旋翼系統(tǒng)典型故障的診斷與預(yù)測(cè)方法

李新民，曾本銀，黃建萍

(1中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所直升機(jī)旋翼動(dòng)力學(xué)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西景德鎮(zhèn) 333001;2中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

直升機(jī)旋翼系統(tǒng)既是直升機(jī)的升力面又是直升機(jī)的操縱面，是直升機(jī)的關(guān)鍵系統(tǒng)，一旦該系統(tǒng)發(fā)生故障，將會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。

2002年7月，一架S-76A直升機(jī)由于槳葉雷擊修復(fù)后疲勞引起槳葉裂紋在海上墜毀，造成11名乘客殞命［1］。

2002年7月，一架加拿大軍方的貝爾412直升機(jī)由于疲勞引起的尾槳故障而墜毀，同年相似事故還發(fā)生了6起。

1987年6月，一架“超美洲豹”直升機(jī)由于軸承損壞引起槳轂頻率適配器脫離故障，被迫實(shí)施硬著陸。

2006年10月，一架“超美洲豹”直升機(jī)在起飛過(guò)程中由于疲勞裂紋造成拉桿故障。

1981年3月，一架S-76A直升機(jī)由于一個(gè)旋翼拉桿故障，造成一片槳葉脫離，釀成了一起巡航飛行中的慘禍。

2005年6月，一架“超美洲豹”直升機(jī)由于尾槳變矩星形槳轂上的梁斷裂，被迫水上降落。

2002年，CH-47D后旋翼自動(dòng)傾斜器的一個(gè)軸承在地面開(kāi)車(chē)時(shí)出現(xiàn)故障，造成A級(jí)事故，損失了一架直升機(jī)。該事故引起了對(duì)所有CH-47D/F和MH-47E自動(dòng)傾斜器的人工檢查，花費(fèi)了大量的人力和物力。

根據(jù)歐直公司對(duì)“超美洲豹”MK2的故障模式與嚴(yán)重性影響分析(FMECA)，旋翼系統(tǒng)在直升機(jī)整體風(fēng)險(xiǎn)中的權(quán)重占54%(如圖1所示)［2］，因此，對(duì)旋翼系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷是提高直升機(jī)安全性的重要手段。

圖1 “超美洲豹”MK2的故障模式與嚴(yán)重性影響分析(FMECA)

1 旋翼系統(tǒng)故障診斷與預(yù)測(cè)能力有了較大的發(fā)展

1.1 傳統(tǒng)的HUMS系統(tǒng)對(duì)旋翼系統(tǒng)的故障診斷與預(yù)測(cè)能力較弱

S-92是美國(guó)西科斯基與日本、中國(guó)、西班牙等國(guó)的有關(guān)航空工業(yè)公司共同投資研制的雙發(fā)中型直升機(jī)，1992年開(kāi)始研制，Goodrich公司負(fù)責(zé)其HUMS系統(tǒng)研制，采用的是該公司的IMD-HUMS產(chǎn)品，此系統(tǒng)經(jīng)過(guò)多個(gè)型號(hào)和多次升級(jí)，可以稱為目前先進(jìn)HUMS系統(tǒng)的代表。

S-92 HUMS系統(tǒng)［3］初始功能認(rèn)證的內(nèi)容包括:超限值監(jiān)控，使用狀態(tài)監(jiān)控，錐體和動(dòng)平衡，飛行中數(shù)據(jù)采集，飛行中或者飛行后提供調(diào)整方案，發(fā)動(dòng)機(jī)軸監(jiān)控與平衡，動(dòng)力傳動(dòng)監(jiān)控，發(fā)動(dòng)機(jī)、減速器箱、傳動(dòng)軸等振動(dòng)監(jiān)控，給出閾值建議值，狀態(tài)識(shí)別，特征參數(shù)提取和在線狀態(tài)識(shí)別等功能。從其論證的功能可以看出，S-92 HUMS系統(tǒng)對(duì)旋翼系統(tǒng)僅進(jìn)行了錐體和動(dòng)平衡(含調(diào)整方案)，沒(méi)有更多地進(jìn)行旋翼系統(tǒng)故障診斷與預(yù)測(cè)。

1.2 隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，旋翼系統(tǒng)故障診斷與預(yù)測(cè)技術(shù)得到發(fā)展

美國(guó)貝爾公司、國(guó)家旋翼機(jī)技術(shù)中心(NRTC)和旋翼機(jī)創(chuàng)新中心(CRI)共同對(duì)旋翼系統(tǒng)CBM進(jìn)行了合作研究，其研究成果被納入美國(guó)陸軍“作戰(zhàn)保障和支持技術(shù)”(OSST)研究計(jì)劃，并完成了在貝爾407型直升機(jī)上的演示驗(yàn)證［4］。

