基于油量區(qū)間估計(jì)的飛機(jī)左右機(jī)翼油箱輸油不平衡故障診斷

靳國(guó)濤,解海濤，丁 舸

(中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司成都飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所，成都,610091)

燃油系統(tǒng)的主要功能是儲(chǔ)存燃油，在飛機(jī)飛行包線內(nèi)連續(xù)、可靠地向發(fā)動(dòng)機(jī)供油，同時(shí)保持飛機(jī)重心在規(guī)定范圍內(nèi)。燃油系統(tǒng)左右機(jī)翼油箱輸油比例通常設(shè)定為1∶1，但受機(jī)上管路布置、附件工作差異、飛行姿態(tài)等因素影響，左右機(jī)翼油箱經(jīng)常無法按設(shè)定比例輸油。當(dāng)飛機(jī)出現(xiàn)機(jī)翼油箱[1]或副油箱不輸油故障時(shí)，會(huì)對(duì)飛機(jī)重心和操縱產(chǎn)生不利影響。大多數(shù)飛機(jī)沒有有效可用的機(jī)翼輸油不平衡故障檢測(cè)方法和判斷標(biāo)準(zhǔn)，使得既能準(zhǔn)確檢測(cè)出故障，又不引發(fā)虛警。目前常采用的方法是設(shè)置一個(gè)左右機(jī)翼油量差值告警點(diǎn)，以便向空勤發(fā)出告警信息和進(jìn)行應(yīng)急處置，保障飛行安全，但對(duì)未引發(fā)系統(tǒng)告警的機(jī)翼輸油不平衡故障無法進(jìn)行檢測(cè)。

在飛機(jī)日常維護(hù)工作中，地勤人員對(duì)飛機(jī)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)越來越深入，除了查看故障信息外還會(huì)對(duì)各自關(guān)心的重要數(shù)據(jù)信息進(jìn)行判讀，對(duì)發(fā)現(xiàn)的異常(與以往數(shù)據(jù)差別較大)進(jìn)行研究和排查。當(dāng)燃油系統(tǒng)左右機(jī)翼油量數(shù)據(jù)差值較大且無告警信息時(shí)，由于缺乏有效的故障檢測(cè)方法和判斷故障標(biāo)準(zhǔn)，地勤人員會(huì)感到困惑，無法確定燃油系統(tǒng)是否真實(shí)存在機(jī)翼輸油不平衡故障，設(shè)計(jì)人員也無法從技術(shù)上進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。

故障診斷技術(shù)主要有基于信號(hào)處理、基于數(shù)學(xué)模型和基于知識(shí)3種方法?；谛盘?hào)處理的方法側(cè)重于對(duì)單個(gè)產(chǎn)品的振動(dòng)等信號(hào)進(jìn)行處理和分析后給出故障診斷結(jié)論，如SINGH采用獨(dú)立的角度重采樣技術(shù)和連續(xù)小波變換對(duì)齒輪箱進(jìn)行故障診斷[2]?；跀?shù)學(xué)模型的方法需要建立系統(tǒng)精確的數(shù)學(xué)模型，診斷準(zhǔn)確性易受模型準(zhǔn)確性、系統(tǒng)參數(shù)及噪聲的影響，一般與其他診斷方法結(jié)合后進(jìn)行故障診斷。隨著人工智能和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，基于知識(shí)的智能故障診斷方法逐漸成為故障診斷研究的主流和發(fā)展方向，主要包括基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的診斷方法、基于粗糙集的診斷方法、遺傳算法、基于故障樹的診斷方法和基于專家系統(tǒng)的診斷方法等。這些診斷方法建立在對(duì)診斷對(duì)象深入了解的基礎(chǔ)上，且結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，需要較多的迭代計(jì)算、維護(hù)知識(shí)庫、故障庫、不斷獲取專家經(jīng)驗(yàn)等?，F(xiàn)階段飛機(jī)燃油系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了燃油泵等成品部件級(jí)的故障診斷，文獻(xiàn)[3～4]通過燃油泵的狀態(tài)監(jiān)控完成了燃油泵的故障檢測(cè)和健康評(píng)估；系統(tǒng)級(jí)的故障多依靠故障樹分析法進(jìn)行事后診斷，由于難以建立完整的故障信息庫和存在認(rèn)知盲區(qū)，診斷效果有時(shí)難以令人滿意，而專家系統(tǒng)目前還處于發(fā)展和嘗試階段[5]。

