曾 康 顧楊波

（浙江長(zhǎng)龍航空有限公司，杭州 311215）

整體驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)（Integrated Drive Generator，IDG）是航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的重要組件，為飛機(jī)各系統(tǒng)提供電源支持。IDG長(zhǎng)期工作于高振動(dòng)載荷工況下，導(dǎo)致其內(nèi)部的高速旋轉(zhuǎn)軸等部件的剩余壽命逐步下降，增加了發(fā)生故障的潛在可能性。一旦發(fā)生故障，會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至?xí)l(fā)飛機(jī)安全事故。目前，傳統(tǒng)事后維修模式無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)IDG性能衰減趨勢(shì)，一經(jīng)發(fā)現(xiàn)故障，便需要執(zhí)行大修。因此，應(yīng)用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)來(lái)預(yù)測(cè)IDG性能狀態(tài)衰減趨勢(shì)[1]，以提高提升IDG可靠性，降低維護(hù)成本。

1 IDG常見(jiàn)故障現(xiàn)象分析

IDG主要由液壓恒速驅(qū)動(dòng)裝置（Constant Speed Drive，CSD）、滑油冷卻器以及無(wú)刷交流發(fā)電機(jī)3部分組成[2]。恒速驅(qū)動(dòng)裝置主要由差動(dòng)游星齒輪系、液壓馬達(dá)組件、滑油系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)以及保護(hù)系統(tǒng)5部分組成。發(fā)動(dòng)機(jī)齒輪箱轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)IDG主軸轉(zhuǎn)動(dòng)。CSD將發(fā)動(dòng)機(jī)提供的可變輸入轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為恒定的轉(zhuǎn)速，以驅(qū)動(dòng)其內(nèi)部交流發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，并通過(guò)發(fā)電機(jī)控制組件（Generator Control Unit，GCU）實(shí)現(xiàn)發(fā)電控制，從而給飛機(jī)各系統(tǒng)供電。

IDG內(nèi)主軸等高速旋轉(zhuǎn)部件的機(jī)械性能受金屬材料的蠕變、轉(zhuǎn)動(dòng)部件的磨損與疲勞、冷卻滑油的特性等因素影響，性能逐步衰減，最終表現(xiàn)出的常見(jiàn)故障現(xiàn)象種類包括以下幾種。第一，滑油出口溫度超溫。IDG滑油出口溫度正常為40～105 ℃。第二，IDG滑油進(jìn)出口溫度差超限制。第三，滑油耗量不正常。機(jī)務(wù)檢查發(fā)現(xiàn)存在IDG滑油滲漏、ECAM警告低油壓或滑油消耗量不正常等現(xiàn)象。第四，IDG滑油濾堵塞。常見(jiàn)現(xiàn)象為壓差指示器跳出，執(zhí)行維修工作時(shí)發(fā)現(xiàn)滑油濾存在大量的污染物。第五，輸出頻率不正常。GCU監(jiān)控永磁發(fā)電機(jī)（Permanent Magnet Generator，PMG）的頻率，正常的發(fā)電機(jī)頻率是400 Hz，穩(wěn)定工作的頻率為390～410 Hz。如果GCU檢測(cè)到PMG的頻率低于375 Hz、持續(xù)時(shí)間超過(guò)1.5 s或低于355 Hz、持續(xù)時(shí)間超過(guò)150 ms，判斷為欠頻故障。如果4 s內(nèi)頻率超過(guò)（435±1）Hz或者頻率高于452 Hz，且持續(xù)至少160 ms，即判斷為過(guò)頻故障。第六，超壓或欠壓故障。當(dāng)發(fā)電機(jī)控制組件（GCU）監(jiān)控到調(diào)節(jié)點(diǎn)處的相電壓超過(guò)（130±1.5）V時(shí)，GCU進(jìn)行超壓保護(hù)，即判斷為超壓故障。當(dāng)發(fā)電機(jī)控制組件（GCU）監(jiān)控到調(diào)節(jié)點(diǎn)處的最低電壓低于101 V、持續(xù)時(shí)間超過(guò)7 s時(shí)，進(jìn)行欠壓保護(hù)，即判斷為欠壓故障。第七，IDG冷卻器故障。第八，IDG油液面過(guò)高。第九，IDG線路故障。第十，IDG故障。

分析2016—2020年某航司A320機(jī)隊(duì)真實(shí)存在故障的IDG在拆下送修前表征出的故障現(xiàn)象數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)IDG滑油出口溫度超溫現(xiàn)象占比最高為34.88%，滑油進(jìn)出口溫度差超限現(xiàn)象占比為20.93%，詳情如圖1所示。

