航空發(fā)動(dòng)機(jī)限壽件使用壽命監(jiān)視研究

趙　勇，李本威，宋里宏（海軍航空工程學(xué)院，山東煙臺(tái)264001）

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航空發(fā)動(dòng)機(jī)限壽件使用壽命監(jiān)視研究

趙勇，李本威，宋里宏
（海軍航空工程學(xué)院，山東煙臺(tái)264001）

摘要：隨著單元體設(shè)計(jì)與基于狀態(tài)維修等理念的發(fā)展，為克服早期傳統(tǒng)的使用監(jiān)視方法的不足，提出并發(fā)展了航空發(fā)動(dòng)機(jī)限壽件使用壽命監(jiān)視技術(shù)。在歸納發(fā)動(dòng)機(jī)使用監(jiān)視發(fā)展歷程的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)論述了使用壽命監(jiān)視概念、功能結(jié)構(gòu)、發(fā)展現(xiàn)狀及未來趨勢，并對比了使用壽命監(jiān)視相對于早期使用監(jiān)視方法的優(yōu)越性與研究的必要性；詳細(xì)分析了使用壽命監(jiān)視需解決的關(guān)鍵技術(shù)及潛在的應(yīng)用前景；最后結(jié)合國內(nèi)現(xiàn)狀，給出了開展使用壽命監(jiān)視研究的相關(guān)建議。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動(dòng)機(jī)；使用壽命監(jiān)視；限壽件；基于狀態(tài)的維修；預(yù)測與健康管理（PHM）；壽命延長控制

1　引言

20世紀(jì)70年代隨著單元體設(shè)計(jì)概念的提出，以及維修思想從定時(shí)維修到視情維修的轉(zhuǎn)變，使用壽命監(jiān)視受到了前所未有的關(guān)注［1］。使用壽命監(jiān)視就是利用發(fā)動(dòng)機(jī)測量參數(shù)建立一個(gè)準(zhǔn)確反映限壽件壽命消耗的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)每次飛行參數(shù)的測量與處理，計(jì)算限壽件在實(shí)際使用中的壽命消耗［2-3］。其目的在于監(jiān)視和跟蹤限壽件的實(shí)際使用情況，以便充分利用其可用壽命，使其使用更加經(jīng)濟(jì)有效、安全合理［4］。文獻(xiàn)［5］中表明，通過引入使用壽命監(jiān)視，可使發(fā)動(dòng)機(jī)限壽件在不降低使用安全性的前提下平均使用壽命翻倍。軍用飛機(jī)在作戰(zhàn)訓(xùn)練使用中，由于飛行剖面的多樣性而更加突出了對這項(xiàng)工作的需求，并使使用壽命的跟蹤更加復(fù)雜化［6］。國外許多軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)從上世紀(jì)70年代就陸續(xù)加裝了使用壽命監(jiān)視系統(tǒng)［7-11］，而國內(nèi)仍大多采用基于飛行時(shí)間或起落數(shù)的傳統(tǒng)方法，亟待發(fā)展適應(yīng)我國軍用發(fā)動(dòng)機(jī)使用的限壽件使用壽命監(jiān)視技術(shù)。

使用壽命監(jiān)視技術(shù)的發(fā)展，對于引導(dǎo)目前國內(nèi)維護(hù)保障模式改革及優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)使用具有極大的推動(dòng)作用。而如何發(fā)展與應(yīng)用使用壽命監(jiān)視技術(shù)，重點(diǎn)發(fā)展哪些關(guān)鍵技術(shù)等，都成了亟待解決的問題。鑒于此，本文在歸納航空發(fā)動(dòng)機(jī)使用監(jiān)視歷程的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)分析了基于飛參使用壽命監(jiān)視發(fā)展的必要性、現(xiàn)狀與未來趨勢、關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用前景等，并結(jié)合國內(nèi)現(xiàn)狀給出了國內(nèi)開展使用壽命監(jiān)視研究的相關(guān)建議。

