航空發(fā)動(dòng)機(jī)全生命周期健康管理技術(shù)發(fā)展分析

■ 范滿意 / 中國航發(fā)研究院

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)功能結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，以及用戶對發(fā)動(dòng)機(jī)的安全性、可靠性的要求越來越高，健康管理系統(tǒng)成為先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分，該技術(shù)的成熟與工程化應(yīng)用對航空發(fā)動(dòng)機(jī)的全生命周期具有顯著的提升作用。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工作環(huán)境惡劣，主要工作零部件承受著較高的離心負(fù)荷、氣動(dòng)負(fù)荷以及振動(dòng)交變負(fù)荷等，同時(shí)還受到外來物的沖擊，以及風(fēng)沙、潮濕、鹽霧的侵蝕，引起發(fā)動(dòng)機(jī)的性能下降、疲勞損傷增多，甚至產(chǎn)生葉片斷裂、輪盤破損等危及發(fā)動(dòng)機(jī)及飛機(jī)安全的事故。據(jù)統(tǒng)計(jì)，發(fā)動(dòng)機(jī)一次返廠大修需要數(shù)百萬元人民幣的費(fèi)用支出，給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。為了確保飛行安全，業(yè)界從20世紀(jì)60年代開始對航空發(fā)動(dòng)機(jī)開展健康狀態(tài)的監(jiān)測，逐步發(fā)展到現(xiàn)在的發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理系統(tǒng)，如圖1所示。例如，F(xiàn)135發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用健康管理技術(shù)后，排故時(shí)間從F119發(fā)動(dòng)機(jī)的20 min縮短到15 min，比現(xiàn)役的F110、F100等發(fā)動(dòng)機(jī)排故時(shí)間縮短94%，顯著提高了發(fā)動(dòng)機(jī)維修性和裝備可用率?？梢?，發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理系統(tǒng)已成為提高裝備完好率，降低維護(hù)成本，實(shí)現(xiàn)自主后勤和智能維護(hù)等新型維修保障模式的主要支撐技術(shù)。

圖1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理系統(tǒng)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理技術(shù)概述

航空發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理是指通過機(jī)載系統(tǒng)和非機(jī)載系統(tǒng)中的傳感、采集、處理、分析等手段，提供航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣路、滑油、振動(dòng)、壽命等方面的實(shí)時(shí)或近實(shí)時(shí)信息，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、趨勢分析和壽命管理等功能，從而提醒用戶注意可能影響安全運(yùn)行的狀況，有針對性地安排檢查維修、排除異常故障、改進(jìn)功能性能、預(yù)測備件需求，進(jìn)而提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)和飛機(jī)的安全性、可靠性與維修性。

健康管理系統(tǒng)的功能

健康管理的主要功能包括狀態(tài)監(jiān)視、故障診斷、趨勢分析、壽命管理和使用維護(hù)，如圖2所示。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理的功能

狀態(tài)監(jiān)視功能是分析機(jī)載實(shí)時(shí)獲取的發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)，對參數(shù)與機(jī)載發(fā)動(dòng)機(jī)模型對比分析，判斷參數(shù)是否存在超限和異常增量特征，將判斷結(jié)果記錄在機(jī)載事件報(bào)告中，飛行結(jié)束后將報(bào)告發(fā)送給地面系統(tǒng)，指導(dǎo)維護(hù)人員開展相關(guān)檢查和維護(hù)工作。

故障診斷及預(yù)測功能一般是由機(jī)載和地面故障診斷算法共同實(shí)現(xiàn)。機(jī)載故障診斷模塊通過特征提取算法對參數(shù)實(shí)時(shí)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(shí)匹配，計(jì)算故障概率，生成機(jī)載故障報(bào)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(dòng)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，預(yù)測故障發(fā)生的時(shí)間和概率，得到的結(jié)論與機(jī)載診斷結(jié)果進(jìn)行對比分析，當(dāng)結(jié)論一致時(shí)，輸出維修報(bào)告指導(dǎo)維護(hù)人員操作；當(dāng)結(jié)論不一致時(shí)，進(jìn)行人工輔助分析確定故障結(jié)論，并對機(jī)載或地面故障診斷軟件進(jìn)行升級和優(yōu)化。

趨勢分析通常分為短時(shí)趨勢分析和長期趨勢分析兩種。短時(shí)趨勢分析算法實(shí)時(shí)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(dòng)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(shí)間繪制趨勢數(shù)據(jù)圖，與發(fā)動(dòng)機(jī)模型進(jìn)行對比，分析發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)日歷壽命累計(jì)、統(tǒng)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)一類/二類循環(huán)，生成壽命統(tǒng)計(jì)報(bào)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(dòng)機(jī)時(shí)壽件清單，采用雨流計(jì)數(shù)法或低周循環(huán)疲勞壽命消耗模型等算法，對發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵和重要件剩余壽命進(jìn)行計(jì)算，生成壽命消耗報(bào)告，并根據(jù)壽命消耗速率，預(yù)計(jì)維護(hù)時(shí)間，為發(fā)動(dòng)機(jī)維護(hù)準(zhǔn)備提供支持。

