常智勇

（沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)公司海軍代表室，沈陽　110043）

航空發(fā)動機(jī)故障診斷方法及測試

常智勇

（沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)公司海軍代表室，沈陽110043）

摘要：航空發(fā)動機(jī)與一般發(fā)動機(jī)相比較而言，具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零部件多等特點(diǎn)，在實(shí)際的運(yùn)行中還要求耐高溫、高壓、高負(fù)荷以及高轉(zhuǎn)速，因此，在長時(shí)間的反復(fù)運(yùn)行中系統(tǒng)部件的損耗不可避免。由于系統(tǒng)部件的損耗，航空發(fā)動機(jī)故障就會隨即產(chǎn)生，并直接影響了航空器的正常運(yùn)行，嚴(yán)重威脅飛行安全。對航空發(fā)動機(jī)故障進(jìn)行排除和測試能有效避免器路部件故障等導(dǎo)致的飛行安全隱患，提高發(fā)動機(jī)的穩(wěn)定性和安全性。本文將就幾種典型的航空發(fā)動機(jī)故障診斷技術(shù)進(jìn)行分析和探討，并淺議航空器發(fā)動機(jī)故障測試平臺，對其功能參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控和測試，從而使發(fā)動機(jī)的性能得以提高并更具可靠性。

關(guān)鍵詞：航空；發(fā)動機(jī)；故障

1航空發(fā)動機(jī)故障診斷技術(shù)

1.1信號處理技術(shù)

航空發(fā)動機(jī)的I/O信號模型可以通過與幅值以及頻率與故障部位的相關(guān)性來檢測發(fā)動機(jī)故障發(fā)生源，這是利用信號技術(shù)來檢測故障的一種基本方式。具體來說，此種分析技術(shù)包含四種分析方法。

第一，PCA分析法。這種分析方法主要通過參照歷史數(shù)據(jù)的彼岸花來進(jìn)行。建立一個在正常情況下的PCA數(shù)據(jù)模型，當(dāng)實(shí)際測試的信號與此模型數(shù)據(jù)發(fā)生沖突時(shí)，即可判斷發(fā)生了故障，再通過數(shù)據(jù)分離出故障。第二，小波變換診斷法。這種方法主要針對非平穩(wěn)信號中的故障排除，小波變換信號，然后出去輸入變化導(dǎo)致的奇異點(diǎn)后，剩下的奇異點(diǎn)即為故障點(diǎn)，這種分析方法克服了細(xì)節(jié)性的缺點(diǎn)，能夠從局部信號獲得特征信息。其原理表現(xiàn)為，設(shè)ψ∈L2（R）（平方可積實(shí)數(shù)空間），其傅立葉變換為ψ（ω）。當(dāng)ψ（ω）滿足條件：

Cψ＝d＜∞，則稱ψ（t）為一個基本小波或者母小波。將這個母函數(shù)伸縮平移之后可以得到一個小波序列，可以通過小波序列對信號進(jìn)行分解，從而通過每一層級小波系數(shù)的重構(gòu)對信號進(jìn)行頻譜分析，進(jìn)而得出結(jié)論。第三，利用δ算子分析方法。利用δ算子在Hilbert空間中所構(gòu)造的最小M乘正交投影向量集，能夠?qū)⑼暾母裥螢V波器推導(dǎo)出來，進(jìn)而將其作為故障檢測方式中的濾波器，再利用δ算子的后向預(yù)測，將誤差向量的首位元素作為殘差，配合以自適應(yīng)噪聲抵消技術(shù)來使得殘差只對故障噪音敏感，從而判斷故障發(fā)生部位。第四，信息融合分析方法。這種方法簡單來說就是將多元信息單一化，將多個信息進(jìn)行融合，整合成一個綜合性信息源，精確定位故障發(fā)生部位，能夠診斷復(fù)雜的系統(tǒng)故障。

1.2智能故障檢測技術(shù)

