直升機(jī)振動(dòng)健康監(jiān)測指南-CAP753

朱桂芳

(中國直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

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直升機(jī)振動(dòng)健康監(jiān)測指南-CAP753

朱桂芳

(中國直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

直升機(jī)振動(dòng)健康監(jiān)測指南(CAP753)是直升機(jī)HUMS系統(tǒng)設(shè)計(jì)與使用的重要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。CAP753對(duì)HUMS系統(tǒng)的安裝、系統(tǒng)的能力，地面站系統(tǒng)的能力，交付系統(tǒng)性能的修改與確認(rèn)，系統(tǒng)的服務(wù)支持和系統(tǒng)的使用等方面，都給出了詳細(xì)的建議。文章從產(chǎn)生背景，特定的技術(shù)術(shù)語，指南主要內(nèi)容等方面詳細(xì)介紹了CAP753，希望能對(duì)我國自主HUMS系統(tǒng)的研制有一定的啟示作用。

直升機(jī)；振動(dòng)；振動(dòng)健康監(jiān)測；VHM；健康狀態(tài)與使用監(jiān)測系統(tǒng)；HUMS；CAP753

0 引言

隨著我國低空領(lǐng)域的開放，民用直升機(jī)必將大量使用。與軍用直升機(jī)關(guān)注機(jī)動(dòng)性、隱身能力、電子對(duì)抗和作戰(zhàn)性能不同，民用直升機(jī)更注重安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性、舒適性和環(huán)保性。

我國民用直升機(jī)的研制已成系列化發(fā)展，已成功推出AC系列直升機(jī)，包括：AC310、AC311、AC312、AC313等。

直升機(jī)HUMS系統(tǒng)對(duì)于提高直升機(jī)安全性、減少維護(hù)費(fèi)用、提高出勤率的重要作用，已得到廣泛認(rèn)可和驗(yàn)證，而VHM是HUMS的核心內(nèi)容。

自從1991年第一套HUMS系統(tǒng)裝備在北海油田直升機(jī)以來，HUMS技術(shù)得到了持續(xù)的發(fā)展，HUMS產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于軍民用直升機(jī)(據(jù)主要供應(yīng)商資料統(tǒng)計(jì)，HUMS裝機(jī)量超過6000套)。同時(shí)，也制定了各類技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，主要包括：英國CAA制定的直升機(jī)振動(dòng)健康監(jiān)測指南(CAP753)，美國FAA制定的AC29 M15旋翼航空器健康狀態(tài)和使用監(jiān)視系統(tǒng)(HUMS)的適航批準(zhǔn)，美國旋翼機(jī)工業(yè)技術(shù)協(xié)會(huì)(RITA，Rotorcraft Industry Technology Association)制定的AS539X系列標(biāo)準(zhǔn)。

CAP753規(guī)定了HUMS系統(tǒng)(VHM)的設(shè)計(jì)和使用。

AC29 M15規(guī)定了HUMS系統(tǒng)的安裝、驗(yàn)證和整個(gè)使用周期內(nèi)的持續(xù)適航指令(ICA)的適航批準(zhǔn)流程和方法。

AS539X技術(shù)規(guī)范是為實(shí)現(xiàn)通用性、減少維護(hù)工作量、降低HUMS購買成本而制定的HUMS傳感器和數(shù)據(jù)接口規(guī)范，包括：AS5391加速度計(jì)接口規(guī)范，該規(guī)范定義了HUMS常用的三種加速度計(jì)的電氣和機(jī)械性能，即機(jī)身加速度計(jì)、傳動(dòng)系統(tǒng)加速度計(jì)、發(fā)動(dòng)機(jī)加速度計(jì)；AS5392旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)方位傳感器規(guī)范，該文件定義了每次旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生脈沖的傳感器的電氣和機(jī)械規(guī)范，通常用于RT&B、發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)監(jiān)控；AS5393槳葉軌跡儀(數(shù)字式)接口規(guī)范，該規(guī)范適用于槳葉軌跡儀(數(shù)字式)與機(jī)載HUMS之間的電氣和數(shù)據(jù)接口；AS5394先進(jìn)多點(diǎn)數(shù)據(jù)接口規(guī)范，先進(jìn)多點(diǎn)傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)的星形構(gòu)型相比，重量、體積、成本以及復(fù)雜程度都有所降低，這個(gè)連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議管理費(fèi)用較低、效率和通用性高；AS5395 HUMS數(shù)據(jù)交換規(guī)范(DIS)5.0版，從各個(gè)角度(如數(shù)據(jù)定義和類別、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)文件)定義了HUMS數(shù)據(jù)。