2　航空發(fā)動(dòng)機(jī)使用監(jiān)視歷程

使用監(jiān)視作為確保航空發(fā)動(dòng)機(jī)安全使用的重要保障，從發(fā)動(dòng)機(jī)投入使用開始就受到了足夠重視，并處于不斷發(fā)展之中?？偟膩碚f，航空發(fā)動(dòng)機(jī)使用監(jiān)視經(jīng)歷了從簡單到復(fù)雜、從離線到在線、從單一到綜合化的發(fā)展過程。

2.1早期基于飛行時(shí)間或起落數(shù)的使用監(jiān)視

早期的航空發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命監(jiān)視中，大多采用記錄發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間或飛行起落數(shù)的方法，來對限壽件進(jìn)行壽命監(jiān)視與管理。這種方法在發(fā)動(dòng)機(jī)壽命件的設(shè)計(jì)階段，通常只考慮一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)飛行剖面（設(shè)計(jì)載荷譜），通過詳細(xì)計(jì)算其應(yīng)力、溫度及利用材料特性與失效模式，給出該標(biāo)準(zhǔn)飛行條件下發(fā)動(dòng)機(jī)部件的安全使用壽命，并以此為標(biāo)準(zhǔn)在全機(jī)群范圍內(nèi)實(shí)施一刀切的基于飛行時(shí)間或起落數(shù)的監(jiān)視與管理。事實(shí)上，使用過程中發(fā)動(dòng)機(jī)壽命件的壽命消耗，與其實(shí)際所受的應(yīng)力、應(yīng)變及溫度等載荷是分不開的。若按統(tǒng)一的飛行時(shí)間進(jìn)行壽命管理，使用載荷較小時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)壽命件繼續(xù)使用的潛力被浪費(fèi)，而使用在極度惡劣情況時(shí)則易發(fā)生安全事故。

2.2基于飛參的使用壽命監(jiān)視

發(fā)動(dòng)機(jī)對其可靠性的更高需求及飛參技術(shù)的成熟發(fā)展，奠定了基于飛參的發(fā)動(dòng)機(jī)限壽件使用壽命單機(jī)監(jiān)視技術(shù)的基礎(chǔ)。基于飛參的使用壽命監(jiān)視以限壽件的累積損傷為限壽標(biāo)準(zhǔn)，通過利用發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際使用數(shù)據(jù)，采用相關(guān)算法對發(fā)動(dòng)機(jī)限壽件的壽命消耗進(jìn)行單機(jī)追蹤，當(dāng)限壽件的累積損傷達(dá)到預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)予以報(bào)廢與替換。其能在降低發(fā)動(dòng)機(jī)部件使用風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)，極大地減少壽命周期維護(hù)費(fèi)用。

圖1以發(fā)動(dòng)機(jī)三種特殊使用情況為例，形象對比了早期基于飛行時(shí)間或起落數(shù)和基于飛參兩種監(jiān)視方法的特點(diǎn)，及開展使用壽命監(jiān)視的必要性。

2.3國外典型的使用壽命監(jiān)視系統(tǒng)

國外航空技術(shù)強(qiáng)國多年來在軍用和民用使用監(jiān)視領(lǐng)域，都進(jìn)行了大量的研究與試驗(yàn)，開發(fā)了很多典型的使用壽命監(jiān)視系統(tǒng)，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)［12-13］。

