航空發(fā)動機(jī)振動故障監(jiān)控智能化

高金吉

(北京化工大學(xué) 發(fā)動機(jī)健康監(jiān)控及網(wǎng)絡(luò)化教育部重點實驗室，北京 100029)

我國軍用航空發(fā)動機(jī)振動問題十分突出，其故障因果關(guān)系錯綜復(fù)雜難以診斷，是困擾設(shè)計、研制、生產(chǎn)和使用新一代發(fā)動機(jī)的瓶頸。

一方面，發(fā)動機(jī)研制過程振動故障定因、定位困難。據(jù)某發(fā)動機(jī)研究所統(tǒng)計，診斷占排故時間的80%左右，某型號發(fā)動機(jī)研制過程中發(fā)生200多起故障，振動問題制約研制進(jìn)度，曾因軸承故障導(dǎo)致發(fā)動機(jī)損毀事故。另一方面，振動故障分析缺乏高質(zhì)量數(shù)據(jù)支撐。發(fā)動機(jī)振動超標(biāo)原因難以準(zhǔn)確判定，如采用瓦吉姆測試軸承故障，誤判率達(dá)60%以上，導(dǎo)致大量發(fā)動機(jī)提前返廠。航空發(fā)動機(jī)振動故障監(jiān)控智能化發(fā)展是快速診斷、精穩(wěn)調(diào)控的基礎(chǔ)。

北京化工大學(xué)診斷與自愈工程研究中心于 2001年創(chuàng)建，并獲批發(fā)動機(jī)健康監(jiān)控及網(wǎng)絡(luò)化教育部重點實驗室、高端機(jī)械裝備健康監(jiān)控與自愈化北京市重點實驗室。自2011年開始，連續(xù)獲得教育部、國防科工局等部委項目資助。北化工團(tuán)隊在編人員19人，全部具有博士學(xué)位，致力于故障診斷與健康監(jiān)測研究，針對發(fā)動機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、柴油機(jī)等研發(fā)了系列化健康監(jiān)測系統(tǒng)，并得到了廣泛應(yīng)用。

1 高質(zhì)量的數(shù)據(jù)采集是發(fā)動機(jī)振動故障監(jiān)控的關(guān)鍵

1.1 航空發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)采集獲取與振動故障監(jiān)控國內(nèi)外現(xiàn)狀

國內(nèi)缺乏高質(zhì)量大數(shù)據(jù)支撐，專家溯源診斷及排故難度大。一是機(jī)載監(jiān)測系統(tǒng)比較落后，如某型號飛機(jī)發(fā)動機(jī)只有一個低頻速度傳感器，測不到中高頻信息，難以預(yù)警和故障診斷；二是監(jiān)測參數(shù)不同步，體現(xiàn)在性能、振動、油液多種監(jiān)測參數(shù)分別在不同的平臺上單獨采集，同步分析難；三是試車臺多采用 BK等國外監(jiān)測儀器，這些儀器都不是實時在線設(shè)計的，存在存儲數(shù)據(jù)回溯檢索難、無法開發(fā)診斷功能軟件等問題；四是發(fā)動機(jī)故障診斷數(shù)據(jù)采集分析帶寬不夠，體現(xiàn)在中高頻段故障信號特征丟失的問題。

相比而言，歐美國家早在20世紀(jì)70年代就已經(jīng)擁有航空發(fā)動機(jī)機(jī)載故障監(jiān)測診斷系統(tǒng)。上世紀(jì) 90年代起，瑞士Vibrometer振動監(jiān)測系統(tǒng)在歐美發(fā)動機(jī)上都獲得了使用。

