基于卡爾曼濾波的CFM56-7B發(fā)動機(jī)滑油消耗異常監(jiān)控方法

全紅兵 甘力中

摘要：現(xiàn)行CFM56-7B發(fā)動機(jī)滑油檢查、添加勤務(wù)工作方式存在人力投入高、數(shù)據(jù)不精確等問題。本文提出了通過報文采集滑油數(shù)據(jù)，結(jié)合卡爾曼濾波算法建立模型，計算每個航班滑油消耗率，并對異常情況進(jìn)行報警的監(jiān)控方法。該方法效率更高，可協(xié)助航空公司提升航班運行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

關(guān)鍵詞：CFM56-7B；發(fā)動機(jī)；滑油；卡爾曼濾波；監(jiān)控

Keywords：CFM56-7B；engine；oil；Kalman Filter；monitoring

0 引言

CFM56-7B發(fā)動機(jī)廣泛應(yīng)用于波音737NG機(jī)型，其中滑油系統(tǒng)具有潤滑、冷卻、清潔、防腐等功能，是發(fā)動機(jī)上的重要系統(tǒng)?；拖到y(tǒng)非正常滲漏導(dǎo)致滑油消耗率高是CFM56-7B發(fā)動機(jī)的典型故障之一，因此有必要收集發(fā)動機(jī)滑油相關(guān)數(shù)據(jù)并對滑油消耗率進(jìn)行持續(xù)監(jiān)控，以降低滑油系統(tǒng)故障對機(jī)隊運行的影響。

傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)滑油消耗率監(jiān)控方法要求勤務(wù)人員在飛機(jī)過站或航后工作時檢查發(fā)動機(jī)滑油量，并按工作單要求添加滑油，根據(jù)添加量計算滑油消耗率。對發(fā)動機(jī)滑油系統(tǒng)是否有滲漏故障的判斷是依據(jù)計算結(jié)果和趨勢分析獲得的，該方式在獲取數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和及時性上存在風(fēng)險，并且僅能發(fā)現(xiàn)滑油消耗率極高的情況。

通過飛機(jī)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)（ACMS）報文，可以在不接近飛機(jī)的情況下實時獲取發(fā)動機(jī)滑油量數(shù)據(jù)和工作時間，然后根據(jù)系統(tǒng)原理建立模型計算滑油消耗率，當(dāng)滑油消耗率超限或呈現(xiàn)持續(xù)增長趨勢時產(chǎn)生報警。應(yīng)用此方法可以提高對所獲滑油添加數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和發(fā)動機(jī)滑油消耗監(jiān)控的及時性。

1 滑油系統(tǒng)

CFM56-7B發(fā)動機(jī)滑油分配系統(tǒng)包括供油路、回油路、通氣管路。圖1為CFM56-7B發(fā)動機(jī)滑油系統(tǒng)示意圖。

供油路向發(fā)動機(jī)齒輪軸承等部件提供清潔的滑油進(jìn)行潤滑和冷卻。滑油從滑油箱經(jīng)過防漏活門到潤滑組件（包括供油泵、供油濾），然后到達(dá)下列潤滑部位：前收油池、后收油池、轉(zhuǎn)換齒輪箱（TGB）和附件齒輪箱（AGB）。

回油路從發(fā)動機(jī)潤滑部位到潤滑組件（包括磁性金屬探測器、回油泵），經(jīng)過回油濾到伺服燃油加熱器，然后流到主滑油燃油熱交換器，再次經(jīng)過伺服燃油加熱器流回滑油箱。

通氣管路連接滑油箱和前收油池是為了平衡收油池內(nèi)部空氣壓力與外界的大氣壓，使收油池內(nèi)外殼體之間的壓力始終高于收油池內(nèi)部的空氣壓力，從而形成對收油池的增壓。

由于滑油箱高于滑油系統(tǒng)其他部件，當(dāng)發(fā)動機(jī)關(guān)車后，防漏活門關(guān)閉，防止滑油箱油量減少或者在拆卸滑油系統(tǒng)部件時油箱中滑油流出。當(dāng)發(fā)動機(jī)不工作時，防漏活門被彈簧保持在關(guān)位。發(fā)動機(jī)工作時，后收油池滑油壓力保持活門打開。

