宋 輝，李曉明，宋文波

（空軍航空大學(xué)航空工程機(jī)械系，長春 130022）

1 引言

航空發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且在高溫、高壓和高轉(zhuǎn)速的惡劣環(huán)境下長時間反復(fù)工作，發(fā)生任何功能故障都可能導(dǎo)致飛機(jī)發(fā)生事故，甚至誘發(fā)災(zāi)難性后果。為保證航空發(fā)動機(jī)安全可靠運行，降低維修保障費用，以美國為首的西方國家提出了發(fā)動機(jī)健康管理[1-2]（EHM）技術(shù)。EHM技術(shù)通過不斷監(jiān)測影響發(fā)動機(jī)安全性能的功能故障，來采取措施恢復(fù)其運作功能，確保其可靠性。健康評估是其關(guān)鍵技術(shù)之一，關(guān)系著EHM技術(shù)的成敗。與傳統(tǒng)、單一的故障診斷方法不同，健康評估[3]以其先進(jìn)的狀態(tài)監(jiān)視手段、可靠的評價方法和完整的運行數(shù)據(jù)來判斷發(fā)動機(jī)當(dāng)前的實際健康狀況，進(jìn)行科學(xué)的故障診斷和隔離，以判斷故障的部位、嚴(yán)重程度和發(fā)展趨勢，識別故障發(fā)生的早期征兆，提高診斷準(zhǔn)確性，降低虛警率。健康評估不僅能擴(kuò)展故障診斷功能，辨識系統(tǒng)當(dāng)前健康狀態(tài)，而且能根據(jù)系統(tǒng)故障傳播特性評估系統(tǒng)未來的傳播趨勢。

本文在以往相關(guān)研究基礎(chǔ)上，結(jié)合航空發(fā)動機(jī)健康評估特點，研究了航空發(fā)動機(jī)健康評估類型，并介紹前沿的健康評估方法。

2 健康評估概念及意義

健康評估概念最早出現(xiàn)在人的健康管理中，最近幾年才應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)管理。其目的在于管理、分類評估數(shù)據(jù)，并采取積極主動的措施監(jiān)視發(fā)動機(jī)的健康狀態(tài)，預(yù)測發(fā)動機(jī)性能變化趨勢，部件故障發(fā)生時機(jī)及剩余使用壽命，以采取必要的措施減緩發(fā)動機(jī)性能衰退。根據(jù)健康評估的特性做出定義：“健康評估”是指根據(jù)系統(tǒng)的監(jiān)測信息評估系統(tǒng)的健康退化情況，給出帶有置信度水平的系統(tǒng)故障診斷結(jié)論，并結(jié)合系統(tǒng)的健康歷史信息、運行狀態(tài)和運作負(fù)載特性，預(yù)報（指根據(jù)健康評估的診斷結(jié)論，結(jié)合系統(tǒng)故障傳播特性和系統(tǒng)運作情況，定性評估故障的2次影響方向或組件）系統(tǒng)未來的健康狀態(tài)[4-5]。

開展發(fā)動機(jī)健康評估有著重要意義：（1）可以迅速而準(zhǔn)確地確定故障部位和嚴(yán)重程度，有利于確保飛行安全，減少投入維修的人力、物力，縮短飛機(jī)的停飛時間，提高飛機(jī)的利用率；（2）實現(xiàn)先進(jìn)的維修思想（從經(jīng)驗型的“以預(yù)防為主”轉(zhuǎn)向“以可靠性為中心”）和維修方式（以單純維修方式轉(zhuǎn)向定時維修、視情維修和事后維修3種方式相結(jié)合）的必要手段與前提；（3）可以提高發(fā)動機(jī)的可靠性和飛行的安全性，縮短發(fā)動機(jī)維修周期，簡化維修步驟，降低維修成本。

3 航空發(fā)動機(jī)健康評估類型及特點

航空發(fā)動機(jī)故障類型十分復(fù)雜，總體上可分為性能故障、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度故障和機(jī)械系統(tǒng)故障。因此，航空發(fā)動機(jī)健康評估主要對發(fā)動機(jī)氣路性能、結(jié)構(gòu)和機(jī)械系統(tǒng)3部分進(jìn)行。根據(jù)所提取的觀測數(shù)據(jù)、系統(tǒng)特征和維修記錄，綜合評價發(fā)動機(jī)健康狀態(tài)，為維修工作提供有力支持。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