1 問題提出

與商用飛機(jī)相比，軍用飛機(jī)燃油輸油系統(tǒng)日趨復(fù)雜，專用輸油泵是當(dāng)前軍用飛機(jī)最廣泛使用的燃油輸送方法[6]。軍用飛機(jī)機(jī)翼油箱常見輸油控制原理如圖1所示，輸油部件主要包括輸油泵、單向活門、管路、接頭、輸油閥門等。輸油泵故障或吸油口堵塞、管路破損泄漏、接頭泄漏等都會(huì)導(dǎo)致單側(cè)機(jī)翼輸油異常，打破左右機(jī)翼輸油平衡；油量測(cè)量故障也會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)機(jī)翼輸油不平衡現(xiàn)象。

圖1 飛機(jī)左右機(jī)翼油箱輸油原理

目前大多數(shù)飛機(jī)不具備對(duì)輸油泵吸油口局部堵塞、管路或接頭泄漏等故障進(jìn)行有效監(jiān)控和檢測(cè)的能力，地勤人員也缺乏實(shí)際可行的機(jī)翼輸油不平衡故障檢測(cè)手段。雖然飛機(jī)上設(shè)有機(jī)翼輸油不平衡故障告警系統(tǒng)(機(jī)翼油量差值大于設(shè)定值時(shí)發(fā)出告警信號(hào))，但該告警信號(hào)主要用于向空勤發(fā)出告警信息，以做出應(yīng)急處置保證飛機(jī)飛行安全，對(duì)于經(jīng)常出現(xiàn)的機(jī)翼油量差值小于告警值或正處于發(fā)展期的故障無法進(jìn)行檢測(cè)和告警，使得故障隱患在地面維護(hù)檢查時(shí)不能被及時(shí)發(fā)現(xiàn)和排除，可能影響飛機(jī)任務(wù)執(zhí)行甚至危及飛行安全。

2 區(qū)間估計(jì)診斷原理

區(qū)間估計(jì)是參數(shù)估計(jì)的一種形式，通過從總體中抽取樣本，根據(jù)一定的正確度與精確度要求，構(gòu)造出適當(dāng)?shù)膮^(qū)間，以作為總體的分布參數(shù)(或參數(shù)的函數(shù))的真值所在范圍的估計(jì)。本文通過回歸分析法和樣本數(shù)據(jù)建立機(jī)翼油量的估計(jì)區(qū)間，修正后作為故障檢測(cè)手段，在設(shè)置合理的判故條件后，可用于機(jī)翼輸油不平衡故障診斷。

從機(jī)翼正常輸油油量數(shù)據(jù)中選取n個(gè)單側(cè)機(jī)翼(如右機(jī)翼)油量的樣本數(shù)據(jù)作為自變量:

mRW=[x1,x2,…,xn]

(1)

與之相對(duì)應(yīng)的左機(jī)翼油量樣本數(shù)據(jù)為因變量

mLW=[y1,y2,…,yn]

(2)

燃油系統(tǒng)左右機(jī)翼輸油比例通常設(shè)定為1∶1，機(jī)翼油量分布也基本呈線性關(guān)系。根據(jù)選取的油量樣本數(shù)據(jù)求得估計(jì)的一元線性回歸方程：

(3)

(4)

(5)

設(shè)定機(jī)翼輸油不平衡故障判斷條件如下:

“若m1/m>x%，則存在左右機(jī)翼輸油不平衡故障。”m為待診斷的油量數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，m1為分布在區(qū)間外的油量數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，x%為設(shè)定的判斷故障比例。

