葛銳　卞剛　周宇穗

【摘 要】本文介紹了民用飛機(jī)健康管理系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，并從民用飛機(jī)燃油系統(tǒng)健康管理角度出發(fā)，結(jié)合先進(jìn)的飛機(jī)健康管理新技術(shù)理念，研究了基于燃油系統(tǒng)特定故障模式下的健康管理，并初步給出了燃油系統(tǒng)健康管理的概念方案，為后續(xù)國(guó)內(nèi)燃油系統(tǒng)健康管理的研究提供參考依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】民用飛機(jī)；燃油系統(tǒng)；故障模式；故障診斷；健康管理

0 引言

隨著航空技術(shù)的日益發(fā)展，民用飛機(jī)維修維護(hù)技術(shù)也不斷提高。過去依靠機(jī)組報(bào)告、機(jī)務(wù)地面檢查、確認(rèn)故障后準(zhǔn)備航材和維修設(shè)備等開展飛機(jī)維修維護(hù)的傳統(tǒng)手段，已不適應(yīng)當(dāng)今世界激烈競(jìng)爭(zhēng)的民航運(yùn)輸業(yè)，飛機(jī)健康管理新技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[1-3]。

國(guó)外，美國(guó)NASA早在20世紀(jì)70年代就提出了航天器綜合健康管理（Integrated Vehicle Health Management， IVHM）的概念[4]。進(jìn)入21世紀(jì)后，國(guó)外更是投入大量的人力物力開展飛機(jī)健康管理研究。波音公司開發(fā)的飛機(jī)健康管理系統(tǒng)（Airplane Health Management， AHM）已在日本、新加坡、法國(guó)、中國(guó)等航空公司的飛機(jī)上大量應(yīng)用和推廣，空客公司開發(fā)的AIRMAN（Aircraft Maintenance Analysis）系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)飛機(jī)的實(shí)施健康和故障診斷[5]。

國(guó)內(nèi)，在飛機(jī)健康管理技術(shù)研究方面起步較晚，但近年來隨著國(guó)家對(duì)航空業(yè)的大力投入，高校、研究所等在航空系統(tǒng)診斷領(lǐng)域開展了多項(xiàng)預(yù)先研究項(xiàng)目，以縮短與國(guó)外的技術(shù)差距，提高國(guó)內(nèi)航空業(yè)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。此外，國(guó)內(nèi)航空公司也開展了探索和實(shí)踐，比如2006年南方航空公司開發(fā)了飛機(jī)遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)，2007年東方航空公司實(shí)現(xiàn)了無線QAR技術(shù)[5]。

本論文僅從民用飛機(jī)燃油系統(tǒng)健康管理角度出發(fā)，結(jié)合先進(jìn)的飛機(jī)健康管理新技術(shù)理念，研究基于燃油系統(tǒng)特定故障模式下的健康管理，并初步給出了燃油系統(tǒng)健康管理的概念方案，為后續(xù)國(guó)內(nèi)燃油系統(tǒng)健康管理的研究提供參考依據(jù)。

1 民用飛機(jī)燃油系統(tǒng)故障模式

飛機(jī)燃油系統(tǒng)是飛機(jī)的基本系統(tǒng)，按功能定義，燃油系統(tǒng)通常分為貯存子系統(tǒng)、通氣子系統(tǒng)、壓力加油子系統(tǒng)、燃油測(cè)量及管理系統(tǒng)、供油系統(tǒng)、應(yīng)急放油子系統(tǒng)、燃油箱惰化系統(tǒng)、轉(zhuǎn)輸子系統(tǒng)、除水子系統(tǒng)。其故障模式主要由關(guān)鍵部件的故障失效所致，包括燃油泵、閥、引射泵、傳感器、管路、接頭、連接線路等。

a）燃油泵故障模式

民用飛機(jī)燃油系統(tǒng)多采用離心泵，由裝在蒙皮或燃油箱后梁上的泵殼和可拆卸的泵芯組成，泵芯主要由葉輪、電機(jī)等組成，如圖1所示。主要故障模式為：

1）氣蝕

離心泵的汽蝕過程是指，燃油泵在工作中，在燃油溫度升高或者葉輪葉片根部形成湍流時(shí)，發(fā)生燃油在該處汽化并產(chǎn)生汽泡且隨之破滅，最后造成葉輪沖擊的現(xiàn)象。汽蝕會(huì)使離心泵產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)等危害。其次，汽蝕時(shí)會(huì)導(dǎo)致燃油泵送流量和壓力下降，甚或燃油中斷。

