航空發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷與研究

李東輝，喻甲其，楊 梅

（航空工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，四川成都 610092）

0 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)作為航空設(shè)備的重要部件，由于其工作狀態(tài)會(huì)隨時(shí)發(fā)生變化，再加上高溫、大應(yīng)力、強(qiáng)振動(dòng)、高速等相關(guān)因素的影響，可能會(huì)產(chǎn)生各類故障問題，若情況嚴(yán)重會(huì)引起災(zāi)難性飛行事故。因此，研究航空發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷技術(shù)意義重大。

1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷的意義

我國國防戰(zhàn)略涉及各個(gè)方面，航空事業(yè)屬于其中的關(guān)鍵環(huán)境，除了能夠反映出我國綜合國力之外，還能夠展現(xiàn)我國的大國重器[1]。對于航空領(lǐng)域而言，發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)屬于整個(gè)飛行系統(tǒng)的核心，要想確保飛行過程的安全性、可靠性，就需要保證發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)能夠維持在正常運(yùn)行狀態(tài)中。對此，科學(xué)診斷航空發(fā)動(dòng)機(jī)存在的各類故障問題意義重大。通過正確運(yùn)用故障診斷技術(shù)，能夠及時(shí)找出存在問題的相關(guān)部位，然后結(jié)合具體狀況對發(fā)動(dòng)機(jī)故障嚴(yán)重程度進(jìn)行判斷。此種診斷方式，能夠較好地確保飛行安全，并降低故障發(fā)生概率，減少財(cái)力、人力等資源的投入，同時(shí)還能夠讓飛行系統(tǒng)維持穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，促進(jìn)航空設(shè)備利用率的提高。另外，通過對故障診斷技術(shù)的合理運(yùn)用，能夠貫徹落實(shí)和飛行維修相關(guān)的理念，進(jìn)而夯實(shí)維修技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。對航空發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷技術(shù)給予重視，表現(xiàn)為掌握飛行器的安全駕駛，所以，對航空發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷技術(shù)進(jìn)行研究意義重大。

2 航空發(fā)動(dòng)機(jī)故障分類

2.1 穩(wěn)定類故障

穩(wěn)定類故障屬于航空發(fā)動(dòng)機(jī)十分重要的故障，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的危害，檢測過程涉及許多困難，極易讓發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)出現(xiàn)變化，并讓發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)出現(xiàn)不穩(wěn)定性。

2.2 磨損故障和疲勞故障

航空發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)的各類故障，早期表現(xiàn)為磨損以及部件疲勞，各個(gè)元件相互磨損，屬于引起磨損故障的主要原因，會(huì)對葉片與軸承造成損害，進(jìn)而引起發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)事故。

2.3 氣路故障

具體運(yùn)用過程中，航空發(fā)動(dòng)機(jī)由于零件損壞會(huì)引起葉片故障，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變化，讓發(fā)動(dòng)機(jī)性能減退，最終產(chǎn)生各類故障。

2.4 振動(dòng)故障

航空發(fā)動(dòng)機(jī)在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)的磨損、變形問題，會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子偏移，引發(fā)不平衡故障。若安裝軸承的過程中存在誤差，就會(huì)使軸系出現(xiàn)故障，發(fā)動(dòng)機(jī)主要的故障方式是振動(dòng)故障。

2.5 對系統(tǒng)故障進(jìn)行控制

燃油控制系統(tǒng)故障涉及多個(gè)方面。該系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分為傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，這兩部分極易出現(xiàn)故障?？刂葡到y(tǒng)屬于整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的核心系統(tǒng)，若存在故障，會(huì)造成較為嚴(yán)重的事故。

2.6 熄火故障

燃燒室中若存在物理以及化學(xué)現(xiàn)象，會(huì)形成相互作用。若在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)各類復(fù)雜問題，就難以確保燃燒的穩(wěn)定性，并且燃燒室熄火之后會(huì)產(chǎn)生空中熄火的狀況。

2.7 軸承故障

軸承故障的形成原因表現(xiàn)為磨損，若各個(gè)機(jī)械構(gòu)件產(chǎn)生磨損，就會(huì)導(dǎo)致表面出現(xiàn)剝落。引起以上情況的因素為疲勞應(yīng)力。

