航空發(fā)動機(jī)故障診斷技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展研究

董超

(中國南方航空股份有限公司北京分公司飛機(jī)維修廠，北京100621)

航空發(fā)動機(jī)故障診斷技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展研究

董超

(中國南方航空股份有限公司北京分公司飛機(jī)維修廠，北京100621)

近幾年，隨著我國國防科技力量的增強(qiáng)，我國在自主航空設(shè)備研發(fā)上取得了突破性進(jìn)展。航空發(fā)動機(jī)是航空設(shè)備的重要組成部分，是其動力源泉。因此，一旦航空發(fā)動機(jī)產(chǎn)生故障，會嚴(yán)重影響航空設(shè)備的性能和安全。從航空發(fā)動機(jī)故障診斷技術(shù)入手，對航空發(fā)動機(jī)故障診斷技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀深入分析，研究其未來發(fā)展方向和發(fā)展趨勢，為進(jìn)一步提升我國航空發(fā)動機(jī)的安全性與穩(wěn)定性奠定基礎(chǔ)。

航空發(fā)動機(jī)；故障診斷技術(shù)；發(fā)展

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.09.032

1 航空發(fā)動機(jī)及其故障診斷

航空發(fā)動機(jī)是為航空設(shè)備飛行提供動力的裝置，是一種高密度、高精度、高復(fù)雜的熱力學(xué)機(jī)械設(shè)備，是影響飛機(jī)性能的主要因素，也是評判一個(gè)國家科技、工業(yè)和國防力量水平的重要指標(biāo)。當(dāng)前，我國航空發(fā)動機(jī)主要分為活塞式航空發(fā)動機(jī)、燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)和沖壓發(fā)動機(jī)3種。航空發(fā)動機(jī)故障診斷技術(shù)的主要任務(wù)是對航空發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的故障進(jìn)行檢測，分析故障類型，確定故障位置，實(shí)施故障恢復(fù)。因此，故障診斷不僅是單一地對故障進(jìn)行檢測，還必須具備后續(xù)的技術(shù)手段。故障診斷是一個(gè)完整的系統(tǒng)，可以在該系統(tǒng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)對航空發(fā)動機(jī)的檢測與修復(fù)。對故障診斷技術(shù)判斷的性能指標(biāo)主要包含及時(shí)性、靈敏性、準(zhǔn)確性、安全性、適應(yīng)性和分離性。其中，及時(shí)性主要指系統(tǒng)故障發(fā)生后能夠在最短的時(shí)間內(nèi)檢測到故障的發(fā)生點(diǎn)。

2 航空發(fā)動機(jī)故障診斷技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 lMOS-ELM診斷技術(shù)

IMOS-ELM診斷主要是利用OS-ELM算法對飛機(jī)內(nèi)部的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行故障矩陣推算，從而實(shí)現(xiàn)故障診斷。當(dāng)前我國主要是在發(fā)動機(jī)傳感器故障診斷中應(yīng)用IMOS-ELM診斷技術(shù)。因?yàn)閭鞲衅魇呛娇瞻l(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵因素，在其處理和完善的過程中需要利用技術(shù)處理實(shí)現(xiàn)故障改進(jìn)，分析多元件故障，提高飛機(jī)發(fā)動機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行性能和安全性能。

IMOS-ELM診斷技術(shù)具有準(zhǔn)確性高、修正性高的特征。航空發(fā)動機(jī)故障診斷中應(yīng)用IMOS-ELM診斷技術(shù)不僅可以對其傳感器故障進(jìn)行診斷，還可以應(yīng)用于不同的系統(tǒng)元件故障診斷中。

2.2 油液分析診斷技術(shù)

當(dāng)前我國航空發(fā)動機(jī)應(yīng)用油液分析診斷技術(shù)主要是對其發(fā)動機(jī)的磨損故障進(jìn)行診斷，利用航空發(fā)動機(jī)油液所攜帶的設(shè)備工作情況來對設(shè)備的工作狀況及問題進(jìn)行判斷，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)防性維護(hù)的目的。我國航空發(fā)動機(jī)應(yīng)用的油液分析診斷技術(shù)包含光譜分析技術(shù)和鐵譜分析技術(shù)。