1.2 中國相關(guān)SCI論文數(shù)量雖然世界第一，但研究成果遠(yuǎn)未滿足發(fā)動機(jī)重大需求

歐美航空發(fā)動機(jī)于 20世紀(jì)七八十年代應(yīng)用振動健康監(jiān)控系統(tǒng)，我國工業(yè)動力機(jī)械也于80年代開始應(yīng)用，但軍用發(fā)動機(jī)振動監(jiān)測診斷與控制起步較晚。近年來我國航空發(fā)動機(jī)診斷方面投入了大量的資源，高等院校也在持續(xù)研究。根據(jù)2012—2017年統(tǒng)計數(shù)據(jù)，在故障與診斷方面中國的SCI論文篇數(shù)占全世界總數(shù)的49%，美國僅占10%左右；在航空發(fā)動機(jī)與故障或診斷方面中國的SCI論文篇數(shù)占全世界總數(shù)的79%，如圖1所示(數(shù)據(jù)來源：Web of Science核心數(shù)據(jù)庫)。

圖1 中國SCI論文數(shù)量占全世界比例

雖然SCI論文數(shù)量世界第一，但研究成果遠(yuǎn)未滿足發(fā)動機(jī)監(jiān)測診斷的重大需求。我們不能僅僅是投入了大量的人力，寫了很多文章給外國人看和引用，而更重要的是將理論研究與工程結(jié)合，將研究成果實際應(yīng)用到工程之中。

1.3 航空發(fā)動機(jī)試車復(fù)雜環(huán)境復(fù)雜工況振動響應(yīng)數(shù)據(jù)是寶貴資源

航空發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，體現(xiàn)在多元激勵(轉(zhuǎn)子不平衡、不對中、氣動、熱變形、松動等)、復(fù)雜工況(高速、高溫、變轉(zhuǎn)速、變負(fù)荷、起降、爬升、俯沖等)、振動響應(yīng)復(fù)雜(振動幅值、相位、頻率、模態(tài)、瞬變、多頻、寬頻、非線性，復(fù)雜路徑，弱信號等)。另外，在發(fā)動機(jī)高空試車臺上各種工況試驗，如包容試驗、吞咽試驗、陀螺試驗等，以及各種限制環(huán)境下的振動響應(yīng)也是非常復(fù)雜的?？梢哉f，值得研究和深入探索的內(nèi)容非常多。

發(fā)動機(jī)振動隨工況環(huán)境變化有時大，有時小，有時正常。從積累的歷史數(shù)據(jù)看，70%以上的異常狀態(tài)及機(jī)械故障可通過振動形式表現(xiàn)出來。試車振動響應(yīng)數(shù)據(jù)庫是發(fā)動機(jī)異常識別和故障診斷重要依據(jù)。試車臺建設(shè)中高質(zhì)量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)至關(guān)重要。基于上述判斷，北化工團(tuán)隊與企業(yè)合作在2005年開始自主研發(fā)快速寬頻帶同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以用在試車臺，也可以用在例行監(jiān)控中的監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)得到了工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，技術(shù)指標(biāo)包括以下幾方面。

① 高頻采集，采樣頻率在200 kHz以上，支持分析頻率大于100 kHz。

② 同步采集，各種參數(shù)可以同步采集，可以判斷先后順序及因果關(guān)系。同步時間于1 μs，同步采集參數(shù)可以為100個。

③ 高動態(tài)范圍，可以500g加速度的情況下，同時監(jiān)測0.01～5000 m/s2。

④ 高采集精度，背景噪聲非常小，在100 Hz下可以測0.01 m/s2。

2 基于振動故障機(jī)理和數(shù)據(jù)驅(qū)動的智能診斷

1987年遼陽石化從美國首次引進(jìn)透平壓縮機(jī)在線模擬量振動監(jiān)測系統(tǒng)，1991年開始自主研發(fā)數(shù)字量實時監(jiān)測診斷系統(tǒng)，1995年通過FDDI局域網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測建立設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)庫，并建立了機(jī)器結(jié)構(gòu)庫和知識庫，開發(fā)應(yīng)用監(jiān)測診斷維修決策信息系統(tǒng)，10年使12臺關(guān)鍵透平機(jī)組故障停機(jī)臺次減少90%以上。

1995年開始，項目團(tuán)隊在原國家經(jīng)貿(mào)委資金支持下研究旋轉(zhuǎn)機(jī)振動故障診斷軟件包，可以通過人機(jī)對話方式診斷10類56種透平機(jī)械振動故障，在國內(nèi)20多個企業(yè)得到應(yīng)用。

