SH-60型機(jī)綜合診斷系統(tǒng)（HIDS）的診斷和預(yù)測(cè)能力開(kāi)發(fā)

中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所 高銘澤 陳圣斌

為診斷直升機(jī)健康和跟蹤部件的使用壽命，美國(guó)海軍空戰(zhàn)中心飛機(jī)部等多個(gè)單位共同啟動(dòng)了直升機(jī)綜合診斷系統(tǒng)（HIDS）計(jì)劃，對(duì)一個(gè)原理樣機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行了開(kāi)發(fā)和試驗(yàn)。HIDS 系統(tǒng)通過(guò)精確跟蹤直升機(jī)結(jié)構(gòu)、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)部件壽命和預(yù)測(cè)早期故障，可提高直升機(jī)的可靠性，提升維修效率，大幅降低壽命周期費(fèi)用。同時(shí)，HIDS 系統(tǒng)產(chǎn)生的系統(tǒng)信息能用來(lái)指導(dǎo)基于狀態(tài)的維修工作，縮短排故時(shí)間并針對(duì)影響飛行安全的狀態(tài)向駕駛員發(fā)出告警。

該項(xiàng)目經(jīng)過(guò)供應(yīng)商競(jìng)標(biāo)和綜合技術(shù)選擇，最終確定了2 個(gè)非生產(chǎn)型的技術(shù)綜合驗(yàn)證系統(tǒng)。第一個(gè)是把可用的低風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控技術(shù)綜合成一個(gè)獨(dú)立的綜合機(jī)載系統(tǒng)，在帕塔克森特河海軍航空基地進(jìn)行飛行評(píng)估和演示/驗(yàn)證。第二個(gè)是使用新澤西州的特倫頓空軍基地獨(dú)有的，由T700 發(fā)動(dòng)機(jī)、主傳動(dòng)、減速器和全功率傳動(dòng)軸構(gòu)成的SH-60 機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，通過(guò)非常密集地植入故障試驗(yàn)記錄來(lái)評(píng)估系統(tǒng)部件診斷故障的能力。減速器的振動(dòng)監(jiān)控是直升機(jī)監(jiān)控功能中最重要的部分，因此這些故障試驗(yàn)主要集中于減速器的振動(dòng)診斷。SH-60 直升機(jī)HIDS 系統(tǒng)提供了發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)控，主傳動(dòng)和減速器的振動(dòng)和滑油監(jiān)控、軸和支撐軸承振動(dòng)監(jiān)控，飛行中的旋翼跟蹤和平衡能力。同時(shí)，HIDS 有飛行階段識(shí)別運(yùn)算律，雖然該功能不是計(jì)劃的一部分，但是有利于監(jiān)控機(jī)體結(jié)構(gòu)壽命。另外，HIDS 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)還包括先進(jìn)的滑油金屬屑監(jiān)控和發(fā)動(dòng)機(jī)氣路靜電監(jiān)控能力。

早在1995年，帕塔克森特河的海軍航空基地便在SH-60 平臺(tái)上開(kāi)始了HIDS 的使用飛行試驗(yàn)。為提高飛機(jī)安全性，還在海軍空戰(zhàn)中心飛機(jī)部的直升機(jī)傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)室（HTTF）用第二個(gè)系統(tǒng)對(duì)故障部件進(jìn)行了試驗(yàn)和特性分析。在地面實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的同時(shí)，SH-60 飛行試驗(yàn)的飛機(jī)提供了獨(dú)有的飛機(jī)機(jī)械系統(tǒng)診斷試驗(yàn)室，以便試驗(yàn)現(xiàn)有和未來(lái)出現(xiàn)的技術(shù)和方法，其中包括幾項(xiàng)小型企業(yè)創(chuàng)新研究（SBIR）診斷技術(shù)工作。HIDS計(jì)劃作為海軍基礎(chǔ)性工作，用于開(kāi)發(fā)、評(píng)估和驗(yàn)證直升機(jī)綜合診斷能力和提供高質(zhì)量的技術(shù)數(shù)據(jù)，從而支持H-53 機(jī)綜合機(jī)械診斷健康和使用監(jiān)控系統(tǒng)（IHD HDMS）和V-22 機(jī)的振動(dòng)結(jié)構(gòu)壽命和發(fā)動(dòng)機(jī)診斷（VSLED）計(jì)劃。