綜上所述，滑油溫度數(shù)據(jù)變化是IDG發(fā)生前故障的顯著特征之一[3]。因此，本文基于無(wú)線快速存取記錄器（WiressQuick Access Recorder，WQAR）數(shù)據(jù)譯碼獲取IDG的滑油進(jìn)出口溫度等數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，以捕捉IDG性能衰減前滑油溫度特征變化的趨勢(shì)，建立IDG預(yù)防性監(jiān)控模型。

2 基于大數(shù)據(jù)的IDG預(yù)防性監(jiān)控模型搭建過(guò)程

2.1 數(shù)據(jù)獲取方案簡(jiǎn)介

飛行數(shù)據(jù)記錄通過(guò)飛機(jī)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)（Aircraft Condition Monitoring System，ACMS）和機(jī)載電子設(shè)備，將飛機(jī)飛行時(shí)的主要參數(shù)記錄到機(jī)載存儲(chǔ)設(shè)備。機(jī)載飛行數(shù)據(jù)傳輸和儲(chǔ)存設(shè)備主要包括數(shù)字式飛行數(shù)據(jù)記錄器（Flight Data Recorder，F(xiàn)DR）、無(wú)線快速讀取記錄器（WQAR）以及航空器尋址通信和報(bào)告系統(tǒng)（Aircraft Communication Addressing and Reporting System，ACARS）3種。其中，基于ACARS的數(shù)據(jù)傳輸方式的優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性高，缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)傳輸成本高、數(shù)據(jù)獲得量較??；WQAR采用蜂窩網(wǎng)絡(luò)傳輸方式，具有傳輸成本低、數(shù)據(jù)獲取量大、傳輸穩(wěn)定以及數(shù)據(jù)參數(shù)類型全的特點(diǎn)。數(shù)據(jù)分析需要大量級(jí)的數(shù)據(jù)，因而選取WQAR數(shù)據(jù)作為性能趨勢(shì)監(jiān)控的數(shù)據(jù)源。WQAR數(shù)據(jù)獲取和譯碼流程，如圖2所示。

核查飛機(jī)原始標(biāo)準(zhǔn)飛機(jī)綜合數(shù)據(jù)系統(tǒng)（AIDS）內(nèi)是否記錄所需數(shù)據(jù)，若未記錄，則使用AGS（Advanced Ground Station）軟件進(jìn)行機(jī)載AIDS軟件編程直至記錄所需數(shù)據(jù)。WQAR記錄完飛機(jī)各系統(tǒng)傳感器的數(shù)據(jù)后，通過(guò)移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸回維修大數(shù)據(jù)服務(wù)器，使用譯碼軟件結(jié)合譯碼數(shù)據(jù)庫(kù)解析原始數(shù)據(jù)，將原始二進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為工程值。工程值轉(zhuǎn)換過(guò)程：根據(jù)飛機(jī)制造商提供的參數(shù)記錄規(guī)范獲取每個(gè)參數(shù)的工程值轉(zhuǎn)換信息，然后利用AirFase等譯碼軟件在譯碼時(shí)調(diào)用對(duì)應(yīng)機(jī)型譯碼參數(shù)庫(kù)文件中對(duì)應(yīng)的參數(shù)信息，完成譯碼后的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2.2 數(shù)據(jù)獲取與譯碼流程

為實(shí)現(xiàn)IDG溫度性能趨勢(shì)監(jiān)控，需先獲取IDG溫度相關(guān)數(shù)據(jù)，核查飛機(jī)原始標(biāo)準(zhǔn)AIDS軟件數(shù)據(jù)庫(kù)，發(fā)現(xiàn)未記錄IDG進(jìn)出口溫度參數(shù)。因此，參考空客QAR參數(shù)記錄規(guī)范AIPL，使用AGS軟件（版本號(hào)BG）完成AIDS軟件修訂，實(shí)現(xiàn)記錄IDG出口溫度參數(shù)。首先，定義參數(shù)采集信息，從相應(yīng)的飛機(jī)總線上采集IDG出口溫度參數(shù)。經(jīng)查詢，IDG出口溫度參數(shù)ID為D40A03。根據(jù)AIPL，該參數(shù)在SDAC1（2）總線上的標(biāo)識(shí)碼（Label）為106，數(shù)據(jù)區(qū)位于BIT 21～BIT 29，定義從SDAC1總線上采集速率為每次1 s，如圖3所示。

圖1 2016年至2020年某航司機(jī)隊(duì)IDG故障現(xiàn)象占比

圖2 飛行數(shù)據(jù)譯碼流程

其次，定義參數(shù)記錄信息，將采集到的IDG出口溫度參數(shù)記錄到QAR數(shù)據(jù)，將從總線上采集的BIT 21～BIT 29信息分別存至第627個(gè)字槽的BIT 4～BIT 12位，其中BIT29位代表符號(hào)位。