2002年開始北化工團(tuán)隊進(jìn)一步開展了故障機(jī)理研究，由于振動故障征兆譜和故障原因譜對應(yīng)關(guān)系錯綜復(fù)雜，研究出監(jiān)測不同測點、時間、故障敏感參數(shù)三維度診斷原理和方法，即依據(jù)多測點振動趨勢變化，振動、工況等多參數(shù)進(jìn)行綜合診斷，編制專家系統(tǒng)實現(xiàn)自動診斷。

北化工團(tuán)隊對700多臺壓縮機(jī)上的1萬多個點進(jìn)行監(jiān)測。每天的數(shù)據(jù)是23 TB，每年數(shù)據(jù)高達(dá)八千多個TB，項目團(tuán)隊從2009年到2018年上萬TB數(shù)據(jù)的積累中，一共積累了1231個實際故障案例。在基于大數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)中，對機(jī)組群的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和研究，這樣可以把單機(jī)的經(jīng)驗和機(jī)群的數(shù)據(jù)結(jié)合起來，不斷改進(jìn)規(guī)則、完善專家系統(tǒng)，進(jìn)而提高監(jiān)測診斷的準(zhǔn)確度。從工程上實際反映出來的故障診斷準(zhǔn)確率，透平類是95%，往復(fù)類是94%，詳見表1。

可以看出，工業(yè)裝備故障數(shù)據(jù)庫對診斷排故和研發(fā)設(shè)計而言是寶貴的資源，多年來我國軍用發(fā)動機(jī)丟失大量的振動監(jiān)測和故障數(shù)據(jù)，有好多數(shù)據(jù)裝在了不同光盤里，難以檢索和在一個時間平臺上去分析，這種現(xiàn)象再也不能繼續(xù)下去了！

3 人工自愈原理與振動故障自愈調(diào)控系統(tǒng)

3.1 人工自愈原理與振動故障靶向抑制方法

德國Rolf Isermann教授提出機(jī)電一體化系統(tǒng)組成為“五塊論”(如圖2所示)，并受到國際社會的認(rèn)可。他們認(rèn)為控制功能是人類的大腦，動力功能是內(nèi)臟，傳感器功能是五官，操作功能是四肢，結(jié)構(gòu)功能是軀體。人有自愈機(jī)制，機(jī)器能不能有自愈功能，我們在國際上提出了這個觀點，并提出了自愈原理。通常機(jī)器振動、溫度超標(biāo)就自動停車，能不能通過自愈調(diào)控在運行中防止和抑制振動、溫度超標(biāo)，使機(jī)器不停機(jī)，這是重大突破。

仿生機(jī)械學(xué)對人工智能的研究大大增強(qiáng)了模仿人腦的功能，但忽略了人和動物維持自身健康的重要系統(tǒng)和功能—自愈系統(tǒng)及自愈功能。人工自愈(Artificial Self-recovery，AS)和人工智能一樣都是仿生機(jī)械學(xué)研究的領(lǐng)域。仿生機(jī)械學(xué)的新領(lǐng)域應(yīng)研究如何把自愈機(jī)制這個人和動物特有的概念賦予機(jī)器。

人工自愈是在故障機(jī)理和風(fēng)險分析的基礎(chǔ)上，仿生設(shè)計并賦予機(jī)器自發(fā)作用的、維持健康狀態(tài)的能力，使機(jī)器儲存、補充和調(diào)動自愈力以維持機(jī)體的健康狀態(tài)。這種理論與方法又有別于設(shè)備診斷與預(yù)知維修技術(shù)，是研究如何使裝備系統(tǒng)在運行中自行開展“主動控制”，即具備故障自愈功能，在運行中“自行”抑制或消除故障，或?qū)θ毕葸M(jìn)行自修復(fù)，而不是停機(jī)由人來排除故障。