旋翼系統(tǒng)CBM演示驗(yàn)證的能力包括:單架直升機(jī)載荷直接測(cè)量，旋翼槳葉、軛和一些關(guān)鍵槳轂部件的碰撞和損傷探測(cè)，診斷和識(shí)別過(guò)度磨損或異常的操縱響應(yīng)，自動(dòng)重量和重心(CG)的測(cè)量，飛行計(jì)時(shí)和超限紀(jì)錄，狀態(tài)識(shí)別和狀態(tài)跟蹤技術(shù)，基于持續(xù)飛行數(shù)據(jù)的旋翼錐體和平衡計(jì)算與調(diào)整。

2 旋翼系統(tǒng)典型故障診斷與預(yù)測(cè)方法

直升機(jī)旋翼系統(tǒng)的典型故障包括:槳葉疲勞、槳轂疲勞、拉桿疲勞、自動(dòng)傾斜器軸承等故障形式，涉及的技術(shù)包括:飛行狀態(tài)識(shí)別技術(shù)，虛擬傳感器，載荷直接測(cè)量和持續(xù)飛行數(shù)據(jù)的旋翼錐體和平衡計(jì)算與調(diào)整。

2.1 槳葉疲勞壽命預(yù)測(cè)方法

槳葉的故障模式主要為疲勞斷裂，因此，對(duì)槳葉進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)尤為重要。槳葉疲勞壽命的預(yù)測(cè)方法主要有:安全壽命評(píng)定法，基于飛行狀態(tài)識(shí)別的壽命預(yù)測(cè)方法和基于虛擬傳感器的壽命預(yù)測(cè)方法。

2.1.1 安全壽命評(píng)定法

安全壽命評(píng)定法是通過(guò)疲勞試驗(yàn)得到槳葉的疲勞載荷譜，根據(jù)飛行試驗(yàn)得到飛行載荷譜，假定使用譜，根據(jù)這三者的關(guān)系，計(jì)算出槳葉的使用壽命。該方法依賴于飛行小時(shí)數(shù)和假定的使用譜。研究表明，人工記錄的飛行小時(shí)數(shù)存在嚴(yán)重的誤差(約為12%)，假定的使用譜與實(shí)際飛行譜之間存在嚴(yán)重的差別(通常實(shí)際飛行譜比假定的使用譜對(duì)載荷影響小很多)。因此，疲勞載荷估算十分保守，對(duì)于單架飛機(jī)，不同使用條件下，十分不準(zhǔn)確，過(guò)早的更換將提高直升機(jī)的使用費(fèi)用［5-9］。

2.1.2 基于飛行狀態(tài)識(shí)別的槳葉疲勞壽命預(yù)測(cè)法

為了突破傳統(tǒng)安全壽命評(píng)定法存在的缺陷，在“十一五”國(guó)防基礎(chǔ)科研項(xiàng)目“直升機(jī)故障診斷與預(yù)測(cè)技術(shù)研究”中，進(jìn)行了基于飛行狀態(tài)識(shí)別和載荷譜相對(duì)應(yīng)的方法進(jìn)行槳葉壽命預(yù)測(cè)技術(shù)研究。

該方法利用飛行狀態(tài)參數(shù)對(duì)直升機(jī)飛行狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別，得到實(shí)際的使用譜，利用機(jī)載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄實(shí)際的飛行小時(shí)數(shù)，從根本上實(shí)現(xiàn)了對(duì)安全壽命評(píng)定法存在缺陷的修正，可以實(shí)現(xiàn)單機(jī)槳葉壽命的單獨(dú)計(jì)算，提高了槳葉壽命，減少了使用費(fèi)用。

項(xiàng)目研究是基于直11型機(jī)進(jìn)行的，采集的飛行狀態(tài)參數(shù)23個(gè)(如表1所示)，識(shí)別的飛行狀態(tài)42個(gè)(如表2所示)。飛行狀態(tài)識(shí)別采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，目前該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有穩(wěn)態(tài)飛行狀態(tài)識(shí)別率98%、過(guò)渡狀態(tài)識(shí)別率80%、連續(xù)識(shí)別率90%的能力，能預(yù)測(cè)11類部件的壽命(如表3所示)。

表1 用于飛行狀態(tài)識(shí)別的飛行狀態(tài)參數(shù)

表2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別的飛行狀態(tài)

表3 能預(yù)測(cè)的部件

2.1.3 基于虛擬傳感器的槳葉疲勞壽命預(yù)測(cè)方法

美國(guó)軍方“綜合機(jī)械診斷”(IMD)計(jì)劃的“聯(lián)合先進(jìn)健康狀態(tài)與使用監(jiān)控系統(tǒng)”(JAHUMS)“先進(jìn)方案技術(shù)驗(yàn)證”(ACTD)項(xiàng)目采用了虛擬應(yīng)變計(jì)技術(shù)，對(duì)槳葉等部件進(jìn)行載荷預(yù)測(cè)，并完成了在海軍SH-60B直升機(jī)上的演示驗(yàn)證［10］。