1）光譜分析技術(shù)即利用物質(zhì)吸收能之比與物質(zhì)自身性質(zhì)比之間的關(guān)系，測定物質(zhì)發(fā)射或吸收光譜的波長和強(qiáng)度，分析物質(zhì)元素成分和含量的變化，實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動機(jī)元件的故障檢測和分析，利用光譜分析的油液分析診斷技術(shù)能夠在保障飛行安全的前提下，降低飛機(jī)的維修費(fèi)用，延長飛機(jī)發(fā)動機(jī)的壽命，確定最佳換油期。因此，被廣泛應(yīng)用于我國航空發(fā)動機(jī)磨損故障診斷中。

2）鐵譜分析技術(shù)主要是利用高梯度磁場作用，在發(fā)動機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部采集油樣，分離油樣中的磨損顆粒，按照磨損顆粒在普片上的排列情況、形狀、大小、數(shù)量等定性和定量分析設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，診斷設(shè)備故障點(diǎn)和故障原因。目前，鐵譜分析技術(shù)在航空發(fā)動機(jī)磨損故障檢測中應(yīng)用并不廣泛，其主要原因是鐵譜分析技術(shù)需要在特定的高梯度磁場作用下才能實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行分析，而飛機(jī)在運(yùn)行的過程中無法開展該項(xiàng)檢測工作。此外，鐵譜分析技術(shù)的取樣和現(xiàn)場分析時(shí)間相對較長，不利于故障的及時(shí)診斷和處理。

2.3 解析模型診斷技術(shù)

解析模型故障診斷技術(shù)應(yīng)用過程中將航空發(fā)動機(jī)的可信信息與模型表達(dá)信息進(jìn)行驗(yàn)證、比較、殘差處理，實(shí)現(xiàn)解析模型故障技術(shù)的應(yīng)用。當(dāng)前我國航空發(fā)動機(jī)解析模型診斷技術(shù)主要分為狀態(tài)評估法、參數(shù)評估法和等價(jià)空間評估法。

1）狀態(tài)評估方法主要是通過評估系統(tǒng)的狀態(tài)情況，結(jié)合適應(yīng)模型的狀態(tài)數(shù)據(jù)對航空發(fā)動機(jī)進(jìn)行監(jiān)測和診斷，利用構(gòu)成殘差序列，將殘差序列的矛盾點(diǎn)構(gòu)成模型序列，最終利用統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)的方式將故障進(jìn)一步分離、預(yù)估、決策，實(shí)現(xiàn)對航空發(fā)動機(jī)的故障檢測。航空發(fā)動機(jī)數(shù)學(xué)模型的高維、非線性的復(fù)雜性決定其在自動化控制方面需要精密的狀態(tài)檢測儀器和設(shè)備，這樣才能保證航空發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的復(fù)雜性和穩(wěn)定性。

2）參數(shù)評估法主要是根據(jù)航空發(fā)動機(jī)參數(shù)的變化特征和規(guī)律對其故障進(jìn)行診斷。航空發(fā)動機(jī)在應(yīng)用參數(shù)評估方法的過程中，在故障與參數(shù)之間建立了數(shù)學(xué)模型，利用有效參數(shù)評估的方法，選擇適當(dāng)?shù)膮?shù)對其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)決策處理，分析故障的發(fā)生點(diǎn)。因此，參數(shù)評估法的參數(shù)和數(shù)量確定至關(guān)重要。

3）等價(jià)空間評估法近幾年應(yīng)用于我國航空發(fā)動機(jī)故障診斷中。主要是利用航空發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的輸入、輸出的實(shí)際測量值與模型值一致性確定航空發(fā)動機(jī)的故障，并且實(shí)現(xiàn)故障分離。例如，在航空發(fā)動機(jī)磨損故障檢測過程中利用發(fā)動機(jī)的原始數(shù)據(jù)建立模型，對其實(shí)際的輸出、輸入磨損值進(jìn)行檢測，實(shí)現(xiàn)磨損點(diǎn)的確定，并且采用非線性模型修改的方式實(shí)現(xiàn)特定故障的分離和修正。因此，等價(jià)空間評估方法適用于多種航空發(fā)動機(jī)故障診斷檢測[1]。