一、數(shù)據(jù)收集和分析

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由百路馳公司研發(fā)，可以并行32個(gè)通道的數(shù)字化的振動(dòng)和轉(zhuǎn)速表傳感器數(shù)據(jù)，利用MATLAB 的計(jì)算和可視化功能對(duì)齒輪、軸和軸承數(shù)據(jù)開(kāi)展高質(zhì)量分析。每一次實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行持續(xù)約1h，在輸入扭矩為25%～110%進(jìn)行6 次采集。

所有的振動(dòng)數(shù)據(jù)，利用百路馳公司的Auto-HUMS和Tren-HUMS 診斷程序自動(dòng)地進(jìn)行分析。Auto-HUMS將診斷算法的全部結(jié)果儲(chǔ)存到狀態(tài)指示數(shù)據(jù)庫(kù)中，通過(guò)Tren-HUMS 系統(tǒng)能給出狀態(tài)隨時(shí)間的發(fā)展趨勢(shì)，這一診斷系統(tǒng)可以報(bào)告齒輪、軸和軸承分析的大量健康指標(biāo)。軸承算法包括了基于原始和包絡(luò)振動(dòng)數(shù)據(jù)的指標(biāo)。同時(shí)，系統(tǒng)對(duì)所有原始數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)校驗(yàn)。

二、植入故障和診斷實(shí)例

HIDS 計(jì)劃曾進(jìn)行了大量的植入故障試驗(yàn)，特別是關(guān)于可靠性和安全性領(lǐng)域的問(wèn)題。此外，還成功進(jìn)行了重大故障擴(kuò)展試驗(yàn)，試驗(yàn)中使用了一個(gè)小的放電機(jī)械切口作為齒根的一個(gè)應(yīng)力口，裂紋從切口增長(zhǎng)直到在根部產(chǎn)生彎曲疲勞。該試驗(yàn)采集了從裂紋萌生到故障發(fā)生的完整數(shù)據(jù)集。故障擴(kuò)展試驗(yàn)使人們了解了故障擴(kuò)展的動(dòng)態(tài)過(guò)程，消除了其他植入故障試驗(yàn)的離散躍變特性，試驗(yàn)效果顯著。

三、基于振動(dòng)的預(yù)測(cè)

預(yù)測(cè)是一種能對(duì)故障征兆提供早期檢測(cè)對(duì)失效狀態(tài)擴(kuò)展為部件故障進(jìn)行管理和預(yù)測(cè)，并對(duì)檢測(cè)出來(lái)的早期失效進(jìn)行監(jiān)控和跟蹤。通過(guò)對(duì)早期失效擴(kuò)展的及時(shí)檢測(cè)和監(jiān)控管理，人們?cè)谌魏螘r(shí)間都能知道部件的健康狀態(tài)，并且能及時(shí)且安全地預(yù)測(cè)未來(lái)的故障事件防止其發(fā)生。

故障預(yù)測(cè)的常用方法有外推振動(dòng)頻率數(shù)據(jù)的參數(shù)統(tǒng)計(jì)和診斷指標(biāo)的趨勢(shì)分析。計(jì)劃中能夠?qū)崿F(xiàn)故障預(yù)測(cè)的關(guān)鍵是使用的傳感器、算法和診斷指標(biāo)具有足夠高的敏感度和精度，能夠識(shí)別出部件的故障征兆或早期的“小”故障。另外，為了了解故障擴(kuò)展率，還必須具有可靠的相似失效類(lèi)型的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)。只有利用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容和掌握的各種故障擴(kuò)展類(lèi)型，才能科學(xué)地設(shè)置告警閾值，對(duì)于之后的故障事件預(yù)測(cè)和診斷很重要。