圖1 使用監(jiān)視方法特點(diǎn)對比Fig.1 Comparison of usage monitoring methods

F100發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)載的事件歷史記錄器（EHR），用于監(jiān)視發(fā)動(dòng)機(jī)的特定參數(shù)，并為地勤人員提供直接讀數(shù)。EHR記錄了來自電子控制器的高壓轉(zhuǎn)速循環(huán)、低壓渦輪進(jìn)氣溫度等參數(shù)，可進(jìn)行部件的壽命管理和故障檢測。B-1B裝配的F101-GE-102發(fā)動(dòng)機(jī)、F-16裝配的F110-GE-100發(fā)動(dòng)機(jī)以及F-14裝配的F110-GE-400發(fā)動(dòng)機(jī)，都具有發(fā)動(dòng)機(jī)壽命件使用壽命監(jiān)視功能。其中，F(xiàn)101發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命監(jiān)視功能合并到了發(fā)動(dòng)機(jī)的中央集成測試系統(tǒng)中，F(xiàn)110發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命監(jiān)視則與發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)（EMS）實(shí)現(xiàn)了一體化，這兩種系統(tǒng)都采用了機(jī)載數(shù)據(jù)采集與地面站深入分析壽命使用的模式。T700發(fā)動(dòng)機(jī)的歷史記錄器可對發(fā)動(dòng)機(jī)17個(gè)限壽件的使用壽命進(jìn)行監(jiān)視，其4個(gè)數(shù)字顯示窗口分別顯示限壽件的不同循環(huán)數(shù)及工作時(shí)間。F404-400發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命監(jiān)視功能合并在其空中發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)（IECMS）中，監(jiān)視的使用壽命參數(shù)包括完整和部分轉(zhuǎn)速循環(huán)、壓氣機(jī)出口壓力完整循環(huán)、高壓渦輪葉片前緣尾緣溫度等，可對發(fā)動(dòng)機(jī)的25個(gè)限壽件的低周疲勞進(jìn)行跟蹤。

德國早在1982年就已產(chǎn)生開發(fā)機(jī)載使用壽命監(jiān)視系統(tǒng)（OLMOS）的思想［8］。OLMOS集成在飛參記錄儀的數(shù)據(jù)采集單元中，通過一數(shù)學(xué)模型來計(jì)算轉(zhuǎn)子的瞬態(tài)溫度和應(yīng)力，進(jìn)而評估轉(zhuǎn)子的低周疲勞壽命消耗。截止1997年，德國空軍Tornado飛機(jī)裝配的RB199發(fā)動(dòng)機(jī)的OLMOS已對機(jī)群進(jìn)行了10多年的跟蹤監(jiān)測［14］，相比于傳統(tǒng)監(jiān)視方法，OLMOS的引入能最大化地利用壽命件的使用壽命（圖2），對飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的操作、維護(hù)產(chǎn)生了重大影響。圖3給出了OLMOS在機(jī)群范圍內(nèi)對低壓壓氣機(jī)某關(guān)鍵部位77個(gè)飛行剖面監(jiān)視的統(tǒng)計(jì)結(jié)果?？梢?，使用壽命與飛行時(shí)間的關(guān)聯(lián)性不強(qiáng)，利用飛行時(shí)間的折算來衡量使用壽命的方法分散性太大；即使執(zhí)行相同的飛行任務(wù)，同一飛機(jī)上兩個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際使用壽命也差異較大。

圖2 不同監(jiān)視方法下壽命件使用壽命平均利用情況Fig.2 Mean life usage of life-limited parts with different monitoring methods

圖3 低壓壓氣機(jī)某關(guān)鍵部位使用壽命監(jiān)視統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.3 Statistical result of life usage monitoring for a critical area in low pressure compressor

早在20世紀(jì)70年代中期，英國就開始了空軍裝配的發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命監(jiān)視系統(tǒng)（EUMS）的開發(fā)，記錄的參數(shù)包括轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣溫度、排氣溫度等，可準(zhǔn)確評估發(fā)動(dòng)機(jī)主要旋轉(zhuǎn)部件低周疲勞壽命的使用情況。系統(tǒng)開發(fā)完成后又進(jìn)行了更新，先后開發(fā)了兩個(gè)新版本。AV-8B飛機(jī)裝配的飛馬MK105、F402-RR-406發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)都具有使用壽命監(jiān)視功能，可監(jiān)視發(fā)動(dòng)機(jī)主要部件的低周疲勞壽命和高壓渦輪葉片的蠕變/熱疲勞壽命。在該系統(tǒng)使用早期，只可監(jiān)視6個(gè)主要部件的低周疲勞使用壽命，其他部件都采取折算因子的方法進(jìn)行換算。經(jīng)過算法改進(jìn)后，該系統(tǒng)可直接監(jiān)視發(fā)動(dòng)機(jī)36個(gè)關(guān)鍵部件的使用壽命，并具有很高的精度。