該方法采用如表4所示的12個(gè)飛行狀態(tài)參數(shù)，對(duì)槳葉載荷進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)。演示驗(yàn)證試驗(yàn)表明，載荷預(yù)測(cè)精度達(dá)到96%(個(gè)別狀態(tài)為91%)。實(shí)測(cè)載荷與預(yù)測(cè)載荷對(duì)比如圖2所示。該方法還能進(jìn)行其它動(dòng)部件的載荷預(yù)測(cè)，主要預(yù)測(cè)參數(shù)如表5所示。

表4 虛擬傳感器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)載荷預(yù)測(cè)所需參數(shù)

圖2 實(shí)測(cè)載荷與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)載荷對(duì)比圖

表5 虛擬傳感器預(yù)測(cè)參數(shù)

2.2 槳轂疲勞壽命預(yù)測(cè)方法

2.2.1 安全壽命評(píng)定法

同 2.1.1。

2.2.2 基于飛行狀態(tài)識(shí)別的槳轂疲勞壽命預(yù)測(cè)法

同 2.1.2。

2.2.3 基于載荷實(shí)測(cè)的槳轂疲勞壽命預(yù)測(cè)方法

載荷實(shí)測(cè)是疲勞壽命預(yù)測(cè)的最好方法，但由于沒(méi)有合適的測(cè)量設(shè)備，槳葉無(wú)法進(jìn)行載荷實(shí)測(cè)，只能進(jìn)行載荷預(yù)測(cè)。幸運(yùn)的是，對(duì)于槳轂，目前已有載荷實(shí)測(cè)方法。

為了實(shí)現(xiàn)直升機(jī)旋翼軛直接載荷測(cè)量，貝爾公司與光纖技術(shù)供應(yīng)商Insensys公司合作，設(shè)計(jì)了基于光纖傳感器技術(shù)的旋翼軛載荷測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)將布拉格光柵(FBG)布置在旋翼軛上(如圖3所示)，通過(guò)特別設(shè)計(jì)的小型查詢器(數(shù)據(jù)采集器，圖3所示)測(cè)量旋翼軛載荷，測(cè)量范圍為9000μ應(yīng)變(或±4500μ應(yīng)變)。一根光纖傳感器識(shí)別單元上可以使用 100 個(gè)傳感器［11］。

圖3 直升機(jī)旋翼軛光纖傳感器布置及查詢器

2.3 拉桿疲勞壽命預(yù)測(cè)方法

拉桿的破壞模式也是疲勞斷裂。拉桿疲勞壽命預(yù)測(cè)方法主要有:安全壽命評(píng)定法，基于飛行狀態(tài)識(shí)別的拉桿疲勞壽命預(yù)測(cè)方法，基于載荷實(shí)測(cè)的拉桿疲勞壽命預(yù)測(cè)方法。

月均家庭收入主要為2 001～3 000元、3 001～5 000元、5 001～8 000元這3個(gè)階段,且各個(gè)層次比例相對(duì)比較均衡．調(diào)查樣本涉及到不同人群、年齡、職業(yè)和收入水平,可以體現(xiàn)各層次社會(huì)人群對(duì)公園免費(fèi)開(kāi)放后感知的影響．被調(diào)查者(表1)在徐州居住時(shí)長(zhǎng)超過(guò)20 a的占據(jù)一半,訪問(wèn)公園的頻率主要為每周一兩次(29.7%)、每?jī)芍芤淮?20.1%),停留時(shí)間達(dá)到1 h的比例為66.8%.游憩者行為數(shù)據(jù)反映了被調(diào)查者對(duì)徐州公園比較了解,因此,問(wèn)卷的樣本具有一定的代表性．