四、預(yù)測(cè)實(shí)現(xiàn)的手段

要實(shí)現(xiàn)對(duì)裝備狀態(tài)的精確預(yù)測(cè)，可靠、可重現(xiàn)、高質(zhì)量的故障擴(kuò)展數(shù)據(jù)非常重要。該數(shù)據(jù)隨著部件故障產(chǎn)生但不危及安全，能夠讓人們對(duì)故障模式和特征有更深入的了解。部署健康監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)，通常是按隨機(jī)準(zhǔn)則收集所部署系統(tǒng)的故障數(shù)據(jù)。這種方法的缺點(diǎn)很明顯，失效數(shù)據(jù)是多年累計(jì)的結(jié)果，安全性只會(huì)根據(jù)實(shí)際災(zāi)難性事故數(shù)據(jù)逐步增大，由于受到機(jī)載系統(tǒng)的限制。為了縮短這一周期，人們?cè)O(shè)想在直升機(jī)傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)，相比其他實(shí)現(xiàn)的方法，這有利于提高安全性且減少誤告警。這種預(yù)先投資進(jìn)行試驗(yàn)，將節(jié)省大量時(shí)間而且提高了系統(tǒng)的有效性，防止災(zāi)難性事件發(fā)生。

五、診斷/預(yù)測(cè)實(shí)例

SH-60 機(jī)主傳動(dòng)模塊的輸入游星齒輪（P/N 70351-38104-102）是一個(gè)復(fù)雜部件，由套筒軸內(nèi)花鍵、21 齒的螺旋錐形游星齒輪和整體式滾動(dòng)軸承內(nèi)座圈組成，如圖1所示，軸承SB2205 整體滾道內(nèi)帶有散裂損傷的輸入游星齒輪。滾柱軸承SB2205 受到螺旋傘形游星齒輪徑向載荷的反作用，這一滾柱軸承有30 個(gè)滾柱，直徑為1.6cm 和節(jié)圓直徑為18.99cm 的滾柱單元。整體式座圈散裂故障是SH-60 機(jī)群中減速器動(dòng)部件拆卸最常見(jiàn)的原因。這一故障非常復(fù)雜且具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)檫@一部件故障位置處于減速器的內(nèi)部深處，并且難以檢測(cè)，如圖2所示。SH-60 機(jī)主傳動(dòng)模塊上的傳感器位置見(jiàn)圖3。

圖1 機(jī)群拆卸下來(lái)的主傳動(dòng)模塊示意圖

圖2 軸承SB2205在SH-60機(jī)主傳動(dòng)模塊中的位置圖

圖3 SH-60機(jī)主傳動(dòng)模塊上的傳感器位置圖

右側(cè)主傳感器的指示狀態(tài)在植入故障時(shí)便告警，故障消除時(shí)便恢復(fù)到正常狀態(tài)。左側(cè)主傳感器對(duì)這一故障敏感，因?yàn)樽髠鞲衅魑挥谙嗤慕Y(jié)構(gòu)箱體上，即從右側(cè)主傳感器位置繞箱體旋轉(zhuǎn)90°所在的位置。左側(cè)主傳感器作用是對(duì)右側(cè)的指示狀態(tài)進(jìn)行確認(rèn)。

統(tǒng)計(jì)參數(shù)時(shí)包絡(luò)線峰值是用于評(píng)估軸承這一失效狀態(tài)的主要指標(biāo)。影響評(píng)估結(jié)果的關(guān)鍵參數(shù)是其對(duì)應(yīng)的頻率范圍，這一頻率范圍需要通過(guò)分析和試驗(yàn)確定。在這個(gè)過(guò)程中，統(tǒng)計(jì)參數(shù)是傳感器的指示值，這不同于部件的實(shí)際值，即這些統(tǒng)計(jì)參數(shù)在軸承之間是不區(qū)分的。但是因?yàn)橛覀?cè)主傳感器的權(quán)值要高于左側(cè)主傳感器，因此人們能夠確定這一失效的位置是在右側(cè)。