目前，F(xiàn)119、EJ200及F135等先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)，無一例外地配裝了發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)了使用壽命監(jiān)視功能與發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理系統(tǒng)的綜合一體化［15-16］。F119發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命監(jiān)視功能分為機(jī)載和地面兩部分，機(jī)載模塊可在線計(jì)算壽命件的壽命消耗，包括熱端部件的蠕變壽命，低周疲勞壽命，工作時(shí)間、加力點(diǎn)火次數(shù)等使用壽命參數(shù)，由機(jī)載的獨(dú)立發(fā)動(dòng)機(jī)診斷單元（CEDU）實(shí)現(xiàn)；地面模塊可進(jìn)行關(guān)鍵部件的壽命消耗累積及相應(yīng)的維護(hù)任務(wù)優(yōu)化。EJ200發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命監(jiān)視功能也分為機(jī)載和地面兩部分，機(jī)載部分可根據(jù)機(jī)載飛行任務(wù)剖面數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)計(jì)算部件壽命消耗，并隨著飛行的繼續(xù)不斷更新；地面部分負(fù)責(zé)對機(jī)載的使用壽命結(jié)果進(jìn)行核查，并預(yù)測限壽件的可用剩余壽命，以便制定合理的維護(hù)計(jì)劃。其使用監(jiān)視模塊可監(jiān)視關(guān)鍵部件的低周疲勞、蠕變及熱機(jī)械疲勞等，監(jiān)視的部件及對應(yīng)損傷機(jī)理如表1所示。F135發(fā)動(dòng)機(jī)代表當(dāng)今發(fā)動(dòng)機(jī)的最高發(fā)展水平，其使用壽命監(jiān)視功能模塊可在線計(jì)算和跟蹤限壽件的使用壽命消耗，并能根據(jù)計(jì)算的壽命消耗和預(yù)測的剩余壽命，實(shí)時(shí)評估發(fā)動(dòng)機(jī)執(zhí)行預(yù)定任務(wù)的能力，從而為指揮人員提供科學(xué)決策依據(jù)?？梢?，國外對使用壽命監(jiān)視的研究日益重視，使用壽命監(jiān)視系統(tǒng)的發(fā)展呈現(xiàn)出涵蓋面廣、功能全面、與PHM（預(yù)測與健康管理）系統(tǒng)綜合一體化等特點(diǎn)。

表1 EJ200發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命監(jiān)視的部件及損傷機(jī)理Table 1 Life usage monitoring component in EJ200 and damage mechanism

2.4國內(nèi)使用壽命監(jiān)視研究現(xiàn)狀

國內(nèi)開展航空發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命監(jiān)視工作較晚，深入程度較國外差距較大。長期以來，國內(nèi)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)長試實(shí)踐、使用大修經(jīng)驗(yàn)、相近機(jī)型類比等方法，確定發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命和翻修時(shí)間。壽命指標(biāo)仍以發(fā)動(dòng)機(jī)工作小時(shí)數(shù)為主，部隊(duì)在使用中則根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作時(shí)間來確定壽命消耗。

目前，國內(nèi)已認(rèn)識(shí)到航空發(fā)動(dòng)機(jī)單機(jī)使用壽命監(jiān)視的重要性，并對此進(jìn)行了大量研究。但從公開發(fā)表文獻(xiàn)看［2-4，6，13］，國內(nèi)關(guān)于發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命監(jiān)視系統(tǒng)的研究主要側(cè)重于功能框架設(shè)計(jì)，深入程度不夠，處理方法相對簡單；相關(guān)研究主要集中在部件損傷機(jī)理、壽命預(yù)測方法及相關(guān)試驗(yàn)上，應(yīng)用于具體型號(hào)的成熟使用壽命監(jiān)視系統(tǒng)較少。

3　使用壽命監(jiān)視關(guān)鍵技術(shù)分析

與傳統(tǒng)監(jiān)視方法相比，基于飛參的使用壽命監(jiān)視需要對壽命件的載荷、壽命等進(jìn)行快速計(jì)算分析，其功能（或流程）結(jié)構(gòu)如圖4所示。使用壽命監(jiān)視的功能構(gòu)成決定了其關(guān)鍵技術(shù)主要包括：性能參數(shù)計(jì)算，部件溫度、應(yīng)力分析，壽命消耗模型及驗(yàn)證技術(shù)等。