3 航空發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷常用技術(shù)分析

3.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

現(xiàn)階段，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)經(jīng)歷了較長一段時(shí)間的發(fā)展，有關(guān)理念十分成熟，即R13與BP網(wǎng)絡(luò)模型等，運(yùn)用十分廣泛，模型設(shè)計(jì)以人腦基本特點(diǎn)為依據(jù)，諸如總結(jié)、學(xué)習(xí)、記憶以及歸納等，具備強(qiáng)大的數(shù)學(xué)計(jì)算能力[2]。如果將此技術(shù)應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)故障的診斷，其信息融合模型一般會(huì)選用BP網(wǎng)絡(luò)模型，對于此模型的具體表現(xiàn)而言，能夠?qū)π盘栠M(jìn)行預(yù)處理、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)信息融合分類等。但需要注意的是，對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具體引入時(shí)，應(yīng)對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)予以健全，主要表現(xiàn)于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及隱層的輸入輸出相關(guān)層面。例如，輸入輸出層，包含訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)與輸入輸出數(shù)據(jù)預(yù)處理。對于隱層設(shè)計(jì)而言，立足于問題分析過程，對神經(jīng)元數(shù)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。同時(shí)，立足于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建起來的診斷模型，診斷過程表現(xiàn)為。

（1）診斷開始，對故障診斷網(wǎng)絡(luò)權(quán)值進(jìn)行初始化。

（2）將發(fā)動(dòng)機(jī)涉及的特點(diǎn)輸入，剪輯各層輸出，進(jìn)而修正輸出層誤差、計(jì)算局部梯度等。

（3）分析故障診斷與精度要求之間的契合程度，如果和精度要求相符，可結(jié)合分析結(jié)果進(jìn)行故障分析。

3.2 表層簡易診斷方法

該方式通常運(yùn)用于較輕的發(fā)動(dòng)機(jī)故障，指的是航空發(fā)動(dòng)機(jī)在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)方面，對發(fā)動(dòng)機(jī)開展初步診斷和判斷，有利于飛行員對航空設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行準(zhǔn)確掌握，出現(xiàn)個(gè)別情況時(shí)可以迅速的將問題發(fā)現(xiàn)[3]。通常情況下，表現(xiàn)為特定零部件進(jìn)行全面的檢測，查看其相關(guān)參數(shù)情況，若處于合理范圍就代表發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行正常。同時(shí)，通過反復(fù)開展簡易表層測定與定時(shí)監(jiān)測的方式，能夠獲取到發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的規(guī)律，立足于此數(shù)據(jù)能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的故障預(yù)測，必要時(shí)還需要進(jìn)行語音預(yù)報(bào)。簡而言之，簡易診斷方式的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)為儀器簡單，對使用人員的要求較低，但是只可作為初步檢測，提供參考作用。

3.3 發(fā)動(dòng)機(jī)模型故障診斷方法

對發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行建造組裝前，會(huì)通過模型開展性能測試，模型在工作原理、整體結(jié)構(gòu)、零件組裝、性能方面完全相同，不同之處為大小，所以通過發(fā)動(dòng)機(jī)模型開展故障診斷排查，可以將問題迅速的找出來，直接修繕實(shí)體發(fā)動(dòng)機(jī)[4]。此診斷方式還被稱之為理論知識診斷法。該方式與表層簡易診斷法相比，精確度更高，深度更深。其除了能夠解決理論知識層面的相關(guān)問題之外，還可以對實(shí)踐操作遇到的瓶頸問題進(jìn)行解決，所以該方式得到了廣泛研究。對于此診斷方式的優(yōu)點(diǎn)而言，表現(xiàn)為可以結(jié)合模型運(yùn)營情況對實(shí)體發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中可能會(huì)出現(xiàn)的故障進(jìn)行預(yù)測，不需要運(yùn)用歷史案例以及經(jīng)驗(yàn)。但是，任何事情都存在兩面性，此技術(shù)的缺點(diǎn)在于模型系統(tǒng)仿真效率十分復(fù)雜與龐大，所以診斷速度較為緩慢，需要對診斷精度進(jìn)行嚴(yán)格要求，診斷過程較為困難。所以，國內(nèi)外均將此診斷方式作為研究重點(diǎn)。

3.4 離線診斷

對于離線診斷而言，表現(xiàn)為在高空作業(yè)和外場剎車的過程中收集相關(guān)信息，并通過數(shù)字形式在采集器中記錄收集到的信息，亦或是模擬信息，通過磁帶記錄儀進(jìn)行記錄。采集器中記錄的內(nèi)容均為數(shù)字信號，能夠通過計(jì)算機(jī)予以處理。而磁帶記錄儀中則主要是模擬信號，需要先進(jìn)行回放，再通過信號分析處理儀開展分析工作。亦或是運(yùn)用轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成之后需利用計(jì)算機(jī)處理。具體診斷過程中，計(jì)算機(jī)中需要安裝專業(yè)診斷軟件，也可采取人工診斷的方式。離線診斷的優(yōu)勢在于便捷、投資小、靈活性強(qiáng)。不足點(diǎn)表現(xiàn)為通過分析獲取到的信息滯后，難以及時(shí)處理緊急發(fā)生的故障，不利于控制裝置。而且連續(xù)監(jiān)測難度高，容易出現(xiàn)漏檢問題。