2.4 信號處理診斷技術(shù)

信號處理診斷技術(shù)主要是根據(jù)航空發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)信號模型的幅值、相位和頻率的不同性、相關(guān)性確定發(fā)動機(jī)與故障源之間的關(guān)系。目前我國航空發(fā)動機(jī)故障診斷中應(yīng)用信號處理診斷技術(shù)主要包含主元分析法、小波變換診斷分析法和利用δ算子診斷分析法。

（1）主元分析法主要是利用飛機(jī)發(fā)動機(jī)飛行過程中的歷史數(shù)據(jù)建立主元分析法，在正常數(shù)據(jù)的主元模型基礎(chǔ)上利用實(shí)測信號和模型信號之間的沖突關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對航空發(fā)動機(jī)的故障診斷。（2）小波變換診斷方式主要是利用時(shí)頻分析法對信號進(jìn)行小波變換，從而利用小波變換后的奇異點(diǎn)分析系統(tǒng)的故障點(diǎn)，明確航空發(fā)動機(jī)故障點(diǎn)的位置。（3）利用δ算子診斷分析法主要是在δ算子的空間內(nèi)部用最小M乘正交投影向量集，推導(dǎo)完整格形濾波器，建立故障檢測濾波器。在使用δ算子對航空發(fā)動機(jī)實(shí)施故障診斷的過程中，是根據(jù)δ算子的描述性預(yù)測誤差向量的元素關(guān)系，實(shí)現(xiàn)故障敏感度的診斷。

3 航空發(fā)動機(jī)故障診斷技術(shù)的發(fā)展

3.1 便攜診斷技術(shù)的發(fā)展

近幾年，隨著我國信息技術(shù)水平的逐漸提升，在航空發(fā)動機(jī)故障診斷技術(shù)的改進(jìn)和創(chuàng)新上，開始針對其診斷技術(shù)應(yīng)用的便攜式進(jìn)行創(chuàng)新。我國在國防軍事技術(shù)發(fā)展中已經(jīng)開始實(shí)現(xiàn)便攜式武器設(shè)備的研發(fā)，如便攜式偵查定位設(shè)備的自主研發(fā)，在提升了偵查定位設(shè)備準(zhǔn)確性的同時(shí)，強(qiáng)化了設(shè)備使用的方便性。因此，便攜式航空發(fā)動機(jī)故障診斷技術(shù)的創(chuàng)新也必將成為其主要發(fā)展方向之一。此外，當(dāng)前我國航空發(fā)動機(jī)故障診斷技術(shù)在其診斷范圍和精確性上相對較為全面，但是部分檢測技術(shù)存在檢測便攜性較差的特征。因此，針對航空發(fā)動機(jī)故障診斷技術(shù)的便攜式研究已成為航空發(fā)動機(jī)故障診斷技術(shù)創(chuàng)新的發(fā)展方向。

3.2 嵌入式診斷技術(shù)的發(fā)展

美國海軍自主研發(fā)了海軍CH-53E超級海種馬直升機(jī)，該直升機(jī)的診斷設(shè)備中采用的是嵌入式診斷技術(shù)。嵌入式診斷技術(shù)利用機(jī)械診斷、狀態(tài)診斷、綜合監(jiān)控診斷的方式對飛機(jī)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行搜集和整理，在其飛行的過程中用于自身故障診斷，利用飛機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與地面網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建立直升機(jī)狀態(tài)信息數(shù)據(jù)更新系統(tǒng)，對其數(shù)據(jù)進(jìn)行雙重分析，實(shí)現(xiàn)雙重分析診斷。因此，嵌入式診斷技術(shù)不僅能提高航空發(fā)動機(jī)故障診斷的準(zhǔn)確率，還能夠縮短診斷時(shí)間，是航空發(fā)動機(jī)診斷技術(shù)未來的主要研究方向。