圖4 使用壽命監(jiān)視的功能結(jié)構(gòu)Fig.4 Functional structure of life usage monitoring

3.1性能參數(shù)計(jì)算模型

使用過程中發(fā)動(dòng)機(jī)限壽件所受的載荷分析需要以其實(shí)際工作參數(shù)為基礎(chǔ)。雖然發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)載飛參數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)能提供部分易測參數(shù)，如大氣條件、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速及部分截面的溫度和壓力，但是由于當(dāng)前機(jī)載測試傳感器大多為了控制安裝，加之傳感器技術(shù)限制無法工作在極端惡劣條件下，機(jī)載測試數(shù)據(jù)非常有限，不能完全滿足各限壽件的使用壽命監(jiān)視需求。

發(fā)動(dòng)機(jī)性能仿真模型常用于計(jì)算使用壽命監(jiān)視所需參數(shù)，能準(zhǔn)確計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)在各種條件下運(yùn)行時(shí)各截面的壓力、溫度和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。但由于使用壽命監(jiān)視涉及大量使用數(shù)據(jù)需要處理，且發(fā)動(dòng)機(jī)性能仿真模型都較為復(fù)雜，計(jì)算時(shí)間較長，所以其并不適合直接用于使用壽命監(jiān)視。另外，采用間接測量技術(shù)，通過建立與可測參數(shù)的關(guān)系，也可用來估計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)的不可測參數(shù)，如文獻(xiàn)［17］、［18］提到的逆循環(huán)方法及文獻(xiàn)［19］提到的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法。

適用于使用壽命監(jiān)視的發(fā)動(dòng)機(jī)模型應(yīng)該是個(gè)簡單高效的模型：運(yùn)行速度快，卻可較為準(zhǔn)確地計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)各工作狀態(tài)下的參數(shù)；可根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)載測試參數(shù)及時(shí)更新發(fā)動(dòng)機(jī)模型，以適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)性能退化。

3.2溫度、應(yīng)力分析技術(shù)

發(fā)動(dòng)機(jī)壽命件的壽命消耗與其實(shí)際使用中所受的溫度、應(yīng)力等載荷密切相關(guān)，部件溫度、應(yīng)力分析技術(shù)是發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)參數(shù)和部件壽命消耗之間的紐帶。發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)參數(shù)主要指發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和相關(guān)截面的溫度、壓力，而發(fā)動(dòng)機(jī)限壽件的使用壽命消耗計(jì)算需要的是部件所受的溫度、應(yīng)力等負(fù)荷。發(fā)動(dòng)機(jī)部件溫度、應(yīng)力分析的常用方法，包括定性方法、近似方法及有限元方法，各方法的特點(diǎn)如表2所示。

表2 常用載荷分析方法的特點(diǎn)Table 2 Commonly used load analysis method

有限元方法是發(fā)動(dòng)機(jī)部件載荷分析精度最高的方法，但有限元分析需要消耗大量的時(shí)間。由于使用壽命監(jiān)視涉及大量使用數(shù)據(jù)需要處理與計(jì)算，直接將有限元方法應(yīng)用于使用壽命監(jiān)視明顯不切實(shí)際，需研究滿足使用壽命監(jiān)視要求的載荷分析方法。

模型降階方法能在較少犧牲精度的前提下，通過降低計(jì)算模型的復(fù)雜程度來提高其計(jì)算效率，通?？蓾M足使用壽命監(jiān)視對載荷分析的要求。常用的模型降階方法按其原理，可分為基于模型分析的方法和基于數(shù)據(jù)分析的方法兩類。其中，前者通過將有限元的節(jié)點(diǎn)自由度分類處理以省略一部分次要的節(jié)點(diǎn)自由度，進(jìn)而降低有限元規(guī)模達(dá)到降階的目的，此類方法主要有Guyan降階法和部件模態(tài)綜合法（CMS）［20-21］。相比于前者，后者主要利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)、回歸擬合等算法對載荷分析模型進(jìn)行辨識(shí)［22-23］，在確保精度的同時(shí)更能提高載荷分析的計(jì)算效率。