故障診斷初期，由于缺乏足夠的數(shù)據(jù)驗(yàn)證和經(jīng)驗(yàn)積累，上文設(shè)定的機(jī)翼輸油不平衡故障判斷條件和x%的判定值可能會(huì)存在一定偏差。為提高故障診斷的準(zhǔn)確性，防止出現(xiàn)故障漏檢情況，采用借鑒飛機(jī)系統(tǒng)常用故障判斷邏輯的方法，補(bǔ)充判斷條件：“若m中連續(xù)有m2個(gè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)在區(qū)間外，則存在左右機(jī)翼輸油不平衡故障?！?/p>

上述判斷條件中滿足任一條件，即判定存在機(jī)翼輸油不平衡故障。將機(jī)翼油量數(shù)據(jù)導(dǎo)入到機(jī)翼油量值正常分布的區(qū)間中，依照故障判斷條件可以診斷出系統(tǒng)是否存在機(jī)翼輸油不平衡故障。隨著基于大量數(shù)據(jù)的實(shí)踐驗(yàn)證，故障判斷條件將不斷修正和完善，故障診斷會(huì)更加準(zhǔn)確。

3 實(shí)例驗(yàn)證

某飛機(jī)經(jīng)常出現(xiàn)機(jī)翼輸油不平衡故障，為了保證飛行安全，機(jī)翼油量差值大于300 kg時(shí)系統(tǒng)會(huì)發(fā)出“機(jī)翼輸油不平衡”故障告警信息。用戶在判讀油量數(shù)據(jù)時(shí)，常發(fā)現(xiàn)左右機(jī)翼油量差值與以往數(shù)據(jù)相差較大，由于系統(tǒng)未報(bào)故，無法確定是否真正存在故障，但頻繁出現(xiàn)的輸油不平衡故障給用戶造成了很大困擾。為解決該問題，運(yùn)用油量區(qū)間估計(jì)方法對(duì)飛機(jī)燃油系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)翼輸油不平衡故障診斷。

3.1 建立油量估計(jì)區(qū)間

表1是從飛機(jī)燃油系統(tǒng)歷史工作數(shù)據(jù)庫中選取的100組機(jī)翼正常輸油時(shí)左右機(jī)翼油量值樣本數(shù)據(jù)。

表1 機(jī)翼油量樣本數(shù)據(jù) 單位：kg

以右機(jī)翼油量值作為自變量，左機(jī)翼油量值作為因變量，樣本數(shù)據(jù)散點(diǎn)圖如圖2所示?？梢钥闯鲎笥覚C(jī)翼油量值之間基本呈線性關(guān)系，左機(jī)翼油箱耗油略快于右機(jī)翼油箱，這是由左右機(jī)翼輸油管路布置差異導(dǎo)致的。

圖2 樣本散點(diǎn)圖

根據(jù)樣本數(shù)據(jù)求得估計(jì)的一元線性回歸方程

(6)

用F檢驗(yàn)法進(jìn)行顯著性檢查，設(shè)顯著水平α=0.05，即置信概率為95%，計(jì)算得到的F值遠(yuǎn)大于查到的F表值，說明左右機(jī)翼油量值線性關(guān)系顯著；擬合優(yōu)度檢驗(yàn)的可決系數(shù)R2值為0.995 7，表明回歸直線對(duì)觀察值的擬合效果非常好。

設(shè)定置信水平為95%，根據(jù)樣本數(shù)據(jù)求得飛機(jī)左機(jī)翼油量個(gè)別值相對(duì)右機(jī)翼油量值的估計(jì)區(qū)間如圖3所示。

圖3 左機(jī)翼油量個(gè)別值估計(jì)區(qū)間

通過修正值(Δ約取區(qū)間平均寬度的10%)對(duì)估計(jì)區(qū)間進(jìn)行修正，修正后的估計(jì)區(qū)間如圖4所示。

圖4 修正后左機(jī)翼油量個(gè)別值估計(jì)區(qū)間

設(shè)定機(jī)翼輸油不平衡故障判斷條件如下：

“若m1/m>15%，則存在左右機(jī)翼輸油不平衡故障?！被颉叭鬽中連續(xù)有7個(gè)(m2取值)數(shù)據(jù)分布在油量估計(jì)區(qū)間外，則存在左右機(jī)翼輸油不平衡故障?！?/p>