4 氣路性能健康評估

氣路系統(tǒng)部件是航空發(fā)動機(jī)的核心部件，包括壓氣機(jī)、燃燒室和渦輪等。氣路部件的一些熱力參數(shù)可反映發(fā)動機(jī)性能狀態(tài)變化，在發(fā)動機(jī)使用過程中，由于氣路部件性能退化，導(dǎo)致其性能也逐漸退化。航空發(fā)動機(jī)氣路性能健康評估內(nèi)容和特點見表1。

表1 航空發(fā)動機(jī)氣路性能健康評估

4.1 氣路性能健康評估原理

氣路健康評估都要利用發(fā)動機(jī)的可觀測參數(shù)（如轉(zhuǎn)速 NL、NH；燃油流量 FF；壓力 P2、P3、P6；溫度 T1、T3、T6）與健康基準(zhǔn)線進(jìn)行比較。其偏差作為檢測、隔離和確定部件在效率和功率上是否存在故障的依據(jù)。如果把由發(fā)動機(jī)故障引起其性能衰退、降級的過程看作正向過程，那么故障診斷就是其反向過程。燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)氣路故障診斷方法原理如圖2所示。

4.2 氣路性能健康評估方法

傳統(tǒng)的氣路健康評估方法有故障樹法、線性模型法、非線性模型法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。目前研究較多的是殘差法[6]和氣路碎屑法。

美國Honeywell公司首先采用殘差法對發(fā)動機(jī)氣路性能進(jìn)行評估，把實際測量的發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)參數(shù)換算到標(biāo)準(zhǔn)的溫度和壓力條件下，與經(jīng)驗?zāi)Ｐ蜕蓺埐?。?jīng)驗?zāi)Ｐ褪呛邪l(fā)動機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速（NL）的多項式，可以計算給定飛行條件(如馬赫數(shù)、大氣壓力和大氣溫度)下期望的高壓轉(zhuǎn)速（NH）、排氣溫度（T6）和燃油流量（FF）。模型計算期望值與測量值進(jìn)行比較的結(jié)果，即殘差為ΔNH、ΔT6、ΔFF。用殘差作為模糊推理系統(tǒng)的輸入值進(jìn)行渦輪部件整體性能衰退的定性診斷分析。

氣路碎屑健康評估是1種基于對發(fā)動機(jī)氣路碎屑攜帶的靜電進(jìn)行評估的新方法。該方法最早是由美國賴特·帕特森空軍基地航空系統(tǒng)部的R.P.Couch博士[7]提出的，現(xiàn)已被美國GE公司應(yīng)用于F-35戰(zhàn)斗機(jī)的故障預(yù)測與健康管理（PHM）[8]中。在正常工作狀態(tài)，發(fā)動機(jī)尾氣中的總體靜電荷會保持在1個正常水平，但隨著發(fā)動機(jī)工作條件的不同而有所變化。因此，可以將這個正常水平作為發(fā)動機(jī)性能衰退的1個閾值。當(dāng)氣路部件發(fā)生故障時，就會在尾氣中產(chǎn)生額外的碎屑，導(dǎo)致總體靜電荷水平超過閾值，進(jìn)而根據(jù)其表現(xiàn)的特征判斷出故障類型，并作出預(yù)警。通過氣路碎屑監(jiān)視可以實現(xiàn)對發(fā)動機(jī)氣路部件（如壓氣機(jī)和渦輪葉片、燃燒室和噴管等）的表面故障（如外物打傷、摩擦、磨損、侵蝕和燒傷等）實時監(jiān)視和評估。氣路碎屑健康評估的最大好處是對健康狀態(tài)的實時識別，只要有碎屑產(chǎn)生，便可監(jiān)測到，從而識別何種部件發(fā)生故障。氣路碎屑健康評估在保證早期預(yù)警和故障跟蹤的同時，還可以跟蹤后期的故障發(fā)展情況，可為維修計劃的安排帶來很大的自由度，這是其他評估方法難以實現(xiàn)的。

5 結(jié)構(gòu)健康評估

從中國航空發(fā)動機(jī)的故障統(tǒng)計中發(fā)現(xiàn)，發(fā)動機(jī)性能故障約占總故障的10%～20%，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度故障約占總故障的60%～70%，其中多數(shù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度故障的早期信息在其振動信息中都有所反映[9]。航空發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)健康評估主要包括2方面內(nèi)容：振動健康評估和部件壽命管理。