使用維護(hù)是基于狀態(tài)監(jiān)視、故障診斷、趨勢分析、壽命管理等功能，提升對發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)感知能力，并在此基礎(chǔ)上做好零備件的管理以及發(fā)動(dòng)機(jī)維修計(jì)劃的更新迭代，達(dá)到視情維修的目的。

健康管理與發(fā)動(dòng)機(jī)全生命周期的關(guān)系

健康管理在發(fā)動(dòng)機(jī)使用維護(hù)階段發(fā)揮非常重要的作用，但是作為一門新興的技術(shù)，健康管理技術(shù)難題的攻克需要在發(fā)動(dòng)機(jī)論證、研制、使用的各階段開展，健康管理與發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、加工、裝配、試驗(yàn)、使用、維護(hù)之間關(guān)系的如圖3所示。

圖3 健康管理與發(fā)動(dòng)機(jī)研制及使用等的邏輯關(guān)系

健康管理技術(shù)的階段性應(yīng)用

健康管理技術(shù)是一種多領(lǐng)域的綜合性技術(shù)，涉及發(fā)動(dòng)機(jī)的多個(gè)專業(yè)，需要跨專業(yè)的技術(shù)人員協(xié)同努力才能實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)使用維護(hù)方式的變革與技術(shù)成熟突破，健康管理技術(shù)的應(yīng)用大致可以劃分為3個(gè)階段：第一階段是健康管理與發(fā)動(dòng)機(jī)檢測技術(shù)交叉驗(yàn)證、相互促進(jìn)的階段，健康管理的監(jiān)測結(jié)果需要與發(fā)動(dòng)機(jī)孔探、滑油離線分析、熒光檢測、無損檢測等測試手段對比分析，提高健康管理對發(fā)動(dòng)機(jī)異常的靈敏度，同時(shí)降低由于信號傳輸、發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)多變等帶來的虛警，提升發(fā)動(dòng)機(jī)感知與監(jiān)測效率；第二階段是健康管理技術(shù)與發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、加工、裝配、試驗(yàn)的相互作用階段，該階段除了繼續(xù)開展健康管理監(jiān)視算法的驗(yàn)證和優(yōu)化，重點(diǎn)是故障診斷功能的成熟與優(yōu)化，健康管理的診斷結(jié)果可以為發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、加工、裝配、試驗(yàn)工作的檢查分析提供參考性指導(dǎo)，與此同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、加工、裝配、試驗(yàn)的檢查結(jié)果也可以反過來驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷的結(jié)果，發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)過程中發(fā)動(dòng)機(jī)異常信息的記錄也可以作為發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理算法的開發(fā)或驗(yàn)證的輸入，從而促進(jìn)健康管理中故障診斷算法的成熟；第三階段是健康管理與發(fā)動(dòng)機(jī)使用維護(hù)的相互作用階段，該階段主要是促進(jìn)趨勢分析以及壽命管理功能的成熟與優(yōu)化，并開展實(shí)際工程條件下的發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理功能算法的驗(yàn)證，同時(shí)完成發(fā)動(dòng)機(jī)使用維護(hù)措施的改進(jìn)升級。

健康管理技術(shù)發(fā)展面臨的問題

健康管理技術(shù)目前已有60多年的發(fā)展歷程，在軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)、民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)應(yīng)用較為普遍，效果顯著。我國在最近十幾年開展了眾多健康管理技術(shù)的研究，在基于機(jī)載自適應(yīng)模型的故障診斷、基于頻譜分析的故障診斷、滑油的狀態(tài)評估，以及基于人工智能的健康管理技術(shù)研究方面取得了較多的基礎(chǔ)理論成果，基于民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)需求開發(fā)了航空發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理與維修決策支持系統(tǒng)，但是與國際先進(jìn)水平相比，技術(shù)成熟度及應(yīng)用廣度仍有不少差距，健康管理技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用還面臨以下問題。

一是健康管理功能算法的開發(fā)缺少統(tǒng)一的平臺和規(guī)范，影響算法的測試和應(yīng)用。當(dāng)前健康管理功能算法的開發(fā)分散在各個(gè)科研院所，算法的開發(fā)接口和平臺不統(tǒng)一，導(dǎo)致健康管理功能算法與驗(yàn)證平臺的適用性存在風(fēng)險(xiǎn)。