根據(jù)修正后的左機(jī)翼油量個(gè)別值估計(jì)區(qū)間，結(jié)合故障判斷條件就可以對(duì)機(jī)翼輸油不平衡故障進(jìn)行診斷。

3.2 應(yīng)用實(shí)例

從飛機(jī)曾出現(xiàn)的機(jī)翼輸油不平衡故障中選取兩個(gè)典型故障，一個(gè)故障系統(tǒng)報(bào)出了“機(jī)翼輸油不平衡”告警信息；另一個(gè)故障系統(tǒng)未報(bào)故，地勤人員查看機(jī)翼油量數(shù)據(jù)差值略大，但未到告警門限，不清楚系統(tǒng)是否存在故障。隨后在執(zhí)行某項(xiàng)檢查時(shí)意外發(fā)現(xiàn)右機(jī)翼輸油泵吸油口附近有一塊異物，推測(cè)異物曾堵塞過輸油泵。

現(xiàn)通過油量區(qū)間估計(jì)方法對(duì)選取的兩個(gè)典型故障數(shù)據(jù)進(jìn)行診斷。先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，去掉數(shù)據(jù)野值，然后按一定的采樣頻率獲得左右機(jī)翼油量數(shù)據(jù)，放入油量估計(jì)區(qū)間后根據(jù)數(shù)據(jù)分布情況和判故條件進(jìn)行故障診斷。

3.2.1 診斷實(shí)例1

飛機(jī)空中飛行時(shí)燃油系統(tǒng)報(bào)出“機(jī)翼輸油不平衡”故障告警信息。飛機(jī)著陸后，從燃油系統(tǒng)工作數(shù)據(jù)中取左右機(jī)翼油量有效工作數(shù)據(jù)共46組放入機(jī)翼油量估計(jì)區(qū)間如圖5。

圖5可以看出機(jī)翼油量值在估計(jì)區(qū)間的分布情況。開始輸油后不久，左機(jī)翼油量急劇下降，右機(jī)翼油量基本保持不變，機(jī)翼油量值很快就超出了油量估計(jì)區(qū)間，說明系統(tǒng)中存在機(jī)翼輸油不平衡故障；當(dāng)機(jī)翼油量差值大于300 kg設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)報(bào)出“機(jī)翼輸油不平衡”故障告警信息，待告警消失并持續(xù)一段時(shí)間后，機(jī)翼油量值又重新分布在油量估計(jì)區(qū)間內(nèi)，表明機(jī)翼輸油不平衡故障消失。

圖5 機(jī)翼油量數(shù)據(jù)故障檢測(cè)1

對(duì)46組機(jī)翼油量數(shù)據(jù)在油量估計(jì)區(qū)間上的分布情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，位于區(qū)間外的數(shù)據(jù)有30組，占比65.2%(>15%)，同時(shí)出現(xiàn)了連續(xù)7組數(shù)據(jù)分布在油量估計(jì)區(qū)間外的情況，依照故障判斷條件可知存在左右機(jī)翼輸油不平衡故障。經(jīng)查，左機(jī)翼油箱中有1根油位傳感器故障，導(dǎo)致左翼油量測(cè)量偏差。信號(hào)干擾[7]、線路故障、內(nèi)部接觸不良等都會(huì)導(dǎo)致油位傳感器出現(xiàn)測(cè)量故障，確認(rèn)故障原因并采取措施后，機(jī)翼輸油不平衡故障消失。

該診斷應(yīng)用表明，診斷方法可在告警信號(hào)發(fā)出前預(yù)先檢測(cè)出機(jī)翼輸油不平衡故障，診斷結(jié)果與告警信息吻合，說明該方法是準(zhǔn)確和有效的。