5.1 振動健康評估

振動健康評估旨在評估發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，識別發(fā)動機(jī)在所有工作轉(zhuǎn)速下的危險振動狀態(tài)，預(yù)測發(fā)動機(jī)振動趨勢，避免由發(fā)動機(jī)部件退化而引起的損傷。準(zhǔn)確掌握發(fā)動機(jī)的振動狀態(tài)和特征是判斷發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子動態(tài)特性優(yōu)劣的重要手段，通過發(fā)動機(jī)振動特征及時發(fā)現(xiàn)振動故障，為發(fā)動機(jī)健康評估提供有效依據(jù)。

5.1.1 常見異常振動概述

航空發(fā)動機(jī)由振動引起的典型故障主要包括：

（1）轉(zhuǎn)子不平衡：主要因轉(zhuǎn)子的初始平衡狀態(tài)被破壞而產(chǎn)生的不平衡量所導(dǎo)致，這是較常見的發(fā)動機(jī)振動故障，其直接表現(xiàn)為發(fā)動機(jī)整機(jī)振動過大。

（2）軸承故障：航空發(fā)動機(jī)支撐結(jié)構(gòu)中使用的多為滾珠軸承和滾棒軸承，軸承磨損故障最為常見。

（3）裂紋：輪盤、葉片、軸的故障主要是由疲勞損傷引起裂紋，隨著發(fā)動機(jī)的使用，裂紋發(fā)展導(dǎo)致部件強(qiáng)度減小，難以承受預(yù)定的載荷而發(fā)生斷裂。這類故障通常會造成發(fā)動機(jī)發(fā)生致命損壞，危害極大。

（4）碰摩：轉(zhuǎn)子與機(jī)匣碰摩是航空發(fā)動機(jī)中常見的故障之一，雙轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)內(nèi)、外轉(zhuǎn)子的碰摩比較少見。轉(zhuǎn)子碰摩會引起整機(jī)振動過大，破壞發(fā)動機(jī)封嚴(yán)篦齒的結(jié)構(gòu)，影響發(fā)動機(jī)效率；也可能使機(jī)匣發(fā)生較大變形，或使發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子葉片產(chǎn)生裂紋甚至折斷。

振動故障是旋轉(zhuǎn)機(jī)械發(fā)生故障的主要表現(xiàn)形式。要對發(fā)動機(jī)振動進(jìn)行準(zhǔn)確的測試，必須對其結(jié)構(gòu)設(shè)計、組成和操作動態(tài)特性有所了解。根據(jù)不同的分類方法，各種振動類型見表2。

表2 航空發(fā)動機(jī)振動類型

5.1.2 振動健康評估原理

振動健康評估主要研究內(nèi)容是發(fā)動機(jī)振動機(jī)理，并總結(jié)和歸類分析常見的振動故障模式和故障信息，研究適用于發(fā)動機(jī)振動監(jiān)視的信號處理方法，包括發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)和過渡態(tài)的振動信號處理方法：數(shù)據(jù)預(yù)處理、挑點剔除、信號消噪和振動特征信息提取方法。最后利用相關(guān)算法和模型對數(shù)據(jù)做進(jìn)一步處理，分析振動趨勢，對異常情況如失衡、磨損和摩擦提出早期預(yù)警，以便維修人員及時采取措施。其原理如圖3所示。

目前航空發(fā)動機(jī)振動健康評估主要存在信號抗干擾、容錯性和準(zhǔn)確度問題。倪紹華等人提出了1種基于灰色神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的航空發(fā)動機(jī)故障診斷方法[10]。該方法不僅具有灰色關(guān)聯(lián)度故障診斷方法計算量小、準(zhǔn)確率高等優(yōu)點；同時具備了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)有力的并行處理能力和良好的容錯性。劉林剛等人提出了基于支持向量機(jī)的航空發(fā)動機(jī)振動預(yù)測方法，利用時間序列預(yù)測理論，建立了航空發(fā)動機(jī)振動預(yù)測模型，提高了發(fā)動機(jī)振動健康評估的精確度[11]。

5.2 部件壽命管理

進(jìn)行發(fā)動機(jī)部件壽命管理[12]是健康評估的1項重要內(nèi)容。發(fā)動機(jī)部件壽命管理主要包括高低壓渦輪導(dǎo)向器葉片、軸承、燃燒室機(jī)匣和支板、外涵道氣肋、噴管和附件等。保證部件剩余壽命預(yù)測的精確性是目前面臨的主要問題，這需要研制更有效的傳感器、設(shè)計更精確的模型與算法，加強(qiáng)對疲勞、蠕變和氧化等損傷機(jī)理以及其交互作用的深入研究，獲取更準(zhǔn)確的材料力學(xué)性能數(shù)據(jù)，減少由于材料等因素帶來的不確定性。其壽命管理內(nèi)容和程序如圖4所示。

