航空發(fā)動機故障診斷方法及測試流程分析

郝春生，秦 月

（1.中國人民解放軍駐紅林機械有限公司軍事代表室，貴陽550009；2.中航工業(yè)貴州航空發(fā)動機研究所，貴陽550081）

航空發(fā)動機故障診斷方法及測試流程分析

郝春生1，秦 月2

（1.中國人民解放軍駐紅林機械有限公司軍事代表室，貴陽550009；2.中航工業(yè)貴州航空發(fā)動機研究所，貴陽550081）

闡述了某型航空發(fā)動機工程研制中應用的發(fā)動機故障診斷方法及測試流程。根據(jù)發(fā)動機型號的使用特點和發(fā)動機故障診斷方法對FMECA分析結(jié)果進行故障分類，指出了各類故障在現(xiàn)有的測試技術(shù)下是否能進行故障診斷，并對能診斷的故障類型進行了詳細的故障診斷及測試流程分析，經(jīng)驗證，發(fā)動機故障診斷方法及測試性流程可滿足航空發(fā)動機型號的測試性需求。

航空發(fā)動機；故障診斷；測試流程；FMECA；測試方法

0 引言

進行航空發(fā)動機故障診斷[1]可以迅速而準確地確定故障部位及嚴重程度，有利于確保飛行安全以及減少維修人力和成本，縮短飛行器的停飛時間，提高其利用率，同時也為實現(xiàn)發(fā)動機視情維修奠定基礎(chǔ)。發(fā)動機的故障診斷與測試性[2]要求密切相關(guān)。隨著發(fā)動機可靠性、維修性要求的逐步提高，各種型號都提出了故障診斷和測試性需求。對此，近年來開展了很多關(guān)于發(fā)動機故障診斷方法的研究,但航空發(fā)動機測試性研究起步較晚，缺乏實際有效的發(fā)動機故障診斷及測試方法[3]分析研究。建立1種有效實用的發(fā)動機故障診斷及測試方法，不僅能有效地對發(fā)動機的故障進行查找和定位，還可開發(fā)監(jiān)控發(fā)動機性能和功能參數(shù)的發(fā)動機測試性系統(tǒng)，從而提高航空發(fā)動機可靠性和壽命，降低發(fā)動機使用成本。

本文針對航空發(fā)動機在研制中的故障診斷方法和測試流程進行研究分析，提出故障診斷方法及測試流程的分析方法[3]。

1 故障診斷方法及測試流程的設(shè)計分析過程

發(fā)動機故障診斷方法及測試流程設(shè)計分析過程如圖1所示。

2 故障診斷方法及測試流程設(shè)計方法分析

2.1 發(fā)動機故障診斷設(shè)計方法

根據(jù)發(fā)動機的故障分類，結(jié)合發(fā)動機監(jiān)視和故障診斷需求[5]?？砂寻l(fā)動機故障診斷方法分為機內(nèi)檢測、自動檢測、人工檢測3種方式，如圖2所示。

2.2 各類發(fā)動機故障的診斷方法與測試流程

在大體明確發(fā)動機測試流程和故障診斷方法[6]后進行發(fā)動機故障診斷和測試流程分析。在發(fā)動機的方案及工程研制階段，根據(jù)可靠性設(shè)計工作中的FMECA設(shè)計分析結(jié)果，結(jié)合發(fā)動機的使用特點和現(xiàn)有測試方法[7-8]，將發(fā)動機故障分為以下3類，其故障診斷方法與測試流程如下。

圖1 發(fā)動機故障診斷方法及測試流程設(shè)計分析過程

圖2 發(fā)動機故障診斷方法

2.2.1 第1類故障測試流程分析

第1類故障為功能失效及性能衰退故障，即故障發(fā)動機系統(tǒng)或設(shè)備喪失規(guī)定的功能以及發(fā)動機實際性能的衰退超過規(guī)定值。故障模式有發(fā)動機轉(zhuǎn)速擺動、喘振、超溫等。該類故障可通過發(fā)動機機載自動檢測系統(tǒng)中的自動檢測和機內(nèi)檢測，進行實時監(jiān)控和采集或計算。通過測量發(fā)動機的總溫、總壓、靜壓、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和燃油流量等來分析發(fā)動機及部件的性能水平及性能衰退程度，并可將氣動熱力參數(shù)反映的故障隔離到氣路部件或單元體及有關(guān)的子系統(tǒng)。利用發(fā)動機的振動數(shù)據(jù)、滑油參數(shù)以及對滑油中所含屑末的檢測和分析結(jié)果等來監(jiān)視發(fā)動機結(jié)構(gòu)系統(tǒng)部件的健康狀況[9]。發(fā)動機測試方法和測試點[10]及傳感器的需求見表1。