我們所提出的人工自愈原理主要借鑒和移植現(xiàn)代醫(yī)學(xué)“自助調(diào)理”的治療原理，集成狀態(tài)監(jiān)測診斷技術(shù)、人工智能技術(shù)、主動和自適應(yīng)控制技術(shù)、智能結(jié)構(gòu)和自修復(fù)材料、嵌入式技術(shù)等，研究并應(yīng)用以故障預(yù)防和自消除為目標(biāo)的裝備自主調(diào)控和自修復(fù)技術(shù)，使機(jī)械裝備系統(tǒng)具備故障自愈功能。自愈調(diào)控系統(tǒng)建模仿真框圖如圖3所示。

圖3 自愈調(diào)控系統(tǒng)建模仿真

由此可以看出，人工智能就是研究使計算機(jī)可模擬人的某些思維過程的行為，去完成某一個工作任務(wù)，讓機(jī)器更聰明。人工自愈就是讓機(jī)器系統(tǒng)像人一樣具有自愈功能，確保裝備系統(tǒng)的健康狀態(tài)，實際上讓機(jī)器更健康。

圖4所示為超重力機(jī)電磁自動平衡系統(tǒng)改變質(zhì)量分布的案例。轉(zhuǎn)子不平衡振動可造成了軸承密封損傷。自動平衡系統(tǒng)可實時識別不平衡振動故障，通過智能控制器給裝在軸上的平衡盤靜環(huán)指令，靜環(huán)通過電磁脈沖可使動環(huán)改變質(zhì)量分布產(chǎn)生不平衡力來抵消轉(zhuǎn)子不平衡，可以抑制不平衡振動實現(xiàn)故障自愈。3.2 賽博物理系統(tǒng)

圖4 超重力機(jī)電磁自動平衡系統(tǒng)

在過去的幾十年里，世界發(fā)生了重大轉(zhuǎn)變。以前完全以機(jī)械和電子元器件實物形態(tài)的形式存在，越來越多地采用嵌入式系統(tǒng)和軟件的形式。通過嵌入式系統(tǒng)、軟件，把物理系統(tǒng)生產(chǎn)過程，通過互聯(lián)網(wǎng)建立成一個賽博物理系統(tǒng)，經(jīng)過對數(shù)據(jù)系統(tǒng)的分析、診斷、決策，最后來實現(xiàn)控制或者調(diào)控。

圖5 賽博物理裝備健康系統(tǒng)

如圖5所示，賽博物理裝備健康系統(tǒng)是由賽博智能運維系統(tǒng)和自愈調(diào)控系統(tǒng)構(gòu)成。前者可以進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，再進(jìn)行分析，主要靠人通過分析診斷結(jié)果來進(jìn)行排故和維護(hù)，也可以由智能聯(lián)鎖控制，這種可稱作賽博物理智能運維系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，增加自愈調(diào)控系統(tǒng)可以構(gòu)成賽博物理裝備健康系統(tǒng)。

4 航空發(fā)動機(jī)整機(jī)動平衡與自動平衡

4.1 美國自動平衡技術(shù)及其應(yīng)用

自動平衡可在發(fā)動機(jī)運行過程中通過主動控制改變轉(zhuǎn)子上平衡盤質(zhì)量分布，實時抑制轉(zhuǎn)子不平衡振動。

美國空軍自 2004年開始研究在飛機(jī)螺旋槳上安裝 LORD公司研發(fā)的自動平衡系統(tǒng)(IPBS)，2014年，在 C130運輸機(jī)上正式列裝該自動平衡系統(tǒng)。安裝系統(tǒng)后螺旋槳處振動可以降低90%。

4.2 北化工團(tuán)隊進(jìn)展情況

1979年遼陽石化團(tuán)隊開始熱風(fēng)機(jī)現(xiàn)場動平衡；1980—1990年，研究出透平壓縮機(jī)高速柔性軸系的現(xiàn)場動平衡技術(shù)，根治了振動嚴(yán)重超標(biāo)問題；1990年至今，應(yīng)用該技術(shù)為遼陽石化、陜鼓、鞍鋼等幾十臺機(jī)組排除了不平衡振動故障。