3.2.2 診斷實(shí)例2

飛機(jī)飛行時(shí)燃油系統(tǒng)未報(bào)故，著陸后地勤人員按例行要求查看燃油系統(tǒng)工作數(shù)據(jù)，未發(fā)現(xiàn)有“機(jī)翼輸油不平衡”“輸油泵低壓”等任何故障信息。取左右機(jī)翼油量有效工作數(shù)據(jù)共46組放入到機(jī)翼油量估計(jì)區(qū)間,見圖6。

圖6 機(jī)翼油量數(shù)據(jù)故障檢測(cè)2

從圖6看，剛開始機(jī)翼油量值分布正常，隨后逐漸“滑向”估計(jì)區(qū)間下限邊界并偏出估計(jì)區(qū)間，最終在機(jī)翼油量耗盡后又重新回歸到估計(jì)區(qū)間內(nèi)，可以推測(cè)機(jī)翼剛開始輸油正常，隨后出現(xiàn)右翼輸油變慢或左翼輸油變快故障，導(dǎo)致左右機(jī)翼油量差值超過估計(jì)區(qū)間范圍，原因可能與輸油管路或接頭泄漏[8]、輸油泵故障、輸油泵吸油口被堵塞有關(guān)。由于左右機(jī)翼均能耗盡燃油，最終油量差值又回歸到正常范圍內(nèi)。

46組機(jī)翼油量數(shù)據(jù)位于區(qū)間外的數(shù)據(jù)有23組，占比50%(>15%)，同時(shí)也出現(xiàn)了連續(xù)7組數(shù)據(jù)分布在油量估計(jì)區(qū)間外的情況，依照故障判斷條件可知存在左右機(jī)翼輸油不平衡故障。地勤人員意外在右機(jī)翼輸油泵吸油口濾網(wǎng)附近發(fā)現(xiàn)一塊異物，異物上有明顯濾網(wǎng)痕跡，同時(shí)檢查系統(tǒng)管路和接頭未發(fā)現(xiàn)異常，推斷輸油泵吸油口局部被異物堵塞導(dǎo)致右機(jī)翼輸油變慢，進(jìn)而出現(xiàn)機(jī)翼輸油不平衡故障。清除異物后再次開車檢查，機(jī)翼輸油不平衡故障消失。

盡管飛機(jī)系統(tǒng)未發(fā)出“機(jī)翼輸油不平衡”故障告警信息，但通過油量區(qū)間估計(jì)診斷方法可以檢測(cè)出確實(shí)存在機(jī)翼輸油不平衡故障。應(yīng)用實(shí)例表明該方法對(duì)于機(jī)翼輸油不平衡故障的診斷是準(zhǔn)確的，為地勤人員提供了一種可行的故障診斷手段，有助于地勤人員提前發(fā)現(xiàn)和排除機(jī)翼輸油不平衡故障，降低飛機(jī)再次飛行時(shí)的故障發(fā)生率。

4 結(jié)語

基于油量區(qū)間估計(jì)的故障診斷方法，依托機(jī)翼油量數(shù)據(jù)和回歸分析法建立機(jī)翼油量值的估計(jì)區(qū)間，修正后結(jié)合判故條件對(duì)待檢測(cè)數(shù)據(jù)在油量估計(jì)區(qū)間上的分布情況進(jìn)行分析判斷，可實(shí)現(xiàn)左右機(jī)翼輸油不平衡故障診斷。實(shí)例驗(yàn)證結(jié)果表明，對(duì)于油測(cè)故障或輸油故障等引起的機(jī)翼輸油不平衡故障，該方法的診斷結(jié)果是準(zhǔn)確和令人滿意的，是一種有效的故障檢測(cè)方法，可以降低飛機(jī)再次飛行時(shí)的故障發(fā)生率；故障診斷程序可集成到飛參判斷軟件中，為地勤人員提供一種簡(jiǎn)便快捷的故障診斷手段，滿足維護(hù)工作需要；還可推廣應(yīng)用于左右機(jī)翼副油箱輸油不平衡故障診斷。該方法具有診斷效果好、易實(shí)現(xiàn)、改動(dòng)少、成本低、推廣速度快等優(yōu)點(diǎn)。