但是，由于英國CAA強(qiáng)制規(guī)定“在英國注冊(cè)的，9座以上的運(yùn)營直升機(jī)必需安裝VHM系統(tǒng)(即HUMS系統(tǒng))”，使得“直升機(jī)振動(dòng)健康監(jiān)測指南(CAP753)”變得與眾不同，成為了各HUMS廠商均遵循的標(biāo)準(zhǔn)。

本文主要介紹該技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，希望能對(duì)我國自主HUMS系統(tǒng)研制有一定的啟示作用。

1 CAP753的產(chǎn)生背景及版本信息

20世紀(jì)90年代，HUMS系統(tǒng)開始裝備在英國北海油氣公司的大型直升機(jī)上。由于其對(duì)直升機(jī)安全性的獨(dú)特作用，裝備HUMS系統(tǒng)成為了直升機(jī)運(yùn)營公司的自覺行為。

隨后，英國CAA認(rèn)可了HUMS系統(tǒng)在直升機(jī)安全方面的作用。1999年6月1日，CAA頒布了額外耐飛性指南ADD 001-05-99，規(guī)定“在英國注冊(cè)的，9座以上的運(yùn)營直升機(jī)必需安裝VHM系統(tǒng)(即HUMS系統(tǒng))”。

2003年，EASA成立，認(rèn)可了CAA頒布的額外耐飛性指南ADD 001-05-99，因此，該技術(shù)規(guī)范也就成為了EASA的技術(shù)規(guī)范。

之后，英國CAA出版了CAP693，對(duì)直升機(jī)HUMS系統(tǒng)的監(jiān)控范圍進(jìn)行了界定，給出了HUMS系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)指南，以確保HUMS系統(tǒng)能被正確使用。

2006年，英國CAA對(duì)CAP693進(jìn)行了升級(jí)，形成了CAP753。該技術(shù)指南不僅對(duì)HUMS的設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定，對(duì)HUMS系統(tǒng)的使用也進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定，即形成了HUMS系統(tǒng)設(shè)計(jì)與使用指南。

2012年，CAA對(duì)CAP753(2006版)進(jìn)行了再次修訂，形成了目前使用的CAP753(2012版)。

2 CAP753特定術(shù)語

在CAP753中，對(duì)HUMS常用的24個(gè)技術(shù)術(shù)語進(jìn)行了定義，本文在剔除通用術(shù)語的基礎(chǔ)上，主要介紹以下11個(gè)關(guān)鍵術(shù)語：

1) 緊密監(jiān)測(Close Monitoring)：是指當(dāng)VHM狀態(tài)指示器超限或其他要求需要增加監(jiān)控時(shí)進(jìn)行的監(jiān)測行為。

2) 數(shù)據(jù)下載流程(Data Download Process)：是指VHM從機(jī)上下載數(shù)據(jù)到地面站的過程。要求每次飛行后下載，下載設(shè)備可為儲(chǔ)存卡或便攜設(shè)備。

3) 數(shù)據(jù)管理(Data Management)：是指從機(jī)上下載數(shù)據(jù)到地面站時(shí)，為保證數(shù)據(jù)的完整性而進(jìn)行的工作。

4) 地面站(Ground Station)：是指一種訪問VHM數(shù)據(jù)的方法，包括告警以及地勤人員航后故障診斷。地面站可查看機(jī)隊(duì)的歷史數(shù)據(jù)和相關(guān)健康狀態(tài)，通過對(duì)比分析，確定超限和故障診斷。地面站可以由第三方提供。

5) 傳感器(Sensors)：是指測量振動(dòng)的硬件。要求應(yīng)能適合機(jī)載環(huán)境，且具有CBIT/IBIT的功能。

6) 信號(hào)采樣率(Signal Sampling Rate)：是指信號(hào)記錄的頻率。信號(hào)采樣率應(yīng)滿足一定的帶寬，供數(shù)據(jù)分析，應(yīng)滿足振動(dòng)信號(hào)反混疊要求。

7) 振動(dòng)健康監(jiān)測(Vibration Health Monitoring - VHM)：是指利用振動(dòng)信號(hào)處理的結(jié)果，診斷機(jī)械系統(tǒng)的故障或性能降級(jí)的行為。

