CFM56—3民航發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)故障診斷系統(tǒng)

邢凱銘

摘 要：該文介紹了CFM56-3民航發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷系統(tǒng)的基本概念方法，闡述了發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)故障診斷分析系統(tǒng)的研究。通過將故障隔離手冊通過VB編程對其進(jìn)行可視化，對CFM56-3發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷進(jìn)行指導(dǎo)和分析，并介紹發(fā)動(dòng)機(jī)地面試車驗(yàn)證和診斷故障的方法，指出了該領(lǐng)域有值得更加深入研究的參考價(jià)值和發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：CFM56-3發(fā)動(dòng)機(jī) 控制系統(tǒng) 故障診斷

中圖分類號(hào)：V26 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）05（c）-0042-03

為了提高民航發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的可靠性和安全性，迫切需要建立一個(gè)完善的診斷系統(tǒng)來監(jiān)護(hù)其運(yùn)行的完好程度與故障隔離，實(shí)時(shí)檢測出系統(tǒng)的變化和故障信息，進(jìn)而采取必要措施，防止事故的發(fā)生，由此出現(xiàn)了故障的檢測、診斷和分離技術(shù)?？刂葡到y(tǒng)故障診斷技術(shù)是一門應(yīng)用型邊緣學(xué)科，其基礎(chǔ)理論是現(xiàn)代控制論、計(jì)算機(jī)工程、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、信號(hào)處理、模式識(shí)別、人工智能和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及相應(yīng)的應(yīng)用學(xué)科，對它的研究已成為控制領(lǐng)域的前沿課題[1]。

隨著我國航空客貨運(yùn)發(fā)展的不斷提高，各個(gè)客貨運(yùn)航空公司的飛機(jī)老齡化速度加快，許多航空公司還擁有不少737CL飛機(jī)，例如：南航河南分公司擁有3架，長龍航空擁有3架，順豐快遞航空擁有12架，揚(yáng)子江航空公司擁有12架。眾所周知，737CL飛機(jī)是裝配了CFM56-3發(fā)動(dòng)機(jī)，隨著飛機(jī)老齡化的加速，CFM56-3發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)出現(xiàn)故障的概率不斷加大，也就加劇了航空運(yùn)輸?shù)奈ｋU(xiǎn)性，如順豐快遞航空和長龍航空公司在發(fā)動(dòng)機(jī)性能管理和故障診斷上并沒有高水平的技術(shù)人員和完善的技術(shù)系統(tǒng)支持，這就要求在此基礎(chǔ)上研發(fā)較為切實(shí)可行的系統(tǒng)來支持小航空公司以及大航空公司的CFM56-3發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)和故障診斷，一旦航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生故障會(huì)造成巨大損失，因此，提高系統(tǒng)的可靠性與安全性，提高故障診斷技術(shù)水平具有十分重要的意義。

1 故障隔離可視化手冊

故障隔離可視化手冊是基于故障隔離手冊查詢程序的基礎(chǔ)上開發(fā)的，通過VB數(shù)據(jù)庫編程，將手冊上的內(nèi)容以一定的邏輯體現(xiàn)在數(shù)據(jù)庫中，可以使業(yè)務(wù)水平不高和英文水平有限的機(jī)務(wù)維修人員利用此項(xiàng)目進(jìn)行查詢故障隔離手冊，提高了維修效率，為航空公司節(jié)約了維修成本。

1.1 故障隔離可視化手冊

故障隔離可視化手冊主要包括數(shù)據(jù)庫的建立和VB的開發(fā)兩個(gè)方面。

1.1.1 故障信息數(shù)據(jù)庫的建立

首先構(gòu)建CFM56-3發(fā)動(dòng)機(jī)故障現(xiàn)象與故障原因?qū)φ漳夸浥c關(guān)系表，工作人員選擇要查找的現(xiàn)象所屬的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，如燃油系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)，通過輸入故障現(xiàn)象信息關(guān)鍵字，按照TASK ID，在故障隔離手冊中找到相關(guān)的可能故障原因及故障隔離措施，將故障原因及隔離措施故障信息全部輸出以供技術(shù)人員進(jìn)一步分析和操作，提高了故障隔離的效率，還要進(jìn)一步對CFM56-3發(fā)動(dòng)機(jī)故障樣本進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，找出發(fā)動(dòng)機(jī)所出現(xiàn)過的故障，以部件故障為主體，建立關(guān)于其故障的故障信息、故障描述、發(fā)生地點(diǎn)和涉及系統(tǒng)等方面的數(shù)據(jù)庫。

1.1.2 VB數(shù)據(jù)庫的開發(fā)

根據(jù)所編譯的代碼和以上數(shù)據(jù)庫的表達(dá)建立相應(yīng)的Form，制作不同的表達(dá)窗口，將數(shù)據(jù)庫導(dǎo)入ACCESS中，并將其連接到VB中，即可完成，具體過程較為繁瑣，此處不一一說明[2]。