3.5 振動(dòng)診斷技術(shù)

振動(dòng)診斷效果良好。分析發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)后，需要對其予以檢測，預(yù)報(bào)發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)故障等。對于結(jié)構(gòu)良好的振動(dòng)與存在故障的振動(dòng)而言，存在著不同的特點(diǎn)，且差異較大，由此便可明確故障信息。測量各部件在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的振動(dòng)情況，可實(shí)現(xiàn)對故障的有效監(jiān)測。

4 航空發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷技術(shù)的發(fā)展

4.1 嵌入式診斷技術(shù)

美國海軍自主研發(fā)的CH-53E直升飛機(jī)，就采用了嵌入式診斷技術(shù)。對于此技術(shù)而言，主要通過機(jī)械、狀態(tài)、綜合監(jiān)控診斷等，收集和整理飛機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，具體飛行時(shí)可對自身故障進(jìn)行診斷，運(yùn)用飛機(jī)與地面網(wǎng)絡(luò)，對直升機(jī)實(shí)際運(yùn)行過程中的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)的更新，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙重分析和診斷。所以，嵌入式診斷技術(shù)除了能夠促進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷的科學(xué)性、可靠性的提高之外，還有利于診斷時(shí)間的減少，得到了廣泛關(guān)注與研究。

現(xiàn)階段，我國對航空發(fā)動(dòng)機(jī)診斷技術(shù)進(jìn)行探究的過程中，主要運(yùn)用系統(tǒng)自身具備的檢測能力，在飛行設(shè)備內(nèi)部構(gòu)建評估系統(tǒng)，進(jìn)而診斷發(fā)動(dòng)機(jī)異常以及故障，順利達(dá)到嵌入式的目標(biāo)。但是對自主獨(dú)立系統(tǒng)予以建立的過程中，應(yīng)不斷地進(jìn)行健全。比如，對嵌入式診斷技術(shù)進(jìn)行探究的過程中，可以憑借模型對比的方式，對嵌入式診斷涉及的相關(guān)檢測設(shè)備進(jìn)行構(gòu)建，但是此方式無法對發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行診斷。對此，在自主研發(fā)的過程中，需要加強(qiáng)對嵌入式診斷技術(shù)的創(chuàng)新，推動(dòng)此技術(shù)的良好發(fā)展。

4.2 智能人工診斷技術(shù)

推動(dòng)設(shè)備智能化發(fā)展，屬于現(xiàn)階段世界各個(gè)國家在技術(shù)自主研發(fā)方面表現(xiàn)出來的基本態(tài)勢。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷創(chuàng)新，智能人工是各個(gè)領(lǐng)域的主要發(fā)展方向，航空發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷也是如此[5]。對于智能人工診斷技術(shù)而言，能夠?qū)娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)智能化的診斷，并確保診斷可靠性，減少物力、人力、財(cái)力的投入。航空發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷的智能化發(fā)展，表現(xiàn)為對人的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行全面的模擬，進(jìn)而立足于模糊理論，形成智能人工診斷。其中，人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)為運(yùn)用信息技術(shù)，模擬人類的學(xué)習(xí)和記憶方式，存儲、檢索以及分析各類數(shù)據(jù)信息，以便于更加智能的對信息與問題進(jìn)行收集與判斷。另外，智能人工診斷技術(shù)的發(fā)展，可以立足于信息技術(shù)、人工智能等，滿足市場發(fā)展提出的新需求。

推動(dòng)診斷技術(shù)科學(xué)性、可靠性提高時(shí)，達(dá)到故障診斷全過程的智能化，讓故障診斷時(shí)間減少，促進(jìn)診斷結(jié)果準(zhǔn)確性的加強(qiáng)。因此，智能人工診斷技術(shù)屬于航空發(fā)動(dòng)機(jī)在故障診斷方面的重要發(fā)展方向。

5 結(jié)語

綜上所述，隨著各類技術(shù)的深度融合，航空發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷技術(shù)越發(fā)成熟，診斷精確度實(shí)現(xiàn)了巨大的提升，可以較好的對發(fā)動(dòng)機(jī)予以診斷，健全了航空發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷系統(tǒng)。通過各類診斷技術(shù)對航空發(fā)動(dòng)機(jī)故障予以分析，可確保其安全性能的發(fā)揮，展現(xiàn)出應(yīng)有的作用。