3.3壽命消耗模型

使用壽命監(jiān)視最重要的關(guān)鍵技術(shù)之一，就是建立限壽件準(zhǔn)確的壽命消耗模型。本文所指的限壽件，主要包括限制壽命的關(guān)鍵件（其故障可能危及飛行安全）和限制壽命的重要件（其故障會(huì)嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能、可靠性或使用成本）［13］。由于發(fā)動(dòng)機(jī)各限壽件所受載荷形式及強(qiáng)度都不同，限制其壽命的失效模式也不相同，主要包括低周疲勞、熱疲勞、蠕變、高周疲勞、腐蝕等。表3給出了發(fā)動(dòng)機(jī)典型限壽件的受載及失效模式。因此，理想的使用壽命監(jiān)視系統(tǒng)應(yīng)涵蓋所有限壽件的各種失效模式，并針對各種失效模式都建立一個(gè)準(zhǔn)確的壽命消耗模型。

表3 發(fā)動(dòng)機(jī)典型限壽件的受載及失效模式Table 3 Loads and failure modes for typical life-limited parts

影響發(fā)動(dòng)機(jī)零部件壽命消耗的不確定性因素較多，確定性給出發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的壽命消耗值通常不切實(shí)際［24］?？紤]影響使用壽命消耗的不確定因素，進(jìn)行使用壽命消耗的概率分析，可從概率的角度解釋零部件使用壽命的分散性，更加客觀準(zhǔn)確地描述發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際壽命消耗規(guī)律［25-26］。

3.4驗(yàn)證技術(shù)

使用壽命監(jiān)視的驗(yàn)證主要包括兩方面，即使用壽命監(jiān)視算法的驗(yàn)證和使用壽命監(jiān)視系統(tǒng)的應(yīng)用驗(yàn)證［27］。由于使用壽命監(jiān)視系統(tǒng)的應(yīng)用驗(yàn)證涉及到一系列具體的工程應(yīng)用問題，本文只側(cè)重介紹使用壽命監(jiān)視算法的驗(yàn)證。

使用壽命監(jiān)視算法的驗(yàn)證，就是檢驗(yàn)監(jiān)視算法計(jì)算所得壽命消耗值與零部件實(shí)際壽命消耗值之間的差異是否達(dá)到要求。由于零部件實(shí)際壽命消耗值無法確定，通常采取與設(shè)計(jì)階段壽命預(yù)測方法對比的方式來驗(yàn)證使用壽命監(jiān)視算法的準(zhǔn)確性。

4　使用壽命監(jiān)視的應(yīng)用前景分析

4.1發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)測與健康管理

21世紀(jì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)視與故障診斷系統(tǒng)，將呈現(xiàn)出一體化、綜合化及智能化特點(diǎn)，如發(fā)動(dòng)機(jī)PHM系統(tǒng)。根據(jù)PHM的定義及國外航空發(fā)動(dòng)機(jī)PHM技術(shù)的發(fā)展規(guī)劃，使用壽命監(jiān)視將作為發(fā)動(dòng)機(jī)PHM技術(shù)的重要功能組成［15-16］。使用壽命監(jiān)視技術(shù)集成應(yīng)用于PHM系統(tǒng)中，可進(jìn)一步擴(kuò)展PHM的功能，確保航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵件的安全使用和科學(xué)維護(hù)。

4.2壽命延長控制

航空發(fā)動(dòng)機(jī)壽命延長控制起步于2001年，能在少量犧牲發(fā)動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)的前提下顯著節(jié)省發(fā)動(dòng)機(jī)部件的壽命消耗［28］。在壽命延長控制技術(shù)中，發(fā)動(dòng)機(jī)部件實(shí)時(shí)使用壽命計(jì)算模型至關(guān)重要。而目前國內(nèi)關(guān)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)壽命延長控制的研究，只是采用簡化的壽命模型進(jìn)行定性研究［29-30］。將使用壽命監(jiān)視技術(shù)應(yīng)用于壽命延長控制，能顯著提高壽命消耗模型的準(zhǔn)確性，使壽命延長控制的研究結(jié)果更加準(zhǔn)確可信，進(jìn)而加快壽命延長控制的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)程。