8) VHM應(yīng)用(VHM Application)：是指用VHM狀態(tài)指示器表征部件特定故障的行為，如用SO1(shaft order one，軸1階幅值)來表征尾槳軸動(dòng)平衡情況。

9) VHM狀態(tài)指示器(VHM Indicator)：是指基于某種特定算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理而得到的一個(gè)結(jié)果。該結(jié)果與特定部件的特定故障模式相對(duì)應(yīng)。VHM狀態(tài)指示器分為初級(jí)狀態(tài)指示器，中級(jí)狀態(tài)指示器和未來狀態(tài)指示器。初級(jí)狀態(tài)指示器是指能直接產(chǎn)生告警的指示器，中級(jí)狀態(tài)指示器是指需要進(jìn)行一定故障算法處理之后產(chǎn)生告警的指示器。

10) VHM狀態(tài)指示器產(chǎn)生速率(VHM Indicator Generation Rate)：通常包括：數(shù)據(jù)記錄/處理速度、VHM指示器數(shù)量、每次采樣要求的數(shù)據(jù)量等。

11) VHM系統(tǒng)(VHM System)：典型的系統(tǒng)包括：振動(dòng)傳感器及線纜，數(shù)據(jù)采集與處理硬件，從機(jī)上下載數(shù)據(jù)的方法，地面站和支持所有操作相關(guān)資料的系統(tǒng)。

3 CAP753指南主要內(nèi)容

CAP753主要從五個(gè)方面對(duì)HUMS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和使用進(jìn)行了規(guī)定，包括：系統(tǒng)安裝、系統(tǒng)能力、地面站系統(tǒng)能力、交付系統(tǒng)性能修改與確認(rèn)、系統(tǒng)服務(wù)支持和系統(tǒng)使用。

3.1 系統(tǒng)安裝

HUMS的安裝與其他電子產(chǎn)品的安裝相同，應(yīng)遵循EASA CS/FAR/JAR 27 /29和 BCAR 29；

必需有明確的直升機(jī)型號(hào)；

必需得到權(quán)威部門的認(rèn)可(批準(zhǔn))；

安裝與設(shè)備可分開論證；

軟件標(biāo)準(zhǔn)為RTCA/DO-178/EUROCAE ED-12。若沒有改變維修慣例或飛行操作，其失效不會(huì)嚴(yán)重影響飛行的可用RTCA/DO-178B D級(jí)(或更高)；

全面的安裝還應(yīng)考慮：最小化，電源，環(huán)境條件(含電磁兼容)，系統(tǒng)不沖突，人機(jī)功效等；

設(shè)備應(yīng)遵循RTCA/DO-160/EUROCAE ED 14(包括：強(qiáng)輻射(HIRF)和閃電保護(hù))。

3.2 VHM系統(tǒng)能力

3.2.1 監(jiān)控范圍

VHM的監(jiān)控范圍如表1所示。

表1 VHM監(jiān)控范圍

3.2.2 傳感器能力、位置與安裝

應(yīng)滿足機(jī)載環(huán)境適航要求，具有CBIT/IBIT能力；

傳感器安裝位置和安裝方法對(duì)結(jié)果有很大的影響，應(yīng)保證有足夠信噪比，適合故障診斷；

維護(hù)應(yīng)確保傳感器功能；

校準(zhǔn)/安裝應(yīng)被監(jiān)控。

3.2.3 信號(hào)采集與處理

數(shù)據(jù)采集應(yīng)與直升機(jī)的狀態(tài)相關(guān)，采集應(yīng)自動(dòng)進(jìn)行；

一些疲勞失效有可能在幾小時(shí)前被診斷，因此應(yīng)縮短采集周期，以適應(yīng)此診斷；

采樣率應(yīng)滿足采樣帶寬和反混疊要求；

采樣率應(yīng)適合產(chǎn)生VHM狀態(tài)指標(biāo)，應(yīng)清楚監(jiān)控部件特性。

3.2.4 飛行員接口

飛行員不參與日常VHM的數(shù)據(jù)采集；

飛行員可能要執(zhí)行采集特殊事件數(shù)據(jù)，輸入直升機(jī)重量，下載數(shù)據(jù)等工作；

帶有EPC(發(fā)電機(jī)功率檢查)功能時(shí)，需要進(jìn)行相應(yīng)的操作。

3.2.5 下載與儲(chǔ)存能力

非成功下載數(shù)據(jù)，應(yīng)有指示；

防止周圍環(huán)境對(duì)數(shù)據(jù)下載的影響。

3.2.6 故障診斷性能確認(rèn)