1.2 故障隔離可視化手冊使用舉例

1.2.1 故障背景

2003年5月，公司一架737CL飛機(jī)執(zhí)行航班，飛機(jī)昆明落地脫離跑道后二發(fā)出現(xiàn)ENG FAIL信息，而后二發(fā)自動(dòng)停車，按照相關(guān)程序檢查排故未發(fā)現(xiàn)問題，根據(jù)GE建議及工程評估，更換了懷疑有問題的MEC、燃油泵、PMC、翼梁活門作動(dòng)器4個(gè)部件后，飛機(jī)放行。

1.2.2 排故檢查

數(shù)據(jù)顯示，飛機(jī)自下降至落地期間，發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)變化正常，在使用反推收油門后，二發(fā)參數(shù)逐漸下降，供油量快速下降，最終由87跳至0單位，發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)停車，在轉(zhuǎn)速下降至0之后，機(jī)組啟動(dòng)手柄放停車位，發(fā)動(dòng)機(jī)自新至5月18日航線維護(hù)未報(bào)告任何故障，按照相關(guān)程序檢查排故未發(fā)現(xiàn)問題，發(fā)動(dòng)機(jī)使用時(shí)間為：TSN/CSN 930/510，裝機(jī)至今未發(fā)生任何發(fā)動(dòng)機(jī)故障。

1.2.3 檢查結(jié)果

GE建議按照AMM完成相應(yīng)的檢查后，更換燃油泵和MEC后放行發(fā)動(dòng)機(jī)。

CFM資料顯示，近期MEC故障引起3起發(fā)動(dòng)機(jī)事件。具體如表1所示。

在近期的空停事件中的故障處理過程中，可以根據(jù)已建立的故障信息數(shù)據(jù)庫，通過查詢比較和可視化故障隔離手冊的應(yīng)用，較為快速地進(jìn)行故障隔離，減少求助于GE公司等待的冗長時(shí)間，為小航空公司的運(yùn)營節(jié)約了較大的人力財(cái)力成本。

2 CFM56-3發(fā)動(dòng)機(jī)地面試車排故方法

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)技術(shù)日臻成熟，數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用也使新型發(fā)動(dòng)機(jī)排故工作越來越簡單，但目前機(jī)械液壓控制的發(fā)動(dòng)機(jī)仍在大量服役，CFM56-3發(fā)動(dòng)機(jī)利用地面試車方法式進(jìn)行故障診斷分析的重要手段。

CFM56-3發(fā)動(dòng)機(jī)是CFM國際公司研制的民用大涵道比渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)，于1984年裝備到B737-300/400/500飛機(jī)上，20多年來以高可靠性、良好的經(jīng)濟(jì)性和較低的擁有成本受到用戶的好評。在控制方式上該發(fā)動(dòng)機(jī)采用機(jī)械液壓式（主發(fā)動(dòng)機(jī)控制器，簡稱MEC）的控制為主、電子調(diào)節(jié)為輔（功率管理控制器，簡稱PMC）的控制方式。主發(fā)動(dòng)機(jī)控制器是一個(gè)全機(jī)械液壓控制裝置，承擔(dān)發(fā)動(dòng)機(jī)的主要控制任務(wù)，功率管理控制器主要用于精確控制發(fā)動(dòng)機(jī)推力，即N1轉(zhuǎn)速的精確調(diào)節(jié)，同時(shí)它還可以防止起飛時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速N1轉(zhuǎn)速超調(diào)、減少發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度EGT超調(diào)量提高EGT裕度。

在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中，控制系統(tǒng)的附件故障或調(diào)節(jié)不當(dāng)都會(huì)引起發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)變化，通過地面試車收集發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)參數(shù)，再分析參數(shù)變化規(guī)律，從而縮小故障范圍，有助于節(jié)省工時(shí)，避免浪費(fèi)航材、提高工作效率、保證航班正點(diǎn)率。對發(fā)動(dòng)機(jī)測試時(shí)，在條件許可下應(yīng)同時(shí)對2臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行測試，分別記錄其參數(shù)：第一，對于部分不能確定故障發(fā)動(dòng)機(jī)的故障現(xiàn)象（如油門桿錯(cuò)位），可通過分析對比2臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)來判定故障發(fā)動(dòng)機(jī)；第二，通過比較發(fā)動(dòng)機(jī)之間對應(yīng)參數(shù)情況（如N1/N2對應(yīng)關(guān)系等），分析故障發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)變化情況，確定發(fā)動(dòng)機(jī)故障系統(tǒng)；第三，比較飛行記錄的故障現(xiàn)象和地面試車故障現(xiàn)象，如存在差異則說明該故障有可能與發(fā)動(dòng)機(jī)的空地狀態(tài)有有關(guān) 。

發(fā)動(dòng)機(jī)地面試車排故主要包括3個(gè)不同轉(zhuǎn)速下的發(fā)動(dòng)機(jī)性能測試：慢車轉(zhuǎn)速檢查和部分功率檢查，以及最大功率確認(rèn)檢查。

（1）慢車轉(zhuǎn)速檢查

慢車轉(zhuǎn)速檢查主要用于檢查發(fā)動(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速狀態(tài)時(shí)，特別是涉及發(fā)動(dòng)機(jī)加速和起動(dòng)問題。