智能故障檢測技術(shù)不同于信號處理技術(shù)，它是一種具有人工智能化優(yōu)點(diǎn)的檢測手段，是基于領(lǐng)域?qū)I(yè)知識來建立的數(shù)學(xué)模型來進(jìn)行的診斷方式，充分體現(xiàn)了人工智能的運(yùn)用。這種診斷技術(shù)主要包括三個方面。

模糊理論智能分析方法。模糊邏輯系統(tǒng)可以在特定的環(huán)境和條件下，通過任意精度逼近給定的非線性函數(shù)。可以利用預(yù)先建立的鼓掌征兆與故障類型之間因果關(guān)系的矩陣和通過建立這二者之間的模糊關(guān)系方程來判斷，也可以根據(jù)領(lǐng)域知識預(yù)先建立起故障征兆模型，然后與其相對照的原因之間關(guān)系的模型來進(jìn)行邏輯推理。第二，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的診斷方法。這種方式主要是通過智能化的ANN（人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）系統(tǒng)的計(jì)算來進(jìn)行診斷，主要運(yùn)用于對計(jì)算能力要求較高的復(fù)雜的非線性系統(tǒng)故障的排查。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)框架可以表現(xiàn)為圖1模型。

圖1

從圖1可以看出，圓形模型表示的是一個神經(jīng)元，各個處理單元通過神經(jīng)元處理加權(quán)系數(shù)來相互連接。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的處理單元又可以細(xì)分為三種，即輸入、輸出和隱含單元，而其常用的模型則有ART（自適應(yīng)共振理論模型）、AVA（雪崩模型）和BAM（雙向聯(lián)想存儲模型）等。第三，基于粗糙集模型的方式。這種處理方式是基于數(shù)學(xué)工具進(jìn)行的，因此不需要先驗(yàn)知識，粗糙模型故障診斷主要通過RS理論簡化診斷方式來減小故障維度系數(shù)，從而簡化發(fā)動機(jī)故障診斷系統(tǒng)的程序。

2　航空發(fā)動機(jī)的故障診斷流程及方法

2.1發(fā)動機(jī)故障診斷流程

根據(jù)發(fā)動機(jī)診斷的特點(diǎn)可以首先將發(fā)動機(jī)故障檢測流程概括如下，首先確定型號總體方案，進(jìn)而確定測試性大綱，然后要通過使用維護(hù)要求分析和保障性分析兩種分析方式來確定測試方法及設(shè)備。與此同時(shí)，發(fā)動機(jī)故障診斷方法分析和通過發(fā)動機(jī)FMECA分析的發(fā)動機(jī)故障數(shù)據(jù)分類與之前進(jìn)行的測試方法及設(shè)備步驟相結(jié)合，根據(jù)故障診斷方法、外場使用維護(hù)要求需要的測試設(shè)備、結(jié)合發(fā)動機(jī)故障分類提出故障的診斷及測試性方法。最后一個步驟則是整合發(fā)動機(jī)自身控制狀態(tài)、故障診斷方法、發(fā)動機(jī)測試系統(tǒng)自身需求分析以及各個系統(tǒng)測試的參數(shù)需求分析這四個方面的因素來分析發(fā)動機(jī)的故障問題。

2.2發(fā)動機(jī)故障診斷檢測方法

從宏觀上說，發(fā)動機(jī)的故障診斷檢測方法分為三個方面：第一，機(jī)內(nèi)檢測系統(tǒng)。機(jī)內(nèi)檢測系統(tǒng)由BIT軟件和信息存儲技術(shù)、故障指示方式以及傳感器、測試點(diǎn)、參數(shù)等共同構(gòu)成，用于檢測機(jī)內(nèi)故障。第二，自動檢測系統(tǒng)。自動檢測系統(tǒng)除了由傳感器、測試點(diǎn)、插座以外，還配備有檢測程序、接口、地面檢測設(shè)備和專用檢測設(shè)備。第三，人工檢測系統(tǒng)。人工檢測系統(tǒng)特別設(shè)置了測試設(shè)備、工具和裝置以及檢測流程圖和診斷手冊。