可用多種方法確認(rèn)故障診斷性能；

部件的振動(dòng)監(jiān)控很少能直接給出，提高信噪比能增強(qiáng)其靈敏度，使用、部件變化和維修會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響。

3.2.7 告警產(chǎn)生與管理

門限來自于振動(dòng)水平，振動(dòng)水平依賴于機(jī)隊(duì)的經(jīng)驗(yàn)或單架直升機(jī)的振動(dòng)學(xué)習(xí)；

初始門限值應(yīng)由設(shè)計(jì)部門推薦，門限值的修改應(yīng)得到設(shè)計(jì)部門的認(rèn)可；

在20世紀(jì)90年代中期對(duì)VHM進(jìn)行性能評(píng)估時(shí)，VHM的故障診斷率為70%；

應(yīng)周期性地對(duì)VHM的診斷能力進(jìn)行評(píng)估。

3.2.8 數(shù)據(jù)管理

地面站應(yīng)能顯示VHM數(shù)據(jù)的狀態(tài)，確定是否超限；

超限的顯示應(yīng)采用圖形等友好的方式；

應(yīng)能進(jìn)行機(jī)隊(duì)的平均門限值顯示和趨勢(shì)分析。

3.2.9 持續(xù)使用

所有的告警事件在維護(hù)手冊(cè)應(yīng)有指示；

VHM的例行檢查應(yīng)包括振動(dòng)傳感器的性能；

VHM維護(hù)人員應(yīng)有操作指南；

應(yīng)有飛行員操作指南。

3.2.10 培訓(xùn)

使用和維護(hù)VHM必需經(jīng)過培訓(xùn)。

3.2.11 最小設(shè)備列表

最小設(shè)備列表應(yīng)包括機(jī)上設(shè)備，地面設(shè)備和數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備。

3.3 VHM地面站能力

用于處理與顯示機(jī)載數(shù)據(jù)，處理結(jié)果用于維護(hù)；

地面站包括：地面站硬件、軟件；

地面站硬件為COTS產(chǎn)品，軟件分兩部分，操作系統(tǒng)為COTS產(chǎn)品，VHM特定軟件應(yīng)符合DO178，若涉及到危險(xiǎn)部件評(píng)估，其標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)與機(jī)載系統(tǒng)相同；

若應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)，則應(yīng)考慮數(shù)據(jù)通訊和防病毒問題。

3.4 交付系統(tǒng)性能修改與確認(rèn)

一些服務(wù)在開發(fā)期間已被批準(zhǔn)，大部分的應(yīng)用在CSI期間持續(xù)發(fā)展，包括：服務(wù)經(jīng)驗(yàn)、確認(rèn)服務(wù)依靠、服務(wù)失敗、錯(cuò)誤告警、門限的變化、持續(xù)支持流程等，這些也應(yīng)受控；

錯(cuò)誤告警不影響維護(hù)行為，不會(huì)產(chǎn)生無法完成或不可接受的情況；

CSI期間，設(shè)計(jì)者/用戶應(yīng)依CSI標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)審；

CSI期間應(yīng)提供門限值，且應(yīng)及時(shí)更新。

3.5 服務(wù)支持

應(yīng)定期開會(huì)確定狀態(tài)指示器的效果，診斷的門限和告警效果評(píng)估；

應(yīng)提供意外事故的額外技術(shù)支持；

若非TCH支持，應(yīng)包括：評(píng)估診斷類型和設(shè)置，評(píng)估診斷工作開發(fā)與改進(jìn)，培訓(xùn)，VHM數(shù)據(jù)的解釋與診斷；

為了避免性能退化，確保COTS軟硬件的有效性；

應(yīng)確保VHM狀態(tài)指示器性能的有效性。

3.6 VHM的使用

確保VHM系統(tǒng)符合3.1，3.2，3.3要求，確保系統(tǒng)受控。

3.6.1 VHM支持安排

使用者必需確保設(shè)計(jì)部門有清晰的工作安排；

VHM應(yīng)被批準(zhǔn)；

應(yīng)與設(shè)計(jì)部門有持續(xù)的聯(lián)系；

確保設(shè)計(jì)部門參與CSI和持續(xù)耐飛會(huì)議。

3.6.2 培訓(xùn)