4.3基于狀態(tài)的維護(hù)保障

使用壽命監(jiān)視不是單純監(jiān)視限壽件的壽命消耗，其最終目的是預(yù)測限壽件的剩余壽命。將發(fā)動(dòng)機(jī)零部件使用壽命監(jiān)視與其維護(hù)保障策略相結(jié)合［31］，以便根據(jù)零部件的壽命消耗等制定相應(yīng)的檢查、維護(hù)、修理和替換計(jì)劃，確保部件不會(huì)出現(xiàn)重大失效。利用使用壽命監(jiān)視的結(jié)果指導(dǎo)維修，考慮了部件的實(shí)際使用，具有比基于日歷時(shí)間維護(hù)保障模式更大的優(yōu)勢。

5　結(jié)論

基于對使用壽命監(jiān)視的定義、功能結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)及國外典型系統(tǒng)特點(diǎn)的分析，結(jié)合目前國內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)水平的現(xiàn)狀，可形成以下結(jié)論或參考性建議：

（1）使用壽命監(jiān)視相對于傳統(tǒng)監(jiān)視方法考慮了發(fā)動(dòng)機(jī)部件的實(shí)際使用情況，可顯著提高發(fā)動(dòng)機(jī)使用的安全性與經(jīng)濟(jì)性，具有較大研究價(jià)值。國外對使用壽命監(jiān)視研究日益重視，使用壽命監(jiān)視系統(tǒng)的發(fā)展呈現(xiàn)出涵蓋面廣、功能全面、與PHM系統(tǒng)綜合一體化等特點(diǎn)。

（2）國內(nèi)多種戰(zhàn)機(jī)都加裝了飛行參數(shù)記錄器，記錄著大量反映發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)和工作環(huán)境的參數(shù)，這些數(shù)據(jù)的變化過程在一定程度上反映了發(fā)動(dòng)機(jī)及其部件壽命耗損，因此國內(nèi)開展基于飛參的發(fā)動(dòng)機(jī)零部件壽命監(jiān)視與管理在技術(shù)上可行。

（3）由于機(jī)載測試水平及機(jī)載實(shí)時(shí)模型的限制，國內(nèi)的使用壽命監(jiān)視可采取機(jī)載飛參數(shù)據(jù)采集與地面站使用壽命深入分析的分布式形式。

（4）基于使用壽命監(jiān)視的結(jié)果及發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際使用特點(diǎn)，開展發(fā)動(dòng)機(jī)限壽件剩余壽命的預(yù)測方法研究，并嘗試在整個(gè)機(jī)群范圍內(nèi)，將發(fā)動(dòng)機(jī)限壽件的剩余壽命信息應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)維護(hù)保障策略的優(yōu)化及其安全使用。

（5）著眼下一代戰(zhàn)機(jī)，預(yù)先研究機(jī)載的使用壽命實(shí)時(shí)監(jiān)視技術(shù)，開展使用壽命監(jiān)視與發(fā)動(dòng)機(jī)PHM系統(tǒng)的綜合一體化設(shè)計(jì)和研究。

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Research on life usage monitoring of aero-engine life-limited parts

ZHAO Yong1，LI Ben-wei1，SONG Li-hong2
（Naval Aeronautical and Astronautical University，Yantai 264001，China）

Abstract：With the development of these theories like component design and on-condition maintenance，life usage monitoring of aero-engine life-limited parts was proposed to overcome the deficiency of the tradi?tional usage monitoring method. Based on the engine usage monitoring development process，the definition，functional composition，research status and future directions of life usage monitoring were introduced in de?tail. Moreover，the advantage and necessity of life usage monitoring were compared with the traditional us?age monitoring method，and the key technologies and potential applications were also analyzed. Finally，combined with the domestic status，relative suggestions on life usage monitoring were put forward.

Key words：aero-engine；life usage monitoring；life-limited parts；on-condition maintenance；PHM；life extending control

中圖分類號(hào)：V231.9

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-2620（2016）02-0032-06

收稿日期：2015-07-27；修回日期：2015-12-02

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（51375490）；海軍航空工程學(xué)院研究生創(chuàng)新基金

作者簡介：趙勇（1986-），男，湖南常德人，博士研究生，研究方向?yàn)楹娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命監(jiān)視。