航空制造設(shè)備故障預(yù)測(cè)與健康管理設(shè)備分析

李林

（中航飛機(jī)股份有限公司設(shè)備廠，陜西 西安 710089）

在世界航空事業(yè)的不斷發(fā)展下，各個(gè)國(guó)家的航空安全水平提升，在以往地面安全監(jiān)控的基礎(chǔ)上借助先進(jìn)技術(shù)形式打造了航空設(shè)備健康管理系統(tǒng)，有效提升了飛行設(shè)備的安全性和可靠性。航空設(shè)備健康管理系統(tǒng)一般包含航空設(shè)備的狀態(tài)檢測(cè)、狀態(tài)預(yù)警、故障診斷、故障評(píng)估、故障處理等。在航空設(shè)備健康管理系統(tǒng)的作用下能夠通過(guò)一系列措施評(píng)估、診斷和防范飛機(jī)故障，并生成相應(yīng)的故障分析報(bào)告，為飛機(jī)的安全飛行提供良好支持，確保航班的高效運(yùn)行。

1 航空制造設(shè)備故障預(yù)測(cè)與健康管理研究現(xiàn)狀

航空制造設(shè)備故障預(yù)測(cè)與健康管理是當(dāng)前航空技術(shù)研究的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題，對(duì)飛機(jī)運(yùn)行保障起到了至關(guān)重要的作用。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外對(duì)航空制造設(shè)備故障預(yù)測(cè)與健康管理的主要研究囊括以下幾個(gè)方面的內(nèi)容。

（1）失效機(jī)理。電子器件在制造之后，隨著長(zhǎng)時(shí)間的使用，器件的性能會(huì)日益退化，出現(xiàn)失效現(xiàn)象。技術(shù)人員經(jīng)過(guò)研究之后發(fā)現(xiàn)航空設(shè)備運(yùn)行的失效機(jī)理主要包含熱載流子效應(yīng)模型；時(shí)間類型絕緣介質(zhì)擊穿模型；雙極晶體退化模型。

（2）借助應(yīng)力損傷評(píng)估外界環(huán)境對(duì)電子器件使用造成的損傷。外部應(yīng)力環(huán)境是引發(fā)電子設(shè)備故障的重要原因，這種危害集中落實(shí)在電壓、電流、溫度和濕度等層面。

（3）器械隨著時(shí)間的推移老化日益嚴(yán)重。在器件失效模式評(píng)估基礎(chǔ)上選擇和失效相關(guān)的物理量作為故障先兆，打造故障預(yù)測(cè)模型，通過(guò)監(jiān)測(cè)特定電路性能參數(shù)來(lái)評(píng)估電子器件的性能，預(yù)測(cè)器件故障。

（4）故障預(yù)警。在整個(gè)電路板塊模板上設(shè)置故障預(yù)警電路。

從航空設(shè)備應(yīng)用情況來(lái)看，其預(yù)警元件和板上的IC 電路屬于同一種類型器件，具備同樣的失效機(jī)理。

2 航空制造設(shè)備故障預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)應(yīng)用復(fù)雜性分析

航空制造機(jī)電部件在完全損壞之前需要相關(guān)人員及時(shí)采取措施進(jìn)行替換，而航空制造機(jī)電設(shè)備出現(xiàn)缺陷以及缺陷轉(zhuǎn)變?yōu)楣收贤枰?jīng)過(guò)較長(zhǎng)的時(shí)間，為設(shè)備故障的分析和預(yù)測(cè)造成了延緩。而電子設(shè)備的失效機(jī)理和機(jī)械設(shè)備失效機(jī)理呈現(xiàn)出十分顯著的不同，發(fā)生失效這一現(xiàn)象深受多種因素的干擾，突出表現(xiàn)如下。

（1）半導(dǎo)體器件和退化失效是一種微觀表現(xiàn)，很難應(yīng)用有效的手段和技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)。

（2）VLSI 的集成度越高，內(nèi)部檢測(cè)復(fù)雜度就越大。

（3）電子器件故障具有多發(fā)性和突發(fā)性的特點(diǎn)，很難應(yīng)用有效的手段進(jìn)行預(yù)測(cè)。

（4）單臺(tái)電子設(shè)備內(nèi)部應(yīng)用了大量不同的電子器件，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)每一個(gè)器件的檢測(cè)。