自2001年開始，北化工團(tuán)隊跟蹤美德自動平衡技術(shù)，依托重大基礎(chǔ)科研項目，建成了航空發(fā)動機(jī)螺旋槳自動平衡模擬試驗臺、發(fā)動機(jī)整機(jī)抽真空電驅(qū)試驗臺，進(jìn)行了自動平衡診斷識別與整機(jī)動平衡原理和方法研究；研究出了適合螺旋槳用輕量型平衡頭的結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了設(shè)計磁路結(jié)構(gòu)，并減小了平衡頭尺寸；同時考慮了各種飛行工況下的自動平衡原理和方法。在電磁式、噴液式、壓液式等動平衡技術(shù)取得突破，獲得和申請國家發(fā)明專利7項。其中國防專利1項授權(quán)，美國和歐盟發(fā)明專利各1項授權(quán)。基于多年的研究積累，團(tuán)隊已制定了航發(fā)振動故障監(jiān)測診斷與控制技術(shù)發(fā)展路線圖?；诠收蠙C(jī)理大數(shù)據(jù)分析的專家系統(tǒng)及智能決策系統(tǒng)將對我國航空發(fā)動機(jī)振動控制發(fā)揮一定作用。

5 結(jié)論

航空發(fā)動機(jī)故障監(jiān)控診斷是一條非常漫長的路。診斷規(guī)則是一個知識積累、完善的過程。未來航空發(fā)動機(jī)振動故障監(jiān)控智能化的目標(biāo)應(yīng)該是：

早期預(yù)警——防止事故，治未故障。溯源診斷——精準(zhǔn)排故，改進(jìn)設(shè)計。安全評估——危險告警，智能聯(lián)鎖。自愈調(diào)控——快準(zhǔn)識別，精穩(wěn)抑制。故障預(yù)測——預(yù)知維修，延長周期。

① 高質(zhì)量數(shù)據(jù)采集是振動故障監(jiān)測關(guān)鍵，發(fā)動機(jī)快速寬頻帶同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(嵌入式硬件與軟件)，可獲取大量試車、試飛和運維的狀態(tài)及故障數(shù)據(jù)寶貴資源，應(yīng)予以高度重視。

② 發(fā)動機(jī)故障機(jī)理及模擬試驗研究，應(yīng)與試車、試飛和運維狀態(tài)及故障大數(shù)據(jù)分析相結(jié)合，逐步驗證和完善診斷規(guī)則，實現(xiàn)故障早期預(yù)警和診斷智能化。

③ 地空一體網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測，是發(fā)動機(jī)實時振動監(jiān)測診斷的必然趨勢，應(yīng)改變理念，盡早決策，逐步實施。

④ 振動故障自愈調(diào)控是確保發(fā)動機(jī)健康監(jiān)測智能化的核心技術(shù)，應(yīng)加大自動平衡、振動主動控制技術(shù)開發(fā)力度。

高院士最后以兩首七律作為演講的結(jié)束。

《天夢》

軍機(jī)戰(zhàn)鷹衛(wèi)空天，心臟驅(qū)機(jī)穩(wěn)健難。

數(shù)據(jù)分析精診斷，放矢有的振消源。

神通拓展學(xué)研產(chǎn)，軍民融合闊海天。

奮起創(chuàng)新追歐美，余生甘奉夢天圓。

《?？諌魣A》

物質(zhì)能量惠人間，數(shù)據(jù)科學(xué)創(chuàng)紀(jì)元。

快準(zhǔn)識別知世界，穩(wěn)精調(diào)控?fù)Q新顏。

航機(jī)故障能防預(yù)，潛艇消聲抑振源。

老軌夜航安穩(wěn)睡，軍民融合夢遂圓。

從這兩首小詩中，我們深刻感受到了高院士矢志不移的航空報國情懷，感動于老一輩科技工作者對航空發(fā)動機(jī)事業(yè)所做的貢獻(xiàn)，也倍感使命責(zé)任重大。