2 算法思路

卡爾曼濾波是一種利用線性隨機(jī)系統(tǒng)狀態(tài)方程和觀測方程對系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行最優(yōu)估計的算法。由于觀測數(shù)據(jù)中包括系統(tǒng)中的噪聲和干擾的影響，其最優(yōu)估計可視為是濾波過程。具體而言，卡爾曼濾波模型假設(shè)k時刻的真實狀態(tài)是從k-1時刻的狀態(tài)演化而來。假設(shè)滑油消耗服從以下卡爾曼濾波模型：

由于滑油添加工作是在發(fā)動機(jī)關(guān)車后5～60min內(nèi)進(jìn)行的，在未加油時可將前后航段的差值視為滑油消耗量，添加滑油后則需要建立油量減少函數(shù)f以計算油耗量。

3 建立模型

首先需要判斷相鄰航段間是否有加油，可利用發(fā)動機(jī)關(guān)車時滑油量差值

和的關(guān)系來區(qū)分加油和未加油的情況。對～擬合函數(shù)g（GDTk），當(dāng)>g（GDTk）時則判定可能有加油。

對于采集到的波音737NG機(jī)隊數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行篩選，其中未加油航班的油量減少數(shù)值和GDTk關(guān)系如圖2所示。

然后，使用非線性最小二乘法得到相關(guān)參數(shù)估計值。

4 數(shù)據(jù)預(yù)處理

為降低誤報率，有必要對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗和平滑等預(yù)處理。本文對滑油消耗的分析主要涉及滑油量和時間。由于滑油量數(shù)據(jù)經(jīng)過勤務(wù)檢查驗證基本可靠，清洗主要針對spt和GDT時間數(shù)據(jù)。

對于spt，先建立一個基于航段的spt分布表，然后計算歷史記錄中可靠的時間數(shù)據(jù)的分位數(shù)，由此判斷給定航段的spt是否處于歷史航段spt分布的正常范圍內(nèi)，找出時間異常點。

對于GDT，按照關(guān)車后油箱內(nèi)油溫下降速度服從牛頓冷卻定律，即與油溫和外界溫差成正比來計算：

6 方法應(yīng)用

在地面飛機(jī)健康管理系統(tǒng)部署上述方法，可以使航空公司監(jiān)控機(jī)隊發(fā)動機(jī)滑油消耗率狀態(tài)。地面系統(tǒng)通過ACMS報文獲取數(shù)據(jù)并計算滑油消耗率，對其中異常情況進(jìn)行告警。從獲取數(shù)據(jù)到計算滑油消耗并報警的過程為系統(tǒng)自動運行，無需人工干預(yù)，相較傳統(tǒng)方式可大大減少勤務(wù)檢查工時，極大提升監(jiān)控工作效率。

該方法投入生產(chǎn)運行后已成功監(jiān)控到多次波音737NG機(jī)隊發(fā)動機(jī)滑油消耗量偏高事件并發(fā)出告警。圖4和圖5分別為波音737NG飛機(jī)運行中監(jiān)控發(fā)現(xiàn)左發(fā)滑油消耗率趨勢漂移以及超限的案例。

監(jiān)控到告警后，根據(jù)監(jiān)控情況按手冊要求執(zhí)行滑油滲漏檢查，更換潤滑組件磁堵封圈、燃油滑油熱交換器等部件，最終排除故障。

7 結(jié)束語

通過獲取CFM56-7B發(fā)動機(jī)滑油數(shù)據(jù)計算滑油消耗率，利用卡爾曼濾波抑制噪聲干擾，以及運用極大似然比的方法進(jìn)行檢驗，提高了診斷準(zhǔn)確率。將此方法與狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)相結(jié)合，能實時自動分析滑油消耗率突變和增大趨勢并發(fā)出實時告警，對發(fā)動機(jī)滑油系統(tǒng)滲漏風(fēng)險進(jìn)行評估和故障分析提供了決策支持。

通過前期投入實際運營及與傳統(tǒng)勤務(wù)方式并行，驗證了該方法的功能有效性，并獲取了大量反饋信息。下一階段將對數(shù)據(jù)采集、報警閾值等環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，以達(dá)到實時預(yù)測發(fā)動機(jī)滑油消耗趨勢，最終實現(xiàn)替代人工檢查滑油量勤務(wù)，降低過度維護(hù)成本，為航空公司提供安全性保障的同時帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

[1]夏存江. CFM56-7B發(fā)動機(jī)滑油滲漏分析[J]. 燃?xì)鉁u輪試驗與研究，2008，21（1）：54-57，50.

[2]胡志坤，孫巖，姜斌，等.一種基于最優(yōu)未知輸入觀測器的故障診斷方法[J].自動化學(xué)報，2013，39（8）：1225-1230.