（5）故障類型具有多源性的特點(diǎn)，且會(huì)隨著外部環(huán)境的變化而發(fā)生變化。

（6）不同電子器件的使用性能和使用壽命不同，在錯(cuò)過(guò)維修時(shí)間之后難以再對(duì)其故障問(wèn)題進(jìn)行預(yù)測(cè)。

3 基于全生命周期的航空制造設(shè)備故障預(yù)測(cè)與健康管理

3.1 全面了解航電設(shè)備的使用狀態(tài)。

從健康管理角度上來(lái)看航電設(shè)備的狀態(tài)具體分為五種，分別是正常、錯(cuò)誤、異常、故障、損壞。

（1）正常。正常狀態(tài)下的航電設(shè)備會(huì)按照既定的方式運(yùn)行，設(shè)備的運(yùn)行指標(biāo)符合預(yù)定功能。

（2）錯(cuò)誤。航電設(shè)備運(yùn)行錯(cuò)誤主要是指設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中突發(fā)性的、非預(yù)定狀態(tài)的故障形式。在消除引發(fā)故障的環(huán)境因素之后，航電設(shè)備往往能夠恢復(fù)到正常運(yùn)行的狀態(tài)，并在運(yùn)行的過(guò)程中逐漸實(shí)現(xiàn)自我恢復(fù)。

（3）異常。異常主要是指航電設(shè)備偏移預(yù)定的運(yùn)行方式和既定的功能范圍狀態(tài)，突出表現(xiàn)為功能的降級(jí)。為了確保航電設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，在發(fā)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行故障之后需要相關(guān)人員及時(shí)采取措施進(jìn)行處理。

（4）故障。故障是航電設(shè)備不能夠執(zhí)行規(guī)定的功能狀態(tài)，表現(xiàn)為功能的全部喪失。

（5）損壞。損壞是航空制造設(shè)備出現(xiàn)故障的部件不能夠制定規(guī)定的功能狀態(tài)，也無(wú)法被修復(fù)。

3.2 航空制造設(shè)備故障預(yù)測(cè)

引發(fā)航空制造設(shè)備故障的原因有很多，其中最為重要的一點(diǎn)是外部應(yīng)力對(duì)航空制造設(shè)備的損傷。從航空制造設(shè)備的運(yùn)行實(shí)際情況來(lái)看，當(dāng)處于不同環(huán)境時(shí)，其所遭受的外界損傷是不同的。為了能夠規(guī)避外界環(huán)境對(duì)航空制造設(shè)備運(yùn)行造成的損傷，需要相關(guān)人員全面搜集和整理航空制造電子設(shè)備生命周期內(nèi)所能夠承擔(dān)的最大外界應(yīng)力載荷，由此推斷出航空制造設(shè)備的損傷程度和實(shí)際使用壽命。另外，在航空制造設(shè)備中還需要嵌入多個(gè)傳感器，借助傳感器更好的感知外部荷載，了解溫度、濕度、振動(dòng)、壓力、電流、電壓等對(duì)航空制造設(shè)備安全使用的影響。

航空制造設(shè)備電路的特點(diǎn)會(huì)伴隨的電子產(chǎn)品使用時(shí)間的延長(zhǎng)而發(fā)生老化，為此，在使用航空制造設(shè)備的時(shí)候需要相關(guān)人員應(yīng)用科學(xué)的方法、技術(shù)和手段等對(duì)航空制造設(shè)備器件、電路等失效模式進(jìn)行精準(zhǔn)的分析，通過(guò)分析選擇適合的物理量來(lái)評(píng)估故障先兆，幫助航空制造設(shè)備使用人員了解各個(gè)電子設(shè)備的基本性能，進(jìn)而在設(shè)備出現(xiàn)使用故障的時(shí)候及時(shí)采取措施予以彌補(bǔ)。

3.3 航空制造設(shè)備健康管理基本信息獲取與處理

航空制造設(shè)備故障預(yù)測(cè)與健康管理的第一步是搜集整理航空制造設(shè)備健康管理基本信息，具體包含以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：第一，基本信息。航空制造設(shè)備在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)過(guò)中所體現(xiàn)的正常狀態(tài)或者故障狀態(tài)數(shù)據(jù)信息。第二，工作信息。航空制造設(shè)備飛行過(guò)程中所表現(xiàn)的運(yùn)行信息。第三，環(huán)境信息。航空制造設(shè)備運(yùn)行中檢測(cè)到的能夠反映運(yùn)行環(huán)境的技術(shù)數(shù)據(jù)。第四，歷史信息。 航空制造設(shè)備列裝后在使用維護(hù)過(guò)中所記錄的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息。

