民用飛機(jī)燃油系統(tǒng)健康管理問題研究

葛銳　卞剛　周宇穗

【摘 要】本文介紹了民用飛機(jī)健康管理系統(tǒng)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，并從民用飛機(jī)燃油系統(tǒng)健康管理角度出發(fā)，結(jié)合先進(jìn)的飛機(jī)健康管理新技術(shù)理念，研究了基于燃油系統(tǒng)特定故障模式下的健康管理，并初步給出了燃油系統(tǒng)健康管理的概念方案，為后續(xù)國內(nèi)燃油系統(tǒng)健康管理的研究提供參考依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】民用飛機(jī)；燃油系統(tǒng)；故障模式；故障診斷；健康管理

0 引言

隨著航空技術(shù)的日益發(fā)展，民用飛機(jī)維修維護(hù)技術(shù)也不斷提高。過去依靠機(jī)組報(bào)告、機(jī)務(wù)地面檢查、確認(rèn)故障后準(zhǔn)備航材和維修設(shè)備等開展飛機(jī)維修維護(hù)的傳統(tǒng)手段，已不適應(yīng)當(dāng)今世界激烈競爭的民航運(yùn)輸業(yè)，飛機(jī)健康管理新技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[1-3]。

國外，美國NASA早在20世紀(jì)70年代就提出了航天器綜合健康管理（Integrated Vehicle Health Management， IVHM）的概念[4]。進(jìn)入21世紀(jì)后，國外更是投入大量的人力物力開展飛機(jī)健康管理研究。波音公司開發(fā)的飛機(jī)健康管理系統(tǒng)（Airplane Health Management， AHM）已在日本、新加坡、法國、中國等航空公司的飛機(jī)上大量應(yīng)用和推廣，空客公司開發(fā)的AIRMAN（Aircraft Maintenance Analysis）系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對飛機(jī)的實(shí)施健康和故障診斷[5]。

國內(nèi)，在飛機(jī)健康管理技術(shù)研究方面起步較晚，但近年來隨著國家對航空業(yè)的大力投入，高校、研究所等在航空系統(tǒng)診斷領(lǐng)域開展了多項(xiàng)預(yù)先研究項(xiàng)目，以縮短與國外的技術(shù)差距，提高國內(nèi)航空業(yè)的國際競爭力。此外，國內(nèi)航空公司也開展了探索和實(shí)踐，比如2006年南方航空公司開發(fā)了飛機(jī)遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)，2007年東方航空公司實(shí)現(xiàn)了無線QAR技術(shù)[5]。

本論文僅從民用飛機(jī)燃油系統(tǒng)健康管理角度出發(fā)，結(jié)合先進(jìn)的飛機(jī)健康管理新技術(shù)理念，研究基于燃油系統(tǒng)特定故障模式下的健康管理，并初步給出了燃油系統(tǒng)健康管理的概念方案，為后續(xù)國內(nèi)燃油系統(tǒng)健康管理的研究提供參考依據(jù)。

1 民用飛機(jī)燃油系統(tǒng)故障模式

飛機(jī)燃油系統(tǒng)是飛機(jī)的基本系統(tǒng)，按功能定義，燃油系統(tǒng)通常分為貯存子系統(tǒng)、通氣子系統(tǒng)、壓力加油子系統(tǒng)、燃油測量及管理系統(tǒng)、供油系統(tǒng)、應(yīng)急放油子系統(tǒng)、燃油箱惰化系統(tǒng)、轉(zhuǎn)輸子系統(tǒng)、除水子系統(tǒng)。其故障模式主要由關(guān)鍵部件的故障失效所致，包括燃油泵、閥、引射泵、傳感器、管路、接頭、連接線路等。

a）燃油泵故障模式

民用飛機(jī)燃油系統(tǒng)多采用離心泵，由裝在蒙皮或燃油箱后梁上的泵殼和可拆卸的泵芯組成，泵芯主要由葉輪、電機(jī)等組成，如圖1所示。主要故障模式為：