當(dāng)前我國在航空發(fā)動機(jī)診斷技術(shù)創(chuàng)新研究的過程中利用系統(tǒng)自身的檢測能力，在航空飛行設(shè)備內(nèi)部建立獨(dú)立的評估系統(tǒng)，對航空發(fā)動機(jī)的異常和故障進(jìn)行診斷，實(shí)現(xiàn)嵌入式航空發(fā)動機(jī)診斷。但是，在其自主獨(dú)立系統(tǒng)建立的過程中仍然需要進(jìn)一步對其進(jìn)行完善。例如，在對航空發(fā)動機(jī)磨損故障診斷的嵌入式診斷技術(shù)研究過程中，利用模型對比診斷分析的方式建立嵌入式診斷檢測設(shè)備，該種診斷分析方式并不能夠滿足發(fā)動機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)診斷檢測。因此，在我國航空發(fā)動機(jī)故障診斷嵌入式技術(shù)的自主研發(fā)上仍然需要不斷地創(chuàng)新和發(fā)展。

3.3 智能人工診斷技術(shù)的發(fā)展

設(shè)備的智能化發(fā)展是當(dāng)前世界各國在技術(shù)自主研發(fā)上的主要發(fā)展趨勢，未來我國航空發(fā)動機(jī)故障診斷技術(shù)也必將朝著智能人工診斷技術(shù)的方向發(fā)展。智能人工診斷技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)飛機(jī)發(fā)動機(jī)智能診斷，提高診斷的精確度，節(jié)省人力、物力和財(cái)力。航空發(fā)動機(jī)智能人工故障診斷發(fā)展過程中將從模擬人的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，在模糊理論的基礎(chǔ)上建立智能人工診斷。人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)是利用信息技術(shù)處理方式，模擬人的學(xué)習(xí)、記憶方式，對數(shù)據(jù)信息實(shí)施處理、存儲、檢索、分析等，實(shí)現(xiàn)智能信息搜集和問題判斷。此外，智能人工診斷技術(shù)的發(fā)展能夠從信息技術(shù)和人工智能化2方面滿足當(dāng)前市場技術(shù)發(fā)展需求。在強(qiáng)化航空發(fā)動機(jī)故障診斷技術(shù)準(zhǔn)確性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)故障診斷的全智能化，節(jié)約故障診斷時(shí)間，提高故障診斷的準(zhǔn)確性。因此，智能人工故障診斷技術(shù)是未來航空發(fā)動機(jī)故障診斷的主要發(fā)展方向之一[2]。

根據(jù)對當(dāng)前我國航空發(fā)動機(jī)故障診斷技術(shù)現(xiàn)狀分析，在其應(yīng)用上主要包含IMOS-ELM診斷技術(shù)、油液分析診斷技術(shù)、解析模型診斷技術(shù)和信號處理診斷技術(shù)。為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動機(jī)的便攜性、安全性和可靠性未來需從便攜診斷技術(shù)、嵌入式診斷技術(shù)和智能人工診斷技術(shù)3個(gè)方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)我國航空發(fā)動機(jī)故障診斷技術(shù)的創(chuàng)新。

【1】馬安祥，李艷軍，曹愈遠(yuǎn)，等.基于免疫理論的航空發(fā)動機(jī)磨損故障智能診斷[J].航空學(xué)報(bào)，2015,6(7)∶1896-1904.

【2】楊東山，寇應(yīng)展，田海寧.齒輪箱系統(tǒng)故障診斷技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展簡述[J].機(jī)械工程與自動化，2014,2(1)∶223-224.

Status and Development of Fault Diagnosis Technology for the Aeroengine

DONG Chao
(Beijing Branch Aircraft Maintenance Factory of China Southern Airlines Co.Ltd.,Beijing 100621,China)

In recent years,along with the improvement of the national defense science and technology,China has made great progress in developing device independence.The aeroengine is an important part of the aviation equipment,as the source of its power.As a result, aeroengine fault will seriously affect the performance and security of aviation equipment.From the fault diagnosis technology for the aeroengine,its application status is analyzed,and the future development direction and trend are studied to lay the basis for further improvement of the aeroengine security and stability in China.

aeroengine;fault diagnosis technology;development

V263.6

A

1007-9467（2016）09-0073-03

2016-08-12

董超（1987～），男，天津人，工程師，從事飛機(jī)的航線維護(hù)及技術(shù)維修研究。