2）密封件泄漏

燃油泵密封件會(huì)發(fā)生泄漏故障，包括周期性漏油、持久性漏油、偶然性漏油，主要原因是由于密封軸的竄動(dòng)、脈動(dòng)工作壓力、振動(dòng)問題、密封不良或安裝不當(dāng)、摩擦副磨損等問題所致。

3）電機(jī)故障

離心泵電機(jī)一般采用的是交流三相異步電動(dòng)機(jī)，故障模式主要包括定子故障、轉(zhuǎn)子故障、軸承故障，故障會(huì)導(dǎo)致堵轉(zhuǎn)、升溫等安全隱患。

b）閥故障模式

飛機(jī)燃油系統(tǒng)閥種類較多，按照驅(qū)動(dòng)方式分為電磁/電機(jī)驅(qū)動(dòng)切斷閥和機(jī)械作動(dòng)單向閥等，電磁/電機(jī)驅(qū)動(dòng)切斷閥故障模式主要為無法打開/關(guān)閉和泄漏，機(jī)械作動(dòng)單向閥故障模式主要為流體回流和泄漏。

c）引射泵故障模式

引射泵的主要故障模式為噴嘴阻塞，造阻塞的主要原因?yàn)椋?/p>

一是，燃油中雜質(zhì)較多，包括油液中帶有雜質(zhì)，滋生的微生物，油箱內(nèi)部密封膠的老化脫落，生產(chǎn)或維護(hù)時(shí)遺留的金屬屑或其他外來污染物（比如棉絮纖維物等）。

二是，燃油中的水分較多，在高空飛行中時(shí)外界溫度低，水分結(jié)冰堵塞引射口噴嘴。

引射泵噴嘴被阻塞后，回造成引射泵工作性能下來，甚或喪失功能，進(jìn)而影響燃油系統(tǒng)的正常工作。

d）傳感器故障模式

飛機(jī)燃油系統(tǒng)傳感器主要包括電容式油量傳感器、密度計(jì)、壓力傳感器、溫度傳感器等，其故障模式主要為：采集線路松動(dòng)、短路、開路故障，油量傳感器被污染，敏感線圈老化或損壞，敏感彈片不能復(fù)位，溫度傳感器熱敏材料外力損壞等。

2 傳統(tǒng)燃油系統(tǒng)故障診斷

傳統(tǒng)飛機(jī)燃油系統(tǒng)故障診斷的主要步驟為：首先檢測(cè)到燃油系統(tǒng)的故障特征信號(hào)并完成故障特征的提?。ㄓ娠w機(jī)的自檢設(shè)備完成并顯示征兆信息，多數(shù)情況下無須維修人員參與）；然后根據(jù)故障征兆確定故障原因，這就是問題的難點(diǎn)，尤其是疑難故障，難以做到故障的準(zhǔn)確定位，目前主要是根據(jù)故障隔離手冊(cè)和維修手冊(cè)等對(duì)幾乎所有可能的原因逐條翻閱并按步驟進(jìn)行故障排除。這種排故流程導(dǎo)致排故效率低，而且對(duì)于一些復(fù)雜間歇性故障，目前方法難以湊效。大量的可靠性分析報(bào)告可知，飛機(jī)的每一次故障都可能造成航班延誤，延誤時(shí)間從幾十分鐘到幾個(gè)小時(shí)及至十幾個(gè)小時(shí)不等，由此造成的損失是巨大的。

3 燃油系統(tǒng)健康管理概念方案

本論文介紹的燃油系統(tǒng)健康管理概念方案是基于目前傳統(tǒng)的主流飛機(jī)構(gòu)型，設(shè)計(jì)的一臺(tái)在線/離線監(jiān)測(cè)的便攜機(jī)。該便攜機(jī)根據(jù)全程/地面采集的民用飛機(jī)燃油系統(tǒng)故障現(xiàn)象及運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，在目前故障隔離手冊(cè)及維修手冊(cè)等故障隔離基礎(chǔ)上，基于燃油系統(tǒng)常見的故障模式、系統(tǒng)原理架構(gòu)、線路、部件信息、接口、數(shù)據(jù)庫(kù)（大（下轉(zhuǎn)第339頁）（上接第331頁）數(shù)據(jù)采集及分析、專家數(shù)據(jù)庫(kù)等）、診斷系統(tǒng)自適應(yīng)能力以及機(jī)上檢測(cè)，對(duì)飛機(jī)燃油系統(tǒng)的性能進(jìn)行評(píng)估，分析并快速診斷、定位和分離故障因素，制定最合理高效的排故和維護(hù)程序，增加故障辨別能力，減少故障的誤報(bào)率和漏報(bào)率，增加魯棒性，為飛機(jī)運(yùn)營(yíng)維護(hù)提供支持。