3.4 航空制造設(shè)備健康監(jiān)測(cè)

（1）基本模型打造。按照可靠性理論的要求，多數(shù)電氣器件失效率和時(shí)間之間會(huì)呈現(xiàn)出浴盆曲線狀態(tài)，長(zhǎng)時(shí)間使用的航空設(shè)備不可避免的會(huì)出現(xiàn)老化問(wèn)題，失效率近似一個(gè)常數(shù)，不僅如此，電子設(shè)備的失效率也遵從相似關(guān)系，失效率和設(shè)備故障間隔時(shí)間的關(guān)系如下：失效率=1/電子設(shè)備平均故障時(shí)間?；诓煌诫娫O(shè)備不同器件失效率的不同特性，需要相關(guān)人員采取措施對(duì)航空制造設(shè)備實(shí)施全壽命周期的分階段健康管理，對(duì)各個(gè)設(shè)備失效的監(jiān)測(cè)重點(diǎn)是設(shè)備失效的原因和失效率較高的器件類型。

（2）層式結(jié)構(gòu)。航空制造設(shè)備是一個(gè)層式結(jié)構(gòu)分布系統(tǒng)，底層是各個(gè)航電設(shè)備的健康管理，中層是航電子系統(tǒng)的健康管理，上層是航電系統(tǒng)的健康管理。第一，底層系統(tǒng)由各個(gè)設(shè)備內(nèi)的BIT、FIRT、EST 共同組成，所有的信息會(huì)被傳遞到航空制造設(shè)備的子系統(tǒng)中。第二，中間層系統(tǒng)能夠提供必需的子系統(tǒng)監(jiān)控和功能測(cè)試，由此能夠提升系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下的處理能力，確保整個(gè)子系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。第三，上層系統(tǒng)管理所有航電子系統(tǒng)，能夠?qū)ο到y(tǒng)的故障運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，從而更好的評(píng)估整個(gè)航電系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。

（3）BIT 設(shè)計(jì)。BIT 內(nèi)部電路一般由CPU、存儲(chǔ)器、可編程邏輯電路組成，在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展下，越來(lái)越多功能的集成電路開始被人們應(yīng)用到航電設(shè)備健康管理中，主要有兩種形式。第一種是由內(nèi)置測(cè)試程序來(lái)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)分析。模塊上的各個(gè)獨(dú)立軟件分區(qū)擁有獨(dú)立的BIET 軟件，在這個(gè)軟件的作用下能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控分區(qū)軟件的運(yùn)行，了解軟件運(yùn)行狀態(tài)，并記錄異常情況。模塊上還設(shè)置了專用的軟件分區(qū)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)模塊分區(qū)信息的實(shí)時(shí)性監(jiān)控。第二種是由整機(jī)級(jí)BIT控制的功能檢測(cè)系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)能夠有效處理來(lái)自各個(gè)模塊的BITE 信息，在必要情況下可以向被管理的其他模塊發(fā)送測(cè)試矢量命令，根據(jù)回送的數(shù)據(jù)信息來(lái)判定模塊運(yùn)行情況。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在航空航天技術(shù)的快速發(fā)展下，怎樣確保航空領(lǐng)域電子產(chǎn)品的安全性是科學(xué)研究領(lǐng)域?qū)W者們需要思考和解決的問(wèn)題。通過(guò)對(duì)航空電子設(shè)備故障的預(yù)測(cè)和健康管理能夠有效提升航空電子設(shè)備應(yīng)用的安全性、穩(wěn)定性。為此，在新的歷史時(shí)期，需要相關(guān)人員強(qiáng)化對(duì)航空制造設(shè)備故障預(yù)測(cè)與健康管理的重視，在全面搜集整理航空設(shè)備運(yùn)行信息的基礎(chǔ)上，應(yīng)用先進(jìn)的技術(shù)手段對(duì)系統(tǒng)故障進(jìn)行評(píng)估和分析，并打造完善的航空設(shè)備健康管理結(jié)構(gòu)，以期能夠更好的促進(jìn)我國(guó)航空事業(yè)發(fā)展。