表1 第1類故障的發(fā)動機測試方法和測試點及傳感器的需求

2.2.2 第2類故障測試流程分析

不能通過發(fā)動機機載自動檢測設(shè)備或地面自動檢測設(shè)備進行檢測的故障。故障模式有風扇部件轉(zhuǎn)子葉片裂紋、風扇部件轉(zhuǎn)子葉片葉身掉塊或斷裂、高壓壓氣機轉(zhuǎn)子葉片裂紋等。該類故障與發(fā)動機結(jié)構(gòu)部件損傷相關(guān)，無法通過自動檢測設(shè)備[11]進行監(jiān)控和定位，但可以通過人工檢測來完成，主要依賴發(fā)動機在外場的使用維護和現(xiàn)有測試方法和設(shè)備。在外場利用地面專用設(shè)備來探查發(fā)動機零件、部件的結(jié)構(gòu)和機械損傷。因此，需使用孔探儀檢查、電渦流檢測、超聲波檢查和磁力探傷檢查等，同時根據(jù)發(fā)動機的結(jié)構(gòu)和氣流通道特點，設(shè)置檢查窗口。

2.2.3 第3類故障的測試流程分析

在外場級條件下，既無法通過機載自動監(jiān)測設(shè)備檢測，也無法通過地面專用設(shè)備檢測的故障。故障模式有中央傳動主動錐齒齒面疲勞點蝕、傳動軸花鍵磨損等。該類故障與發(fā)動機結(jié)構(gòu)部件損傷相關(guān)，在外場難以通過現(xiàn)有檢測技術(shù)進行檢測，必須返廠（廠內(nèi)必須有分解設(shè)備、探傷設(shè)備和裝配設(shè)備）分解發(fā)動機檢查。

2.3 基于控制計劃和工作狀態(tài)診斷的測試流程需求分析

通過以上發(fā)動機故障分析，結(jié)合對發(fā)動機的工作狀態(tài)和控制計劃進行分析見表2，由此才能建立較全面的發(fā)動機故障診斷及測試流程[12]。

2.4 基于發(fā)動機測量參數(shù)和測量點的測試流程需求分析

通過對發(fā)動機的故障分類，結(jié)合發(fā)動機監(jiān)控及故障診斷的需求，測試系統(tǒng)對各級測試對象所需的測試點和測試參數(shù)的測試流程[12]不同。

表2 發(fā)動機工作狀態(tài)和控制計劃分析

（1）對于重要參數(shù)，要求多設(shè)測試點，當某個測試點出現(xiàn)問題時，還有其他測試點可進行備份測量。如高、低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速都是飛行員實時判別飛機狀態(tài)的重要參數(shù)，如果只設(shè)置1個測試點，一旦出現(xiàn)問題，飛行員就不能判斷發(fā)動機的狀態(tài)。

（2）對于特殊參數(shù)，如渦輪后溫度的測量，因為溫度場分布不均勻，為了保證參數(shù)的準確性，要在溫度場內(nèi)設(shè)置多件熱電偶來采集溫度，取其平均值，以確保參數(shù)的準確度。

2.5 發(fā)動機測試系統(tǒng)自身需求分析2.5.1 發(fā)動機測試系統(tǒng)設(shè)計要求[13]

（1）將發(fā)動機系統(tǒng)和設(shè)備中的所有故障都定位到可更換單元LRU上。

（2）測試點的可達性好，以便快速測試，包括用于連接測試設(shè)備的內(nèi)部和外部測試點、檢測插座和人工觀測等。

（3）制定分析各項試驗結(jié)果以及分析使用和維修活動的計劃，以確定數(shù)字式電子控制器機內(nèi)測試（BIT）[14]軟硬件、自動測試設(shè)備（ATE）軟硬件、發(fā)動機自動測試手段、人工測試方法以及針對故障檢測判別后所實行的維修、維護文件是否滿足數(shù)字式電子控制器和發(fā)動機整機的故障檢測率、故障隔離率和虛警率的要求。

（4）控制器的 CPU、定時器、RAM、Flash Memory和電源系統(tǒng)等硬件應具有自檢測功能。

（5）數(shù)字式電子控制器的控制軟件應具有自檢測功能。

（6）高速電磁閥BIT應具有自檢測功能。

（7）能夠準確及時地采集模擬量、頻率量及開關(guān)量輸入信號，并進行相應的濾波、消抖等處理。

（8）對傳感器、執(zhí)行機構(gòu)及其回路工作狀態(tài)應具有實時檢測功能。（9）對開關(guān)量輸入、輸出通道應具有故障檢測功能。（10）應具有與外界通訊的功能，能夠與GME、FMCS等進行數(shù)據(jù)交換。