5.2.1 部件壽命管理方法

航空發(fā)動機(jī)部件壽命控制，一直沿用部件工作小時為壽命單位的定時翻修壽命管理體系，即同類部件均以統(tǒng)一的工作小時為限作為控制壽命的標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)存在以下弊端：（1）發(fā)動機(jī)工作小時數(shù)并不能真實反映發(fā)動機(jī)壽命消耗的本質(zhì)。實際上，發(fā)動機(jī)壽命消耗主要取決于發(fā)動機(jī)在大負(fù)荷狀態(tài)下的工作時間和工作循環(huán)，即取決于發(fā)動機(jī)的實際用法；（2）發(fā)動機(jī)個體之間在載荷強(qiáng)度上存在較大使用差異，若按統(tǒng)一的小時壽命進(jìn)行翻修管理，則使用負(fù)荷較小的發(fā)動機(jī)繼續(xù)使用的潛力將被浪費，導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)上高額付出；而使用負(fù)荷較大的發(fā)動機(jī)則易發(fā)生飛行安全事故。為此，目前通常利用傳感器的測量結(jié)果，綜合部件設(shè)計模型和歷史使用數(shù)據(jù)對部件的剩余壽命進(jìn)行精確預(yù)測。陳立波等人利用機(jī)載傳感器信息，確定了發(fā)動機(jī)主軸承使用壽命模型，該模型把狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)和基于模型分析的計算方法相結(jié)合，對發(fā)動機(jī)主軸承進(jìn)行壽命評估，使其預(yù)測精確度得到了很大提高[13]。

6 機(jī)械系統(tǒng)健康評估

目前，對于齒輪、軸承和傳動軸等機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件組成的機(jī)械系統(tǒng)的健康狀態(tài)評估主要采用滑油監(jiān)視的方法。該方法旨在利用滑油系統(tǒng)工作參數(shù)來監(jiān)視滑油的理化性能以及發(fā)動機(jī)中所有接觸滑油的零部件的健康狀況，從而提供有關(guān)發(fā)動機(jī)健康狀態(tài)的信息?；捅O(jiān)視是發(fā)動機(jī)健康評估的重要手段，主要包括：滑油系統(tǒng)工作狀態(tài)監(jiān)視、滑油碎屑監(jiān)視和滑油理化性能監(jiān)視。

（1）滑油系統(tǒng)工作狀態(tài)監(jiān)視

滑油系統(tǒng)工作狀態(tài)的監(jiān)視參數(shù)有滑油壓力、滑油溫度、滑油量、滑油消耗量以及油濾堵塞指示等。監(jiān)視方法是超限告警和趨勢分析。例如：滑油噴嘴堵塞、油濾堵塞或調(diào)壓器工作不正?？赡芤鸹蛪毫υ龈?；而泄漏、油管破裂、油泵故障、調(diào)壓活門工作不正常則會引起滑油壓力下降?；蜏囟冗^高結(jié)合其他滑油系統(tǒng)監(jiān)視參數(shù)，可指出發(fā)動機(jī)子系統(tǒng)的故障。監(jiān)視滑油量和滑油添加量可以得到有關(guān)滑油消耗量過高及滑油泄漏的信息。滑油系統(tǒng)工作狀態(tài)監(jiān)控流程如圖5所示。

（2）滑油碎屑監(jiān)視

除起到潤滑和冷卻作用外，滑油也是碎屑的運輸媒介。滑油碎屑監(jiān)視的主要任務(wù)是監(jiān)視接觸滑油的發(fā)動機(jī)零部件的健康狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)這些零部件由于表面故障而產(chǎn)生的碎屑，避免造成發(fā)動機(jī)損傷?；退樾急O(jiān)視包括機(jī)載監(jiān)視和地而監(jiān)視。機(jī)載監(jiān)視使用傳感器進(jìn)行實時分析，對超限事件進(jìn)行告警；地面監(jiān)視對地面采集的滑油樣品中的碎屑進(jìn)行分析。滑油碎屑監(jiān)視主要采用滑油光譜監(jiān)控和自動磨粒檢測相結(jié)合，實現(xiàn)發(fā)動機(jī)磨損故障的融合診斷[14]，以及支持向量機(jī)回歸模型對滑油金屬含量時間序列進(jìn)行預(yù)測建模[15]。

