用和維修。

健康管理系統(tǒng)功能

健康管理系統(tǒng)一般具備狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、趨勢分析、壽命管理、使用維修等功能。

狀態(tài)監(jiān)測功能

健康管理系統(tǒng)通過機(jī)載狀態(tài)監(jiān)視功能，分析實(shí)時獲取的發(fā)動機(jī)參數(shù)，對參數(shù)與機(jī)載發(fā)動機(jī)模型或門限值進(jìn)行對比分析，判斷參數(shù)是否存在超限和異常增量特征，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果生成事件報告。一般包括性能監(jiān)測、滑油系統(tǒng)監(jiān)測、振動監(jiān)測、控制系統(tǒng)監(jiān)測。

故障診斷功能

故障診斷功能一般是由機(jī)載和地面故障診斷算法共同實(shí)現(xiàn)。機(jī)載故障診斷功能通過特征提取算法對參數(shù)實(shí)時分析，提取超限特征和增量異常特征，并將參數(shù)異常特征與部件、系統(tǒng)故障模式的參數(shù)權(quán)值進(jìn)行實(shí)時匹配，計算故障概率，生成機(jī)載故障報告。

在飛行結(jié)束后，地面系統(tǒng)將根據(jù)下載的機(jī)載數(shù)據(jù)，采用基于發(fā)動機(jī)數(shù)學(xué)模型診斷算法、智能故障診斷算法（神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)）或基于歷史數(shù)據(jù)的故障診斷算法（貝葉斯故障診斷網(wǎng)絡(luò)）等算法，進(jìn)行綜合診斷分析，輸出維修報告以指導(dǎo)維修人員的操作。

趨勢分析功能

趨勢分析通常分為短時趨勢分析和長期趨勢分析兩種。短時趨勢分析算法實(shí)時判斷參數(shù)異常增量特征，為機(jī)載狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷提供數(shù)據(jù)分析結(jié)果；長期趨勢分析主要是側(cè)重于發(fā)動機(jī)性能參數(shù)分析。在機(jī)載系統(tǒng)中，通過趨勢分析參數(shù)提取算法，提取特定條件下的性能參數(shù)，并記錄趨勢數(shù)據(jù)。在地面系統(tǒng)中，按架次和時間繪制趨勢數(shù)據(jù)圖，與發(fā)動機(jī)模型進(jìn)行對比，分析發(fā)動機(jī)性能衰減狀況，為地面維修和保障資源規(guī)劃提供依據(jù)。

壽命管理功能

在機(jī)載狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)日歷壽命累計、統(tǒng)計發(fā)動機(jī)一類、二類循環(huán)，生成壽命統(tǒng)計報告。這些結(jié)果將在飛行結(jié)束后傳輸給地面，在地面健康管理系統(tǒng)中根據(jù)發(fā)動機(jī)時壽件清單，采用雨流計數(shù)法或低循環(huán)疲勞壽命消耗模型等算法，對發(fā)動機(jī)關(guān)鍵和重要件剩余壽命進(jìn)行計算，生成壽命消耗報告，并根據(jù)壽命消耗速率，預(yù)計維修時間，為發(fā)動機(jī)維修準(zhǔn)備工作提供支持。

使用維修功能

在地面系統(tǒng)中，將機(jī)載和地面各種健康管理分析算法生成的信息進(jìn)行融合，生成綜合檢查、維護(hù)和修理綜合報告，評估發(fā)動機(jī)的健康狀態(tài)，提出維修建議，并通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給維修廠、備件中心等部門，進(jìn)行維修前的準(zhǔn)備。同時，健康管理地面分系統(tǒng)還根據(jù)發(fā)動機(jī)健康狀況，對發(fā)動機(jī)進(jìn)行維修排隊，為飛機(jī)換發(fā)、發(fā)動機(jī)維修提供支持，從而保證發(fā)動機(jī)安全可靠的運(yùn)行，提高維修效率，提高飛機(jī)出勤率。

健康管理系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

健康管理系統(tǒng)不僅涉及發(fā)動機(jī)的多個學(xué)科，而且包含很多方面的技術(shù)，如傳感器、數(shù)據(jù)管理、各種建模方法和算法、信息融合、預(yù)測技術(shù)等。

滑油狀態(tài)在線檢測技術(shù)

航空發(fā)動機(jī)主軸承在苛刻的載荷、轉(zhuǎn)速和溫度下工作。通常，軸承部件在10～100h內(nèi)就能從初始裂紋迅速發(fā)展為災(zāi)難性失效，有時這個過程僅為幾個小時。而且，主軸承的失效往往會對發(fā)動機(jī)引起二次損傷。因此，需要對軸承剝落的金屬屑末進(jìn)行連續(xù)監(jiān)視，以提前探測失效的發(fā)生，保證發(fā)動機(jī)的安全。因此，滑油金屬屑末檢測傳感器、滑油成分監(jiān)測傳感器以及監(jiān)測技術(shù)成為健康管理系統(tǒng)重要傳感器和關(guān)鍵技術(shù)之一。