二是發(fā)動(dòng)機(jī)故障模式的產(chǎn)生發(fā)展規(guī)律還未完全掌握。發(fā)動(dòng)機(jī)故障的發(fā)生有其必然原因，可能是設(shè)計(jì)、材料、加工、裝配、使用、維護(hù)中的一種，也有可能是多種因素綜合的結(jié)果，有些是突變型故障，有些可能是緩變型故障，故障的產(chǎn)生發(fā)展時(shí)間有長有短，但是僅依靠一個(gè)專業(yè)是無法全面掌握發(fā)動(dòng)機(jī)故障的演化規(guī)律，大大影響了健康管理技術(shù)的應(yīng)用。

三是發(fā)動(dòng)機(jī)故障的獨(dú)特性與故障診斷的統(tǒng)一性存在矛盾。故障的發(fā)生往往是在某一臺發(fā)動(dòng)機(jī)某一轉(zhuǎn)速狀態(tài)下發(fā)生，因此，故障帶有單臺發(fā)動(dòng)機(jī)的獨(dú)特性和轉(zhuǎn)速狀態(tài)的獨(dú)特性，而故障診斷作為健康管理的一項(xiàng)重要功能，希望適用于多臺發(fā)動(dòng)機(jī)多個(gè)轉(zhuǎn)速狀態(tài)，甚至適用于發(fā)動(dòng)機(jī)全包線的多個(gè)狀態(tài)，因此存在著發(fā)動(dòng)機(jī)故障的獨(dú)特性和故障診斷功能的統(tǒng)一性的矛盾。

四是發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理功能算法的自動(dòng)更新學(xué)習(xí)機(jī)制構(gòu)建的問題。健康管理系統(tǒng)本身的使用維護(hù)任務(wù)繁重是制約健康管理技術(shù)推廣應(yīng)用的重要因素之一，盡量減少健康管理系統(tǒng)本身的維護(hù)任務(wù)和時(shí)間，提升對發(fā)動(dòng)機(jī)的保障水平是健康管理功能算法開發(fā)過程中需要考慮的問題。

五是壽命管理算法的驗(yàn)證與機(jī)載應(yīng)用問題。當(dāng)前壽命管理算法驗(yàn)證成本高、主要依靠仿真結(jié)果驗(yàn)證，技術(shù)成熟度有限，同時(shí)壽命管理算法如何能在機(jī)載環(huán)境下高效地開展工作，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)壽命消耗的快速評估也是需要重點(diǎn)突破的。

健康管理技術(shù)發(fā)展展望

鑒于我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及面臨的問題，在后續(xù)的發(fā)展中可重點(diǎn)加強(qiáng)以下方面的建設(shè)。

一是建立統(tǒng)一的開放式健康管理技術(shù)開發(fā)平臺。以工業(yè)部門牽頭，構(gòu)建統(tǒng)一的開放式健康管理技術(shù)開發(fā)平臺，提供標(biāo)準(zhǔn)化的輸入輸出接口與程序規(guī)范，加快健康管理技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)各型號的測試應(yīng)用。

二是針對故障模式的演化規(guī)律開展多專業(yè)聯(lián)合攻關(guān)。結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)性能、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、機(jī)械、試驗(yàn)、氣動(dòng)等多個(gè)專業(yè)開展發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，相互印證，獲取發(fā)動(dòng)機(jī)故障的產(chǎn)生原因、發(fā)展過程中的表現(xiàn)、相互之間的影響，為健康管理系統(tǒng)的工程化應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

三是加強(qiáng)新感知技術(shù)的研究。加強(qiáng)進(jìn)出口工質(zhì)傳感器、葉尖間隙傳感器、高壓脈動(dòng)傳感器、聲信息傳感器、超高頻振動(dòng)傳感器等先進(jìn)測量手段的研究，擴(kuò)充健康管理的信息來源，加強(qiáng)相關(guān)監(jiān)測診斷技術(shù)的研究。同時(shí)開展新壽命測試手段的研究，支持壽命管理算法的驗(yàn)證。

四是加強(qiáng)故障預(yù)案構(gòu)建。結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)的故障案例，構(gòu)建發(fā)動(dòng)機(jī)故障預(yù)案庫，加強(qiáng)健康管理系統(tǒng)對發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、材料、加工、裝配、試驗(yàn)、使用、維護(hù)的支撐作用。

結(jié)束語

健康管理技術(shù)作為一門新的綜合性技術(shù)，涉及發(fā)動(dòng)機(jī)的多個(gè)方面及全生命周期，在夯實(shí)相關(guān)技術(shù)基礎(chǔ)的同時(shí)，突破故障演化規(guī)律挖掘、新型感知等關(guān)鍵技術(shù)，必將提高發(fā)動(dòng)機(jī)整體的安全性和可靠性，減少發(fā)動(dòng)機(jī)非故障維修時(shí)間，提升發(fā)動(dòng)機(jī)的完好率。