1）氣蝕

離心泵的汽蝕過程是指，燃油泵在工作中，在燃油溫度升高或者葉輪葉片根部形成湍流時(shí)，發(fā)生燃油在該處汽化并產(chǎn)生汽泡且隨之破滅，最后造成葉輪沖擊的現(xiàn)象。汽蝕會使離心泵產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動等危害。其次，汽蝕時(shí)會導(dǎo)致燃油泵送流量和壓力下降，甚或燃油中斷。

2）密封件泄漏

燃油泵密封件會發(fā)生泄漏故障，包括周期性漏油、持久性漏油、偶然性漏油，主要原因是由于密封軸的竄動、脈動工作壓力、振動問題、密封不良或安裝不當(dāng)、摩擦副磨損等問題所致。

3）電機(jī)故障

離心泵電機(jī)一般采用的是交流三相異步電動機(jī)，故障模式主要包括定子故障、轉(zhuǎn)子故障、軸承故障，故障會導(dǎo)致堵轉(zhuǎn)、升溫等安全隱患。

b）閥故障模式

飛機(jī)燃油系統(tǒng)閥種類較多，按照驅(qū)動方式分為電磁/電機(jī)驅(qū)動切斷閥和機(jī)械作動單向閥等，電磁/電機(jī)驅(qū)動切斷閥故障模式主要為無法打開/關(guān)閉和泄漏，機(jī)械作動單向閥故障模式主要為流體回流和泄漏。

c）引射泵故障模式

引射泵的主要故障模式為噴嘴阻塞，造阻塞的主要原因?yàn)椋?/p>

一是，燃油中雜質(zhì)較多，包括油液中帶有雜質(zhì)，滋生的微生物，油箱內(nèi)部密封膠的老化脫落，生產(chǎn)或維護(hù)時(shí)遺留的金屬屑或其他外來污染物（比如棉絮纖維物等）。

二是，燃油中的水分較多，在高空飛行中時(shí)外界溫度低，水分結(jié)冰堵塞引射口噴嘴。

引射泵噴嘴被阻塞后，回造成引射泵工作性能下來，甚或喪失功能，進(jìn)而影響燃油系統(tǒng)的正常工作。

d）傳感器故障模式

飛機(jī)燃油系統(tǒng)傳感器主要包括電容式油量傳感器、密度計(jì)、壓力傳感器、溫度傳感器等，其故障模式主要為：采集線路松動、短路、開路故障，油量傳感器被污染，敏感線圈老化或損壞，敏感彈片不能復(fù)位，溫度傳感器熱敏材料外力損壞等。

2 傳統(tǒng)燃油系統(tǒng)故障診斷

傳統(tǒng)飛機(jī)燃油系統(tǒng)故障診斷的主要步驟為：首先檢測到燃油系統(tǒng)的故障特征信號并完成故障特征的提取（由飛機(jī)的自檢設(shè)備完成并顯示征兆信息，多數(shù)情況下無須維修人員參與）；然后根據(jù)故障征兆確定故障原因，這就是問題的難點(diǎn)，尤其是疑難故障，難以做到故障的準(zhǔn)確定位，目前主要是根據(jù)故障隔離手冊和維修手冊等對幾乎所有可能的原因逐條翻閱并按步驟進(jìn)行故障排除。這種排故流程導(dǎo)致排故效率低，而且對于一些復(fù)雜間歇性故障，目前方法難以湊效。大量的可靠性分析報(bào)告可知，飛機(jī)的每一次故障都可能造成航班延誤，延誤時(shí)間從幾十分鐘到幾個(gè)小時(shí)及至十幾個(gè)小時(shí)不等，由此造成的損失是巨大的。

3 燃油系統(tǒng)健康管理概念方案

本論文介紹的燃油系統(tǒng)健康管理概念方案是基于目前傳統(tǒng)的主流飛機(jī)構(gòu)型，設(shè)計(jì)的一臺在線/離線監(jiān)測的便攜機(jī)。該便攜機(jī)根據(jù)全程/地面采集的民用飛機(jī)燃油系統(tǒng)故障現(xiàn)象及運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，在目前故障隔離手冊及維修手冊等故障隔離基礎(chǔ)上，基于燃油系統(tǒng)常見的故障模式、系統(tǒng)原理架構(gòu)、線路、部件信息、接口、數(shù)據(jù)庫（大（下轉(zhuǎn)第339頁）（上接第331頁）數(shù)據(jù)采集及分析、專家數(shù)據(jù)庫等）、診斷系統(tǒng)自適應(yīng)能力以及機(jī)上檢測，對飛機(jī)燃油系統(tǒng)的性能進(jìn)行評估，分析并快速診斷、定位和分離故障因素，制定最合理高效的排故和維護(hù)程序，增加故障辨別能力，減少故障的誤報(bào)率和漏報(bào)率，增加魯棒性，為飛機(jī)運(yùn)營維護(hù)提供支持。