進(jìn)出口工質(zhì)檢測傳感器技術(shù)

航空發(fā)動機(jī)經(jīng)常會吸入各種物體，大部分是無損傷的（如昆蟲和葉子），有些則是有損傷的（如石頭和鉚釘）。因此設(shè)置一個探測吞咽物體的系統(tǒng)是非常重要的，它能夠識別無損傷和有損傷屑末。利用進(jìn)出口工質(zhì)檢測傳感器在線監(jiān)測進(jìn)出口是否存在異物，可以預(yù)測吸入的后果。該傳感器可以提高發(fā)動機(jī)運(yùn)行安全。

氣路故障診斷技術(shù)

發(fā)動機(jī)氣路的失效或故障大多數(shù)都會在發(fā)動機(jī)氣路的氣動熱力參數(shù)和性能參數(shù)上有所反映，發(fā)動機(jī)氣路狀態(tài)監(jiān)視、故障診斷及性能趨勢分析是通過利用所測得的發(fā)動機(jī)氣動熱力參數(shù)、性能參數(shù)和幾何可調(diào)部件的位置參數(shù)，從熱力性能角度出發(fā)，分析發(fā)動機(jī)運(yùn)行所處在的工作狀態(tài)、發(fā)動機(jī)故障發(fā)生的位置和原因以及對發(fā)動機(jī)氣路性能的影響。

壽命管理技術(shù)

計算發(fā)動機(jī)零部件的壽命消耗，即建立一個合適的反映零件所受載荷和零件應(yīng)力關(guān)系的壽命消耗數(shù)學(xué)模型進(jìn)行壽命使用監(jiān)測。隨著每一次飛行參數(shù)測量和處理，計算零件的壽命消耗，得到其每一次飛行的壽命消耗百分?jǐn)?shù)。零部件消耗壽命計算的主要過程是通過數(shù)據(jù)采集得到飛行剖面，經(jīng)過實(shí)時的數(shù)據(jù)處理，得到監(jiān)視零件和部位的載荷和應(yīng)力，再通過模型計算零件的壽命消耗百分?jǐn)?shù)。

壽命消耗計算模型是壽命管理技術(shù)的核心。根據(jù)發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度設(shè)計準(zhǔn)則要求及發(fā)動機(jī)設(shè)計信息，建立發(fā)動機(jī)低周疲勞消耗模型、蠕變壽命消耗模型等，并結(jié)合發(fā)動機(jī)的材料特性精確計算發(fā)動機(jī)關(guān)鍵部件的使用消耗壽命。

信息融合技術(shù)

發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)信息從多方面獲得，包括傳感器的測量、控制系統(tǒng)產(chǎn)生的故障代碼、維修歷史記錄和組件模型等，這些數(shù)據(jù)信息之間存在非常復(fù)雜的關(guān)聯(lián)關(guān)系。要對發(fā)動機(jī)達(dá)到較為準(zhǔn)確的故障診斷和預(yù)測，就必須對健康管理系統(tǒng)中種類繁多的發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)融合管理。

結(jié)束語

健康管理系統(tǒng)已在多型發(fā)動機(jī)上得到了應(yīng)用，其發(fā)展趨勢體現(xiàn)在以下幾個方面：一是智能化，從簡單檢查/監(jiān)視向智能檢測、診斷、預(yù)診方向發(fā)展；二是綜合化，從簡單監(jiān)視向機(jī)載—地面網(wǎng)絡(luò)綜合監(jiān)視、保障方向發(fā)展；三是實(shí)時化，從事后檢查向?qū)崟r監(jiān)視、診斷、預(yù)診、視情維修和預(yù)測維修方向發(fā)展；四是通用化，從針對單一型號的系統(tǒng)架構(gòu)到開放系統(tǒng)構(gòu)架、通用軟硬件模塊方向發(fā)展。

健康管理技術(shù)是隨航空發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)、工藝、材料、傳感器技術(shù)等科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的一門多學(xué)科融合的技術(shù)，是飛機(jī)安全保障的一部分。健康管理系統(tǒng)能夠提升發(fā)動機(jī)在線監(jiān)測、診斷水平，提升發(fā)動機(jī)維修效率，保障發(fā)動機(jī)的安全、穩(wěn)定和可靠地運(yùn)行，并指導(dǎo)維修工作。健康管理技術(shù)是實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)視情維修的重要措施，是未來發(fā)展的必然趨勢。