在HIDS 計(jì)劃中，對(duì)軸承實(shí)施診斷的目的是識(shí)別早期發(fā)生的失效。試驗(yàn)中機(jī)群拆卸下來(lái)的失效軸承都是處于晚期階段，其散裂故障部位占整個(gè)部件約1/3。因?yàn)榇蠖鄶?shù)軸承故障的健康指標(biāo)都是用來(lái)檢測(cè)已確定的失效，所以它們沒(méi)有對(duì)這一分布缺陷產(chǎn)生告警。

HIDS 計(jì)劃采用的有效方法是同時(shí)采集和分析2 個(gè)不同傳感器的信號(hào)。這種高質(zhì)量數(shù)據(jù)和高可信度的測(cè)量分析的目的是提高診斷和降低誤告警。在試驗(yàn)之前，右側(cè)主傳感器被認(rèn)定為主傳感器，右側(cè)的輸入是輔助的，右側(cè)的輸入傳感器無(wú)法檢測(cè)這一失效。左側(cè)加速度計(jì)是分析定位的輔助傳感器，它能產(chǎn)生較好的結(jié)果。此時(shí)左側(cè)主加速度計(jì)和右側(cè)輸入與這一失效部位具有相似距離，且左側(cè)主加速度計(jì)與失效都在相同箱體位置上，那么左側(cè)主傳感器對(duì)這一特定的軸是一個(gè)好的傳感器定位，這一試驗(yàn)表明余度傳感器分析的實(shí)用性，同時(shí)表明所有通道原始振動(dòng)數(shù)據(jù)并行采集和儲(chǔ)存對(duì)于處理結(jié)果的價(jià)值。通過(guò)分析得出，對(duì)于一個(gè)特定的故障，最合適的加速度傳感器能優(yōu)化最終的診斷系統(tǒng)。

動(dòng)部件是SH-60 機(jī)群主減拆卸最常見(jiàn)的原因，只有確認(rèn)故障模式，這一部件的故障才能得以有效地診斷。SB2205 的故障從散裂失效慢慢擴(kuò)展為散裂損傷，最終將影響到內(nèi)滾道直徑完好部分。在這一過(guò)程中，金屬屑探測(cè)器只能檢測(cè)到減速器某個(gè)地方的故障并實(shí)現(xiàn)故障告警，但不能給出故障的位置或故障的嚴(yán)重性。然而基于模型的軸承指示將識(shí)別這一過(guò)程中存在的早期失效，人們能觀測(cè)到內(nèi)滾道缺陷的具體指標(biāo)值。隨著失效（損傷）的逐漸加大，統(tǒng)計(jì)指標(biāo)能識(shí)別出性能退化狀態(tài)。根據(jù)振動(dòng)幅值及指標(biāo)的變化對(duì)這一失效過(guò)程進(jìn)行跟蹤，人們便能進(jìn)行有效地維修和任務(wù)規(guī)劃，從而能減少非計(jì)劃停飛時(shí)間。

按照目前的使用頻率，診斷能有效地管理機(jī)群的重要航材，如SB2205 在一段時(shí)間里發(fā)生性能退化，那么可以采取定時(shí)維修的方式。這樣能夠使二次損傷減到最小，降低了修理的復(fù)雜性和費(fèi)用。這一主傳動(dòng)的特殊部件在拆下輸入模塊后很易于維修，如果具有早期檢測(cè)能力，便可以在機(jī)上通過(guò)減速器進(jìn)行修理，這就避免了拆卸主旋翼轂和主傳動(dòng)，確保旋翼跟蹤和平衡的進(jìn)行。如果它是飛機(jī)的關(guān)鍵部件，在確定維修前的使用過(guò)程中要密切監(jiān)控故障擴(kuò)展以確保飛機(jī)安全。故障擴(kuò)展試驗(yàn)可以讓人們深入理解故障擴(kuò)展的動(dòng)態(tài)過(guò)程，并且消除其他植入故障試驗(yàn)的離散階躍特性。

此外，基于模型的分析、數(shù)據(jù)融合和其他先進(jìn)技術(shù)需進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證，以降低或消除誤告警，并完全實(shí)現(xiàn)全面的診斷能力。