該系統(tǒng)主要包含以下三個(gè)模塊：

a）故障實(shí)時(shí)管理模塊：

將飛行中民用飛機(jī)燃油系統(tǒng)的相關(guān)信息在線/離線傳遞給地面站進(jìn)行診斷分析，為客戶提供快速的排故決策，維修控制中心的工程師根據(jù)燃油系統(tǒng)提供的故障等級和排故方案得以對排故需要停場時(shí)間進(jìn)行評估，并對后續(xù)航班計(jì)劃及時(shí)進(jìn)行決策或調(diào)整，按需安排維修工作并提前部署必要的專業(yè)人員、機(jī)務(wù)、航材、工裝和設(shè)備等。

b）故障預(yù)警與分析模塊：

該健康管理系統(tǒng)通過自動監(jiān)控、收集并傳輸民用飛機(jī)燃油系統(tǒng)的中央維護(hù)信息、機(jī)組告警信息、系統(tǒng)狀態(tài)信息、性能檢測信息、系統(tǒng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)等各種有效信息，進(jìn)行故障模式分析和預(yù)警分析，使航空公司可以解決逐步發(fā)展中或潛在的但尚未發(fā)生故障的燃油系統(tǒng)問題，有助于維修計(jì)劃的制定并優(yōu)化維修維護(hù)間隔期，可減少航班延誤、節(jié)約資源浪費(fèi)，且大幅提高運(yùn)營安全性。

c）勤務(wù)管理與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫模塊：

為各航空公司提供機(jī)隊(duì)狀況，提供實(shí)時(shí)的飛機(jī)維修要求可視性，增強(qiáng)維修、工程、運(yùn)營的管理能效，同時(shí)還能將燃油系統(tǒng)非常規(guī)的維修工作轉(zhuǎn)變?yōu)槎ㄆ诰S修，將維修工作從傳統(tǒng)維修逐步轉(zhuǎn)向預(yù)防性維修，為飛機(jī)后續(xù)工作及其他系列機(jī)型排故、設(shè)計(jì)及優(yōu)化等提供最直接的機(jī)隊(duì)運(yùn)營數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

本論文分析了民用飛機(jī)燃油系統(tǒng)的故障模式及故障機(jī)理，在此基礎(chǔ)上基于目前傳統(tǒng)的主流飛機(jī)構(gòu)型，進(jìn)行了燃油系統(tǒng)健康管理概念方案設(shè)計(jì)。可為后續(xù)國內(nèi)燃油系統(tǒng)健康管理的研究提供參考依據(jù)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]劉熊.民航飛機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)的研究[J].內(nèi)江科技，2009（4）.

[2]胡亮.基于G2的飛機(jī)故障診斷系統(tǒng)應(yīng)用研究[J].技術(shù)創(chuàng)新，2014（3）.

[3]崔建國，李忠海，呂瑞，等.現(xiàn)代大型飛機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)—健康管理技術(shù)研究[R].中國航空學(xué)會2007年學(xué)術(shù)年會，可靠性、安全性、維修性與適航專題0701-08-35.

[4]PETTIT C D， BARKHOUDARIAN S， DAUMANN A G， et al. Reusable rocket engine advanced health management system： architecture and technology evaluation summary[C]. AIAA，35th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference& Exhibit， AIAA 99-2527.Los Angeles，AIAA，1999：1-10.

[5]馬小駿，左洪福，劉昕.大型飛機(jī)運(yùn)行健康與健康管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，第11卷，第6期，2011.12.

[責(zé)任編輯：朱麗娜]