2.3.1 安全壽命評(píng)定法

同 2.1.1。

2.3.2 基于飛行狀態(tài)識(shí)別的拉桿疲勞壽命預(yù)測(cè)法

同 2.1.2。

2.3.3 基于載荷實(shí)測(cè)的拉桿疲勞壽命預(yù)測(cè)方法

為了實(shí)現(xiàn)拉桿載荷實(shí)測(cè)，貝爾公司與MicroS-train公司聯(lián)合研制了能量收集式無(wú)線載荷測(cè)量系統(tǒng)，如圖4所示。該系統(tǒng)采用惠斯通電橋傳感器，設(shè)計(jì)并制造了一個(gè)全集成電路板(PCB)，電路板長(zhǎng)4”，寬 0.5”，厚 0.1”，重 8.2g。電路板包含如下元件:能量收集式動(dòng)能轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)器;具備完整的自校準(zhǔn)功能的可編程多軸式精確應(yīng)變儀信號(hào)調(diào)節(jié)器;低功率系統(tǒng)微處理器;IEEE802.15.4直接順序擴(kuò)展頻譜無(wú)線電收發(fā)機(jī);數(shù)據(jù)記錄閃存;用于激活預(yù)定的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模式的納功率計(jì)時(shí)器。該傳感器的特點(diǎn)是電力由直升機(jī)振動(dòng)產(chǎn)生，減少了電力傳輸環(huán)節(jié);采用無(wú)線傳輸方式，解決了旋轉(zhuǎn)信號(hào)傳輸問(wèn)題;采用大阻值應(yīng)變傳感器(R=4500Ω)，提高了測(cè)量精度［11］。

圖4 能量收集式無(wú)線載荷測(cè)量系統(tǒng)及測(cè)量數(shù)據(jù)

2.4 自動(dòng)傾斜器故障診斷方法

從已發(fā)生的直升機(jī)(旋翼機(jī))自動(dòng)傾斜器事故來(lái)看，自動(dòng)傾斜器的主要故障包括:自動(dòng)傾斜器軸承故障和自動(dòng)傾斜器螺栓松動(dòng)。就目前的水平，能較好的診斷自動(dòng)傾斜器軸承故障，而對(duì)于螺栓松動(dòng)，則還沒(méi)有很好的方法。因此，本節(jié)主要描述自動(dòng)傾斜器軸承故障診斷方法。

20世紀(jì)80年代中期，西科斯基公司調(diào)查了H-60直升機(jī)尾槳傳動(dòng)軸軸承失效問(wèn)題，開(kāi)始了軸承監(jiān)視系統(tǒng)(BMS)的研發(fā)工作。不久，自動(dòng)傾斜器軸承也應(yīng)用了BMS，由安裝在非旋轉(zhuǎn)自動(dòng)傾斜器上的加速度計(jì)和溫度傳感器構(gòu)成。2000年秋，所有H-53E和S-80M直升機(jī)都安裝了BMS。自動(dòng)傾斜器BMS既采集振動(dòng)數(shù)據(jù)又采集溫度數(shù)據(jù)?，F(xiàn)在，已經(jīng)取消了H-53E軸承的定期檢查，軸承的更換完全依賴BMS的指示。BMS取得了高度的成功，沒(méi)有出現(xiàn)漏報(bào)現(xiàn)象，僅有的一次誤報(bào)也是傳感器松動(dòng)引起的。目前，根據(jù)BMS拆除的三個(gè)自動(dòng)傾斜器軸承，根據(jù)磨損情況，每次拆除都是合理的。

自動(dòng)傾斜器軸承故障診斷主要采用振動(dòng)傳感器與溫度傳感器相結(jié)合的方法，該方法能診斷軸承內(nèi)環(huán)故障，外環(huán)故障，滾珠故障和隔圈故障等，采用的分析方法包括:軸承故障頻譜分析，以頻譜為基準(zhǔn)的能量分析，能量對(duì)數(shù)倒頻譜分析和振幅解調(diào)包線分析等［12］。

傳感器的布置如圖5所示，采集數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖5 傳感器布置

圖6 對(duì)數(shù)倒頻譜的分析結(jié)果

3 結(jié)論

1)通過(guò)直升機(jī)故障模式與嚴(yán)重性影響分析(FMECA)，旋翼系統(tǒng)在直升機(jī)整體風(fēng)險(xiǎn)中的權(quán)重很大(歐直公司對(duì)“超美洲豹”MK2分析表明，旋翼系統(tǒng)占54%)，通過(guò)對(duì)旋翼系統(tǒng)的故障診斷與預(yù)測(cè)能提高直升機(jī)的安全性，減少使用費(fèi)用。

2)隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，以貝爾、西科斯基為代表的直升機(jī)廠家極力推動(dòng)旋翼系統(tǒng)故障診斷與預(yù)測(cè)技術(shù)的發(fā)展，主要代表技術(shù)包括:虛擬傳感器技術(shù)、拉桿載荷實(shí)測(cè)技術(shù)、旋翼軛載荷實(shí)測(cè)技術(shù)、自動(dòng)傾斜器軸承故障診斷技術(shù)等。

3)借助“十一五”課題，602所在基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的飛行狀態(tài)識(shí)別技術(shù)方面邁出了可喜的步伐，取得了一定的成績(jī)。

4)通過(guò)以上分析，說(shuō)明了旋翼系統(tǒng)故障診斷與預(yù)測(cè)技術(shù)的可行性，這些方法為旋翼系統(tǒng)CBM奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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