一般來說，主要的故障包括三種，即發(fā)動機(jī)系統(tǒng)自身的衰退導(dǎo)致的功能性喪失、無法通過自動檢測系統(tǒng)檢測的故障以及外場條件導(dǎo)致的無法利用自動檢測設(shè)備進(jìn)行的檢測。第一種情況中，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速擺動狀況異常是主要因素，當(dāng)發(fā)動機(jī)擺動狀態(tài)異常時(shí)，發(fā)動機(jī)推力會隨之變化，容易發(fā)生竄動，造成飛行員緊張情緒。這種故障可以通過裝置一個轉(zhuǎn)速傳感器并采集高、低壓轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，對發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控來盡量排除，以保障在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速擺動時(shí)采取相應(yīng)的應(yīng)急措施。第二種情況中，故障模式主要表現(xiàn)為發(fā)動機(jī)喘振，這種故障會東芝發(fā)動機(jī)空中停車，嚴(yán)重威脅飛行安全，更有甚者會造成飛機(jī)等級事故。檢測這一故障的主要方式是裝置一個喘振傳感器，對發(fā)動機(jī)燃燒室擴(kuò)壓段中空氣速度頭數(shù)值和正負(fù)號換成的電信號進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，來保障在發(fā)動機(jī)發(fā)生這一故障時(shí)能夠及時(shí)應(yīng)對。第三種情況中，故障模式主要表現(xiàn)為發(fā)動機(jī)超高溫。這一故障容易造成渦輪葉片和渦輪盤報(bào)廢，從而損害發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)。可以通過在發(fā)動機(jī)混合氣機(jī)匣裝一個雙點(diǎn)熱電偶的方式對發(fā)動機(jī)低壓渦輪后的燃?xì)鉁囟冗M(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控來進(jìn)行測試，以保證在發(fā)動機(jī)出現(xiàn)溫度故障時(shí)采取相應(yīng)的對策。

3　航空發(fā)動機(jī)故障測試平臺設(shè)計(jì)

航空發(fā)動機(jī)故障測試平臺的設(shè)計(jì)基本上是根據(jù)故障檢測流程進(jìn)行設(shè)定的，主要包括四個方面。首先是發(fā)動機(jī)的仿真數(shù)據(jù)模型，可以通過仿真發(fā)動機(jī)故障數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集，其次就是根據(jù)專業(yè)的數(shù)據(jù)算法進(jìn)行診斷收集來的數(shù)據(jù)，然后則是對測試結(jié)果進(jìn)行評價(jià)，在這一過程中，發(fā)動機(jī)的實(shí)際故障情況也應(yīng)該考慮進(jìn)來。最后則是進(jìn)行圖形的輸出。

4　結(jié)束語

對于航空發(fā)動機(jī)這種功能復(fù)雜，技術(shù)要求較高的工程器械來說，一個完好的故障診斷系統(tǒng)十分有必要。針對航空發(fā)動機(jī)的故障診斷進(jìn)行的一系列研究，能夠幫助飛行器更加安全可靠地進(jìn)行作業(yè)。本文簡要介紹了航空發(fā)動機(jī)故障檢測的幾種診斷技術(shù)，然后對發(fā)動機(jī)故障診斷流程進(jìn)行了一個描述并指出了檢測的方法，最后根據(jù)故障檢測流程對發(fā)動機(jī)故障測試平臺進(jìn)行了一個簡單的概述。故障檢測技術(shù)中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型檢測技術(shù)由于智能化程度較高，因此在實(shí)際運(yùn)用中的可信程度也較高，適應(yīng)性也較強(qiáng)，對于故障檢測新技術(shù)還有待進(jìn)一步的研究。

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