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      航空發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷與研究

      2023-01-14 09:47:19李東輝喻甲其
      設(shè)備管理與維修 2022年5期
      關(guān)鍵詞:嵌入式故障診斷航空

      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。

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