（11）對發(fā)動機、渦輪起動機和數(shù)控系統(tǒng)工作狀態(tài)應具有診斷及監(jiān)控的功能。

（12）通過通訊，完成發(fā)動機信息、控制參數(shù)和標定參數(shù)的調(diào)整以及歷史數(shù)據(jù)的讀取。

（13）通過通訊，能對控制系統(tǒng)功能進行地面檢測。

（14）根據(jù)故障危害程度進行故障隔離和系統(tǒng)重構(gòu)，并按一定的告警級別劃分，進行告警級別設(shè)計，并具備一定的故障恢復能力。

2.5.2 測試系統(tǒng)自身可靠性需求

發(fā)動機測試系統(tǒng)一定要安全可靠，不能因為該系統(tǒng)發(fā)生問題影響發(fā)動機的可靠性，造成飛機的誤報警，影響飛行安全。

（1）設(shè)置測試單元后，必須考慮測試單元的可靠性對整體可靠性的影響，對于監(jiān)控重要故障的測試單元以及監(jiān)控多種故障均涉及到的檢測單元應進行余度設(shè)計。

（2）發(fā)動機測試性系統(tǒng)應采用檢測單元故障自檢設(shè)計。

（3）發(fā)動機測試性系統(tǒng)對于可能出錯的測試點應有防錯設(shè)計。

（4）為了防止測試單元誤報警造成測試性虛警率指標升高，應對測試點監(jiān)控報警范圍的設(shè)計提出要求。

3 驗證方法

3.1 測試流程的有效性評估[15]

根據(jù)發(fā)動機故障診斷方法及測試流程分析，對發(fā)動機進行測試性設(shè)計。根據(jù)測試性設(shè)計資料和數(shù)據(jù)，預計發(fā)動機的故障檢測率、故障隔離率、故障檢測時間、隔離時間以及估計測試費用等。以這些參數(shù)的估計值來評價和度量測試性設(shè)計工作，如果達不到型號規(guī)范和測試性大綱的要求，則需要進行改進設(shè)計。

3.2 故障診斷方法及測試流程的有效性試驗驗證

在發(fā)動機（或電子控制器）研制出來后，可以通過注入一定數(shù)量故障的方法來驗證測試性水平。注入故障后運行規(guī)定的故障檢測與隔離程序，根據(jù)試驗結(jié)果數(shù)據(jù)估計有關(guān)測試性參數(shù)值，是否能滿足發(fā)動機（或電子控制器）的使用要求，即進行測試性驗證。

4 總結(jié)

（1）在發(fā)動機型號研制過程[16]中，可以按照發(fā)動機故障診斷及測試性流程進行發(fā)動機故障診斷方案分析。

（2）對具體型號的FMECA分析結(jié)果進行故障分類，對能進行故障診斷和測試性設(shè)計的故障按照本文的方法進行具體分析，為發(fā)動機故障診斷需求分析提供輸入。

（3）在進行發(fā)動機型號測試性設(shè)計時，必須考慮發(fā)動機測試系統(tǒng)自身的需求和可靠性需求。

發(fā)動機故障診斷方法及測試流程的分析方法，已在某型發(fā)動機的測試性設(shè)計中得到應用，證明其分析方法、分析流程、設(shè)計結(jié)果滿足發(fā)動機故障診斷及測試性要求。

[1]田仲.系統(tǒng)測試性設(shè)計分析與驗證[M].北京：北京航空航天大學出版社，2003：58-114.TIAN Zhong.The analyzing and confirmation of systematic testability design [M].Beijing:Beihang University，2003：58-114.（in Chinese）

[2]航空發(fā)動機設(shè)計手冊總編委會.航空發(fā)動機設(shè)計手冊：可靠性與維修性[M].北京：航空工業(yè)出版社，1999：315-361.Aeroengine Design Manual Compiling Committee.The design manual of aeroengine reliability and maintainability[M].Beijing：Aviation Industry Press，1999：315-361.（in Chinese）

[3]石君友.測試性設(shè)計分析與驗證 [M].北京：國防工業(yè)出版社，2011：28-51.SHI Junyou.Testability design analysis and verification[M].Beijing:National Defense Industry Press,2011：28-51.（in Chinese）

[4]鄭波，朱新宇.航空發(fā)動機故障診斷技術(shù)研究[J].航空發(fā)動機，2010，36（2）：22-25.ZHENG Bo,ZHU Xinyu.Investigation of fault diagnosis techology for aeroengine[J].Aeroengine，2010，36（2）：22-25.（in Chinese）