用戶應(yīng)確保進(jìn)行全員培訓(xùn)。

3.6.3 使用程序

用戶必需確保VHM在其質(zhì)量管理體系之中；

明確VHM人員的義務(wù)和責(zé)任；

特定的VHM處理程序，包括：下載規(guī)則，飛行后處理，診斷會(huì)商程序，緊密監(jiān)控流程(CLOSE MONITORING)，事件報(bào)告制度；

門限設(shè)定與調(diào)整應(yīng)適當(dāng)；

最小設(shè)備列表；

培訓(xùn)要求；

應(yīng)將故障細(xì)節(jié)，拆卸、維修/檢查信息反饋給設(shè)計(jì)部門。

4 結(jié)束語

CAP753從HUMS系統(tǒng)安裝、系統(tǒng)能力、地面站系統(tǒng)能力、交付系統(tǒng)性能修改與確認(rèn)和系統(tǒng)服務(wù)支持等方面對(duì)HUMS的設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)描述，對(duì)于規(guī)范HUMS的設(shè)計(jì)起到重要的指導(dǎo)作用；同時(shí)，從支持安排、培訓(xùn)和使用程序等方面對(duì)HUMS的使用進(jìn)行了規(guī)范，對(duì)于促進(jìn)HUMS在直升機(jī)的使用起到重要的作用。

目前主要的HUMS系統(tǒng)供應(yīng)商均表示其系統(tǒng)符合CAP753技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，如：空直的MARMS系統(tǒng)，GE的Gen HUMS系統(tǒng)，GoodRich的IMD HUMS系統(tǒng)，HONEYWELL的Zing HUMS，Meggitt公司的IHUMS等。

我國正在自主開發(fā)HUMS系統(tǒng)，以前開發(fā)的系統(tǒng)并沒有完全遵循CAP753標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行開發(fā)，目前正在開發(fā)的AC313 HUMS系統(tǒng)、AC352 HUMS系統(tǒng)均遵循該技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。希望本文能對(duì)我國自主HUMS系統(tǒng)的研制有一定的啟示作用。

[1] 李新民，黃建萍，金小強(qiáng). 美國直升機(jī)HUMS系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)與接口標(biāo)準(zhǔn)研究[C].裝備故障預(yù)測與健康管理(PHM)年會(huì)，2014.

[2] CAP 753 Helicopter Vibration Health Monitoring (VHM) Guidance Material for Operators Utilising VHM in Rotor and Rotor Drive Systems of Helicopters[S] Civil Aviation Authority ，2012.

[3] AC 29 MG15 Airworthiness Approval of Rotorcraft Health Usage Monitoring Systems(HUMS)[S].

[4] EUROCAE ED-12B, RTCA DO-178B Software Considerations in Airborne Systems and Equipment Certification[S].

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[6] EUROCAE ED-94B, RTCA DO-248B Final Annual Report for clarification of DO-178B/ED-12B[S].

[7] Zing CBM /HUMS Sales Training[S]. PPT,HONEYWELL,2012.

[8] M'ARMS EC225 Training Manual[S].pptx,EC,2013.

[9] GoodRich HUMS[S].PPT, GoodRich,2014.

[10] New MSS Helicopter Capability MARCH 2015 ISZ[EB/OL].Meggitt,2015.

The Guidance Material of Helicopter Vibration Health Monitoring(CAP753)

ZHU Guifang

(China Helicopter Research and Development Institute, Jingdezhen 333001,China)

The Guidance Material of Helicopter Vibration Health Monitoring (CAP753) is an important technical standard for helicopter HUMS design and usage. Particular advices are described in CAP753 for the installation of HUMS, capability of HUMS system, capability of ground station, modification and acknowledgement of the system performance, system support service and usage of the system. The background, special glossary and main contents of the guidance CAP753 were introduced in this paper. This paper would give some help for Chinese HUMS system independent research.

helicopter; vibration; Vibration Health Monitoring; VHM Health and Usage Monitoring System ; HUMS; CAP753

2015-03-14

朱桂芳(1968-)，女，湖南常德人，碩士，高級(jí)工程師，研究方向：民用直升機(jī)管理。

1673-1220(2015)02-063-04

V267+.31

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