V2500 發(fā)動機(jī)短艙全壽命周期健康管理體系研究

■ 張小波 孫良臣/中國南方航空股份有限公司工程技術(shù)分公司沈陽基地

0 引言

自20 世紀(jì)80 年代末空客公司推出A320 系列飛機(jī)以來，空客A320 系列飛機(jī)已發(fā)展成為全球范圍內(nèi)民用窄體客機(jī)的主力機(jī)型。后期空客公司推出A320neo（新款發(fā)動機(jī)選項）飛機(jī)，在此之前的飛機(jī)被稱為A320ceo（現(xiàn)款發(fā)動機(jī)選項）飛機(jī)，A320ceo 飛機(jī)配備V2500、CFM56-5B 兩種發(fā)動機(jī)。隨著A320ceo 機(jī)隊飛機(jī)使用年限的增加，飛機(jī)老齡化問題日漸突出，尤其是V2500 發(fā)動機(jī)短艙結(jié)構(gòu)主要由復(fù)合材料制成，為后退平移式反推結(jié)構(gòu)，位于高溫、高振動區(qū)域，運行條件惡劣，隨著飛行小時、飛行循環(huán)的不斷增長，在運行過程中發(fā)動機(jī)短艙出現(xiàn)各類損傷的情況愈發(fā)頻繁，且大多數(shù)損傷為超手冊損傷，導(dǎo)致飛機(jī)非計劃停場，短艙部件需要更換或送修。據(jù)統(tǒng)計，V2500 短艙年拆換率通常為6%～8%，單件送修費用20 萬～80 萬元，成本高昂，大大增加了航司的維修成本和運營成本。

飛機(jī)原始設(shè)備制造商（OEM）給出的維修大綱中對發(fā)動機(jī)短艙的檢查要求通常包含在區(qū)域檢查項目中，檢查方式為一般目視檢查，檢查間隔一般為C 檢。航司根據(jù)維護(hù)經(jīng)驗，雖然增加了一些檢查項目，但缺乏針對發(fā)動機(jī)短艙部件系統(tǒng)的管理方法和體系。為改善空客A320 飛機(jī)V2500 發(fā)動機(jī)短艙的運行狀態(tài)，提高運行可靠性，降低維修成本，南航沈陽基地對建立V2500 發(fā)動機(jī)短艙的全壽命周期健康管理體系進(jìn)行了研究。

1 飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和管理技術(shù)

飛機(jī)健康監(jiān)測和管理技術(shù)是基于飛機(jī)故障診斷、故障預(yù)測信息、邏輯信息和運營需要，對飛機(jī)健康狀態(tài)做出適當(dāng)決策，使得其維修效率最優(yōu)化的技術(shù)之一。這項技術(shù)的重點是通過智能模型和各種算法的應(yīng)用，并且依賴各類先進(jìn)傳感器的功能，對飛機(jī)的健康狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測和管理。對飛機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康監(jiān)測和管理是飛機(jī)健康監(jiān)測和管理系統(tǒng)中的重要組成部分。飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和管理主要通過在結(jié)構(gòu)中鋪設(shè)的先進(jìn)傳感器對反映結(jié)構(gòu)健康有關(guān)數(shù)據(jù)和信息（如應(yīng)力、應(yīng)變、模態(tài)等）進(jìn)行實時獲取，從而對結(jié)構(gòu)中損傷程度和損傷擴(kuò)展進(jìn)行監(jiān)測跟蹤，達(dá)到對結(jié)構(gòu)損傷預(yù)測和估計結(jié)構(gòu)剩余壽命的目的，并對任務(wù)決策和后勤保障的維護(hù)提出明確指導(dǎo)和建議。現(xiàn)階段，國內(nèi)外大部分研究主要集中于傳感器和損傷診斷方法的原理性研究，部分實際應(yīng)用研究在軍用飛機(jī)中展開。波音與空客在結(jié)構(gòu)健康管理方面已經(jīng)開展了長期研究，但還未在現(xiàn)役飛機(jī)中使用。還有一些研究者利用基于模型方法和概率統(tǒng)計方法相結(jié)合的方式對飛機(jī)結(jié)構(gòu)部件的健康監(jiān)測和管理開展研究，但在實際工程上的應(yīng)用仍處于嘗試階段。

2 V2500 發(fā)動機(jī)短艙全壽命周期健康管理體系的建立方法

如果采取飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和管理的傳統(tǒng)路徑，在現(xiàn)役飛機(jī)短艙結(jié)構(gòu)上鋪設(shè)大量傳感器和傳輸線路，在飛機(jī)上加載健康監(jiān)測系統(tǒng)的輔助設(shè)備，將改變飛機(jī)構(gòu)型，需要制造廠家、局方的充分配合，改裝成本高昂，適航驗證和批準(zhǔn)非常困難。因此，南航沈陽基地通過開展V2500 發(fā)動機(jī)短艙結(jié)構(gòu)的典型損傷機(jī)理研究、模擬損傷擴(kuò)展速率研究、損傷抑制/減緩技術(shù)研究、基于數(shù)據(jù)模型的維修間隔確定方法研究、短艙結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)檢查方法研究，充分利用機(jī)隊發(fā)動機(jī)短艙運行、維護(hù)和修理數(shù)據(jù)，完成對短艙全壽命周期健康管理體系的建立。使用數(shù)據(jù)分析方法建立維修間隔數(shù)學(xué)模型，科學(xué)確定檢查門檻值，輔以健康檢查，確定部件狀態(tài)并預(yù)測剩余使用壽命，做出維修決策。技術(shù)路徑如圖1所示。