該系統(tǒng)主要包含以下三個(gè)模塊：

a）故障實(shí)時(shí)管理模塊：

將飛行中民用飛機(jī)燃油系統(tǒng)的相關(guān)信息在線/離線傳遞給地面站進(jìn)行診斷分析，為客戶提供快速的排故決策，維修控制中心的工程師根據(jù)燃油系統(tǒng)提供的故障等級(jí)和排故方案得以對(duì)排故需要停場(chǎng)時(shí)間進(jìn)行評(píng)估，并對(duì)后續(xù)航班計(jì)劃及時(shí)進(jìn)行決策或調(diào)整，按需安排維修工作并提前部署必要的專業(yè)人員、機(jī)務(wù)、航材、工裝和設(shè)備等。

b）故障預(yù)警與分析模塊：

該健康管理系統(tǒng)通過自動(dòng)監(jiān)控、收集并傳輸民用飛機(jī)燃油系統(tǒng)的中央維護(hù)信息、機(jī)組告警信息、系統(tǒng)狀態(tài)信息、性能檢測(cè)信息、系統(tǒng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)等各種有效信息，進(jìn)行故障模式分析和預(yù)警分析，使航空公司可以解決逐步發(fā)展中或潛在的但尚未發(fā)生故障的燃油系統(tǒng)問題，有助于維修計(jì)劃的制定并優(yōu)化維修維護(hù)間隔期，可減少航班延誤、節(jié)約資源浪費(fèi)，且大幅提高運(yùn)營(yíng)安全性。

c）勤務(wù)管理與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)模塊：

為各航空公司提供機(jī)隊(duì)狀況，提供實(shí)時(shí)的飛機(jī)維修要求可視性，增強(qiáng)維修、工程、運(yùn)營(yíng)的管理能效，同時(shí)還能將燃油系統(tǒng)非常規(guī)的維修工作轉(zhuǎn)變?yōu)槎ㄆ诰S修，將維修工作從傳統(tǒng)維修逐步轉(zhuǎn)向預(yù)防性維修，為飛機(jī)后續(xù)工作及其他系列機(jī)型排故、設(shè)計(jì)及優(yōu)化等提供最直接的機(jī)隊(duì)運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

本論文分析了民用飛機(jī)燃油系統(tǒng)的故障模式及故障機(jī)理，在此基礎(chǔ)上基于目前傳統(tǒng)的主流飛機(jī)構(gòu)型，進(jìn)行了燃油系統(tǒng)健康管理概念方案設(shè)計(jì)?？蔀楹罄m(xù)國(guó)內(nèi)燃油系統(tǒng)健康管理的研究提供參考依據(jù)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]劉熊.民航飛機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)的研究[J].內(nèi)江科技，2009（4）.

[2]胡亮.基于G2的飛機(jī)故障診斷系統(tǒng)應(yīng)用研究[J].技術(shù)創(chuàng)新，2014（3）.

[3]崔建國(guó)，李忠海，呂瑞，等.現(xiàn)代大型飛機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)—健康管理技術(shù)研究[R].中國(guó)航空學(xué)會(huì)2007年學(xué)術(shù)年會(huì)，可靠性、安全性、維修性與適航專題0701-08-35.

[4]PETTIT C D， BARKHOUDARIAN S， DAUMANN A G， et al. Reusable rocket engine advanced health management system： architecture and technology evaluation summary[C]. AIAA，35th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference& Exhibit， AIAA 99-2527.Los Angeles，AIAA，1999：1-10.

[5]馬小駿，左洪福，劉昕.大型飛機(jī)運(yùn)行健康與健康管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，第11卷，第6期，2011.12.

[責(zé)任編輯：朱麗娜]