（2）部分功率檢查。

在2臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)N2或者N1一致的條件下，對比2臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)N1/N2對應(yīng)關(guān)系，可以確認(rèn)可變幾何控制系統(tǒng)的工作情況，如果部分功率檢查不能滿足兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)N2或者N1一致時(shí)，則可通過最大功率確認(rèn)檢查來完成在最大功率確認(rèn)檢查時(shí)，2臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)N1轉(zhuǎn)速是一致的。

（3）最大功率確認(rèn)檢查

最大功率確認(rèn)檢查是發(fā)動(dòng)機(jī)處于大轉(zhuǎn)速狀態(tài)下進(jìn)行的，其主要作用有兩方面：首先，可以評估EGT裕度（如飛行員反映起飛EGT較高時(shí)），適用于判斷排氣溫度高的故障現(xiàn)象；其次，可使兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)獲得相同的N1轉(zhuǎn)速，從而比較2臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)同一N1轉(zhuǎn)速下的N2值，評估發(fā)動(dòng)機(jī)可變幾何控制系統(tǒng)的工作情況。

在利用地面試車完成發(fā)動(dòng)機(jī)排故時(shí)，有時(shí)可能并不需要完成以上所有測試，究竟應(yīng)該選擇哪些測試應(yīng)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的故障現(xiàn)象以及故障出現(xiàn)時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，可以通過故障隔離可視化手冊和飛機(jī)所給出的數(shù)據(jù)對比加以確定。

故障診斷實(shí)例如下。

（1）故障現(xiàn)象：1998年2月17號(hào)，一架B737-300飛機(jī)在天津執(zhí)行航班時(shí)，在地面機(jī)務(wù)人員發(fā)現(xiàn)1號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)MEC漏油超標(biāo)，于是便進(jìn)行排故。

（2）對故障的排故檢查：此故障在故障隔離可視化手冊中有所描述，啟動(dòng)相關(guān)程序進(jìn)行機(jī)的N1/N2之間的對應(yīng)關(guān)系相差較大，則說明其中一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)可變幾何控制系統(tǒng)故障，檢查排故。首先進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)案例中，在查找故障部件選項(xiàng)中輸入MEC后便可查到其所涉及到的章節(jié)，如圖1所示。

（3）對此故障的檢查和分析：將涉及的章節(jié)輸入到故障隔離手冊章節(jié)中進(jìn)行查找內(nèi)容，如圖2所示。

（4）故障處理：通過故障隔離可視化手冊進(jìn)行分析后，便可隔離出故障為MEC到伺服燃油控制系統(tǒng)一接頭封嚴(yán)圈損壞，然后通過AMM手冊進(jìn)行維修，更換MEC接頭封嚴(yán)圈后故障消失，測試正常。

3 結(jié)語與展望

3.1 結(jié)語

該文研究的主要內(nèi)容是介紹了CFM56-3民航發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)故障診斷的主要手段：故障隔離可視化手冊和發(fā)動(dòng)機(jī)地面試車排故方法。

故障隔離可視化手冊是按照故障隔離手冊開發(fā)的，在很大程度上已能達(dá)到改善故障隔離所造成的繁瑣的步驟，提高了查找故障的效率。雖然筆者初步已完成的編寫軟件較為簡單，有所局限性，但這種方法已經(jīng)能夠提高故障診斷的效率，如果有專業(yè)人員進(jìn)行合作開發(fā)將會(huì)使可視化手冊編的更加完善，對機(jī)務(wù)排除所有復(fù)雜故障將會(huì)有很大幫助。

利用發(fā)動(dòng)機(jī)地面試車排故方法對故障進(jìn)行隔離，能夠解決大多數(shù)故障樹不能解決的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)故障，能夠減少航材的誤換，節(jié)約誤拆零部件的時(shí)間，可大大提高維護(hù)效率，節(jié)約維修成本，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的簽派可靠性，對航空公司提高航班正點(diǎn)率，降低運(yùn)營成本，提高經(jīng)濟(jì)效益具有較大意義。

通過發(fā)動(dòng)機(jī)地面試車數(shù)據(jù)分析和故障隔離可視化手冊的結(jié)合使用，合理評估故障隔離方案，可以最大程度地提高故障排除的速度與精度。

3.2 展望

CFM56-3民航發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷系統(tǒng)的研發(fā)，還有一些工程和技術(shù)上的問題需要進(jìn)一步深入研究和探討，通過故障信息數(shù)據(jù)庫的建立，可視化手冊的推廣，民航技術(shù)人員的協(xié)作努力，民航發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)故障診斷系統(tǒng)將會(huì)給各航空公司帶來巨大的幫助。

參考文獻(xiàn)

[1] 孫春林，林兆福.航空發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)控和故障診斷系統(tǒng)[D].中國民航學(xué)院，1989.

[2] 龔沛曾，陸慰民，楊志強(qiáng).Visual Basic程序設(shè)計(jì)簡明教程[M].北京高等教育出版社，2003.