（3）滑油理化性能監(jiān)視

滑油理化性能監(jiān)視可以提供滑油的狀態(tài)以及某些發(fā)動機(jī)工作異常的信息。影響滑油理化性能的因素有通氣、溫度、滑油消耗量、滑油系統(tǒng)容量和滑油成分?？蓪偷难趸?、附加損耗、膠體雜質(zhì)含量、被燃油稀釋、閃點和總酸值等理化性能進(jìn)行測試，以確定滑油的可使用性。表3列出了滑油在使用中常用理化指標(biāo)的變化及產(chǎn)生原因，表4列出了國際上常用滑油理化性能分析儀。

表3 滑油常用理化指標(biāo)的變化及產(chǎn)生原因

表4 常用發(fā)動機(jī)滑油分析儀

7 結(jié)束語

本文在介紹健康評估技術(shù)的概念、意義以及航空發(fā)動機(jī)健康評估類型及特點基礎(chǔ)上，重點分析了氣路性能、結(jié)構(gòu)和機(jī)械系統(tǒng)的健康評估。航空發(fā)動機(jī)健康評估在中國還處于起步階段，對基礎(chǔ)理論知識的研究還比較缺乏，需要進(jìn)行更深入、更詳細(xì)地研究。航空發(fā)動機(jī)是1個大型的復(fù)雜系統(tǒng)，單一的評估模型很難對發(fā)動機(jī)進(jìn)行全方位評估。因此應(yīng)將發(fā)動機(jī)健康評估融入到發(fā)動機(jī)設(shè)計生產(chǎn)和維修保障中，全方位提高發(fā)動機(jī)健康狀態(tài)。

[1]Mercer C R,Simon DL,Hunter GW,et al. Fundamental Technology Development for Gas turbine Engine HealthManagement [C].AIAA Aerospace 2007 Conference,Rohnert Park, CA, United States, 2007.

[2]Arita MM,Syrmos V L,Vian J L,et al.Multi Source Data Integration for Aircraft HealthManagement [C]. IEEE Aerospace Conference, Montana,2008.

[3]Pendse R,Thanthry N.Aircraft Health Management Network: A User Interface [C]. IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine, NewYork,2009.

[4]Hatzfetd J,Fannie G.Disparities in U.S. Air Force Preventive Health Aessments and Medical Deployability [J]. Military Medicine,2010,175（1）：25- 32.

[5]代京,張平,李行散,等.綜合運載器健康管理健康評估技術(shù)研究[J].宇航學(xué)報,2009,30（4）:1711-1712.

[6]Gayme D，Menon S,Ball C,et al. Fault Detection and Diagnosis in Turbine Engines Using Fuzzy Logic [C]. International Conference of the North Americans Fuzzy Information Processing Society.Piscataway,2003.

[7]CouchRP.Detecing Abnormal Turbine Engine Deterioration Using Electrostatic Methods [J]. Journal of Aircraft，1978, 15（10）: 692- 695.

[8]Jaw L C. Recent Advancements in Aircraft Engine Health Management (EHM)Technologies and Recommend actions for the NextStep[R].ASME2005-GT- 68625.

[9]宋兆泓,陳光,吳大觀,等.航空發(fā)動機(jī)典型故障分析[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,1993.

[10]倪紹華,沙云東,張軍.基于灰色神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的航空發(fā)動機(jī)振動故障診斷方法研究 [J].沈陽航空工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2008,25（1）:5-6.

[11]劉林剛,李學(xué)仁,陳永剛,等.基于支持向量機(jī)的航空發(fā)動機(jī)振動預(yù)測模型研究[J].微計算機(jī)信息,2008,24（16）:289-290.

[12]洪杰,苗學(xué)問,馬艷紅.航空發(fā)動機(jī)主軸承使用狀態(tài)壽命預(yù)測模型[J].航空發(fā)動機(jī),2008,34（3）:18-21.

[13]陳立波,宋蘭琪,陳果.航空發(fā)動機(jī)滑油綜合監(jiān)控中的磨損故障融合診斷研究[J].航空動力學(xué)報,2009,24（1）:169-174.

[14]Cai Kai- long, Xie Shou- sheng,Yang Wei,et al. Fault Diagnosis and Adaptive Reconfiguration Control for Sensors in Aeroengine Based on Improved Least Squares Support Vector Machine [J]. Journal ofAerospace Power, 2008,23（6）: 1118- 1126.

[15]文洋,程禮,范家棟.基于支持向量機(jī)的航空發(fā)動機(jī)滑油監(jiān)控分析[J].長沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報,2007,7（4）:33-36.