[5]陳大光.燃氣渦輪發(fā)動機的狀態(tài)監(jiān)控與故障診斷[J].航空學報，1989，10（6）：22-25.CHEN Daguang.Gas turbing engine condition monitoring and fault diagnostics[J].Acta Aeronautica Etastronautica Sinica，1989，10（6）：22-25.（in Chinese）

[6]陳曦，廖名夫，王儼剴.航空發(fā)動機故障融合診斷研究[J].航空發(fā)動機，2010，39（4）：78-84.CHEN Xi,LIAO Mingfu,WANG Yankai.Investigation of aeroengine fault fusion diagnosis[J].Aeroengine，2010，39（4）：78-84.（in Chinese）

[7]范文正，謝靜，徐耀榮.故障因子診斷方法在航空發(fā)動機上的應用研究[J].航空發(fā)動機，2010，39（2）：52-56.FAN Wenzheng,XIE Jing,XU Yaorong.Study of diagnosis method on aeroengine based on fault factor[J].Aeroengine,2010，39（2）：52-56.（in Chinese）

[8]孫濤,侯志強,張赟.基于小波包分析和案例推理的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)故障診斷方法[J].航空發(fā)動機，2010，36（1）：27-30.SUN Tao，HOU Zhiqiang，ZHANG Yun.Rotor system fault diagnosis based on wavelet packet analysis and CBR[J].Aeroengine，2010，36（1）：27-30.（in Chinese）

[9]Sheppard J,Simpson W.Applying testability analysis for integrated diagnostics[J].IEEE D＆T of Computer，1992，9（3）：65-78.

[10]Deb S，Pattipati K R，et al.Multi-signal flow graphs:a novel approach for system testability analysis and faule diagnosis [J].IEEE Aerospace and Electronics Magazine，1995，10（5）：14-20.

[11]Pattipati K R，Deb S，Dontamsetty M，etal.Start:system testability analysis and research tool [J].IEEE Aerospace and Electronics Systems Magazine，1991，6（1）：13-20.

[12]田仲.XKG/C01-2009.型號測試性設(shè)計準則制定指南 [M].北京：國防工業(yè)出版社，2010：115-170.TIAN Zhong.XKG/C01-2009.Guide to the testability design and analysis[M].Beijing：National Defense Industry Press，2010：115-170.（in Chinese）

[13]田仲.XKG/C02-2009.型號測試性設(shè)計準則制定指南[M].北京：國防工業(yè)出版社，2010：171-198.TIAN Zhong.XKG/C02-2009.Guide to the establishment of testability design criteria[M].Beijing:National Defense Industry Press，2010：171-198.（in Chinese）

[14]石君友.XKG/C03-2009.型號BIT設(shè)計指南 [M].北京：國防工業(yè)出版社，2010：199-236.SHI Junyou.XKG/C03-2009.Guide to the BIT design[M].Beijing：National Defense Industry Press，2010：199-236.（in Chinese）

[15]田仲.XKG/C04-2009.型號測試性要求驗證試驗與評價應用指南[M].北京：國防工業(yè)出版社，2010：237-266.TIAN Zhong.XKG/C04-2009.Guide to the demonstration of testability[M].Beijing：National Defense Industry Press，2010：237-266.（in Chinese）

[16]劉廷毅.航空發(fā)動機研制全壽命管理研究[J].航空發(fā)動機，2012，38（1）：1-6.LIU Tingyi.The research ofaeroengine researching andmanufacture full lifemanagement[J].Aeroengine，2012，38（1）：1-6.（in Chinese）

Fault Diagnosis Methods and Testing Procedure of Aeroengine

HAO Chun-sheng1，QIN yue2
（1.The office of representatives from the Chinese People's Liberation Army in AVIC Hong Lin Machinery Company Lim ited,Guiyang 550009,China;2.AVIC Guizhou Aeroengine Research Institute,Guiyang 550081,China）

The fault diagnosismethod and testing procedure of aeroenginewere presented according to the engineering research.The fault classification of FMECA analysis resultswas conducted by the engine characteristic and fault diagnosismethods.Whether all kinds of faultswere suited to carry out by the testability technology,and fault diagnosis and testability procedure were analyzed in detail.The fault diagnosismethods and testability procedurewere validated tomeet themodel testability.

aeroengine；fault diagnosis；testing procedure；FMECA；testingmethod

V263.6

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2014.03.015

2013-01-15

郝春生（1979），男，工程師，從事航空發(fā)動機系統(tǒng)工程研究和質(zhì)量管理工作；E-mail:41055023@qq.com。

郝春生，秦月.航空發(fā)動機故障診斷方法及測試流程分析[J].航空發(fā)動機，2014,40（3）：71-74.HAOChunsheng,QIN Yue.Faultdiagnosis methods and testingprocedure ofaeroengine[J].Aeroengine,2014,40（3）：71-74.