圖1 技術(shù)路徑

2.1 典型損傷產(chǎn)生機(jī)理研究

根據(jù)現(xiàn)有記錄的損傷數(shù)據(jù)及相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，對短艙系統(tǒng)的所有損傷進(jìn)行分類，主要包括劃傷、刻痕、腐蝕、磨損、裂紋、凹坑、貫穿、分層、脫膠、雷擊等，并研究典型損傷的特征以及表征參數(shù)。對各類型的損傷開展損傷來源分析，基于統(tǒng)計數(shù)據(jù)，對短艙系統(tǒng)開展損傷威脅評估研究。針對短艙系統(tǒng)的典型損傷，采用預(yù)制損傷的方式開展相應(yīng)的數(shù)值研究和參數(shù)化建模研究。

2.2 損傷擴(kuò)展速率研究

針對復(fù)合材料和金屬結(jié)構(gòu)的典型損傷，分別開展其損傷擴(kuò)展數(shù)值研究，確定材料疲勞裂紋擴(kuò)展和斷裂的定量規(guī)律，并擬合得到相應(yīng)的損傷/斷裂模型及參數(shù)。對維修及運行記錄的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗，完成數(shù)據(jù)預(yù)處理?；谇捌诘牡湫蛽p傷擴(kuò)展試驗結(jié)果，選擇合適的基于特征的損傷演化模型，基于可靠性分析（判斷分析故障分布類型、數(shù)據(jù)擬合、分布檢驗和模型參數(shù)估計），對數(shù)據(jù)集進(jìn)行劃分，分別采用支持向量機(jī)SVM 和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等AI 算法開展數(shù)據(jù)分析。基于原始數(shù)據(jù)和損傷模型研究結(jié)果，對各類模型進(jìn)行比較和打分。

2.3 損傷抑制/減緩技術(shù)研究

開展文獻(xiàn)調(diào)研，總結(jié)適用于發(fā)動機(jī)短艙系統(tǒng)的損傷抑制/減緩技術(shù)，確定本研究的推薦方案?；谕扑]的兩種損傷抑制/減緩技術(shù)開展數(shù)值研究，預(yù)制損傷方式，研究損傷抑制/減緩技術(shù)的效果，并研究該技術(shù)對維修間隔確定的影響。

2.4 基于數(shù)據(jù)模型的維修間隔確定方法研究

通過基于成本和可用性的分析方法與基于大數(shù)據(jù)和AI 模型的分析方法，對維修間隔的確定進(jìn)行研究?；诔杀竞涂捎眯缘姆治龇椒ㄍㄟ^短艙部件的維修間隔記錄，采用威布爾分布擬合獲得其壽命分布，在已知維修花費和時間基本信息的情況下，通過計算獲得穩(wěn)定的最優(yōu)維修間隔?；诖髷?shù)據(jù)和AI 模型的分析方法不預(yù)先假設(shè)發(fā)動機(jī)短艙部件的維修間隔分布，而是基于已有的記錄數(shù)據(jù)（包括歷史維修間隔和其他損傷信息）預(yù)測短艙部件的下一次故障時間。

2.5 短艙結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)檢查

參照數(shù)據(jù)模型確定的維修門檻值，對短艙部件進(jìn)行健康狀態(tài)檢查。針對短艙結(jié)構(gòu)編制健康狀態(tài)檢查工卡，對短艙整體狀態(tài)進(jìn)行檢查，對易發(fā)生典型損傷的區(qū)域進(jìn)行重點檢查，并將檢查結(jié)果進(jìn)行匯總、打分，確定短艙結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)。根據(jù)短艙的健康狀態(tài)檢查結(jié)果，對短艙結(jié)構(gòu)采取三種不同的維修方式：

1）不需維修；

2）使用損傷抑制技術(shù)，延長短艙在翼壽命，同時確定下次健康檢查時間或拆下翻修時間；

3）拆下翻修，恢復(fù)短艙至可用狀態(tài)。

在維修系統(tǒng)中建立短艙健康管理模塊，將機(jī)隊短艙基礎(chǔ)信息錄入到模塊中，根據(jù)維修門檻值，對短艙進(jìn)行健康檢查，根據(jù)檢查結(jié)果采取繼續(xù)使用、適當(dāng)維修（采取損傷抑制措施）、拆下翻修等維修策略，確保短艙運行安全、可靠，維修成本最優(yōu)。

3 結(jié)論

V2500 發(fā)動機(jī)短艙的健康管理體系是南航內(nèi)部維修計劃（Maintenance Requirement System，MRS）的有益補(bǔ)充，主要維修策略是扭轉(zhuǎn)被動的事后維修狀態(tài)，實現(xiàn)基于部件狀態(tài)的主動預(yù)測型維修。針對發(fā)動機(jī)短艙結(jié)構(gòu)，引入飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與管理理念，評估發(fā)動機(jī)短艙結(jié)構(gòu)的健康狀況，預(yù)測其剩余使用壽命，建立維修門檻，進(jìn)行單機(jī)化短艙部件管理，提高短艙部件的運行可靠性，減少非計劃維修工作，同時也可以優(yōu)化維修航材和備件庫存管理，顯著降低運營與維修成本。