圖3 AGS軟件參數(shù)采集定義圖

圖4 AGS軟件參數(shù)記錄定義圖

其次，根據(jù)AIDS數(shù)據(jù)庫(kù)中參數(shù)記錄規(guī)范修訂譯碼數(shù)據(jù)庫(kù)。為實(shí)現(xiàn)飛機(jī)原始參數(shù)從原始二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)化為工程值，在譯碼軟件內(nèi)完成定義該參數(shù)的參數(shù)類型（Param Type）、記錄參數(shù)的起止位（Bits Locations）、記錄參數(shù)頻率（Subfram）和位數(shù)（Bits）等，如圖5所示。飛機(jī)落地后，WQAR通過(guò)蜂窩數(shù)據(jù)將IDG進(jìn)出口溫度等參數(shù)傳輸返回譯碼服務(wù)器。完成解碼的IDG出口溫度等數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)分類儲(chǔ)存，作為預(yù)防性監(jiān)控模型搭建的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2.3 監(jiān)控模型搭建

通過(guò)查閱手冊(cè)分析IDG滑油冷卻與監(jiān)控原理，并結(jié)合分析真實(shí)存在故障的IDG及正常運(yùn)行IDG的滑油溫度數(shù)據(jù)，設(shè)定預(yù)防性維修預(yù)警邏輯，同時(shí)在持續(xù)運(yùn)行中通過(guò)不斷記錄預(yù)警結(jié)果持續(xù)優(yōu)化預(yù)警邏輯，以提高預(yù)測(cè)成功率。

圖5 AGS軟件定義譯碼轉(zhuǎn)換參數(shù)圖

正常情況下，IDG滑油出口溫度為40～105 ℃。超過(guò)142 ℃時(shí)，則在下ECAM界面跳出咨詢信息；超過(guò)185 ℃，則MASTER CAUTION燈亮；超過(guò)200 ℃時(shí)，會(huì)自動(dòng)熱脫開(kāi)保護(hù)IDG。需要注意，熱脫開(kāi)后必須更換IDG。IDG溫度控制原理，如圖6所示。

圖6 IDG滑油溫度監(jiān)控原理圖

分析2016—2020年某航司A320機(jī)隊(duì)正常IDG數(shù)據(jù)和真實(shí)存在故障的IDG在拆下送修前表征出的滑油溫度故障現(xiàn)象數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在某航段飛行中，IDG最大滑油出口溫度處于40～125 ℃的情況占比為97%以上，此正常溫度范圍內(nèi)，IDG歷史故障的發(fā)生概率低于2%，且發(fā)生的故障均為偶發(fā)性隨機(jī)故障，難以實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)。若設(shè)定的預(yù)警值低于125 ℃，則預(yù)警信息通知過(guò)多，容易干擾維修工程師正常工作，導(dǎo)致預(yù)測(cè)成功率過(guò)低，失去監(jiān)控的意義。此外，最大滑油出口溫度大于125 ℃的情況占比不到3%，如圖7所示。但大多數(shù)性能衰減故障件送修前均表現(xiàn)出該溫度特性。

圖7 IDG最大滑油出口溫度占比圖

此外，分析正常IDG進(jìn)出口溫度差，發(fā)現(xiàn)IDG滑油進(jìn)出口溫度差的最大值處于10～25 ℃，如圖8所示。研究通過(guò)監(jiān)控進(jìn)出口溫度差值，一定程度上表征IDG冷卻器的性能狀態(tài)。

在實(shí)際生產(chǎn)中，IDG滑油系統(tǒng)可能因IDG加油工具管控不到位或加油口蓋未蓋緊等原因，導(dǎo)致IDG滑油含水量過(guò)高。IDG滑油系統(tǒng)中若滑油中混入水分過(guò)多，將易產(chǎn)生泡沫而堵塞油道，還會(huì)提高潤(rùn)滑油的凝點(diǎn)，不利于低溫流動(dòng)性能，也會(huì)減弱油膜的強(qiáng)度，降低潤(rùn)滑功能，導(dǎo)致金屬零件表面銹蝕，加快基礎(chǔ)油氧化速度，使其出現(xiàn)乳化現(xiàn)象?；椭械奶砑觿┮矔?huì)因?yàn)楸砻婊钚詣┑某煞侄兂赡z狀，影響其性能發(fā)揮。水分會(huì)與落入潤(rùn)滑油中的鐵屑等發(fā)生作用生成鐵皂，而鐵皂與潤(rùn)滑油中的污染物混合生成油泥聚積在潤(rùn)滑系統(tǒng)油道及各種濾網(wǎng)內(nèi)[4]，造成各摩擦表面供油不足，增加了耦合部件間的摩擦因數(shù)，從而在IDG內(nèi)發(fā)生連鎖反應(yīng)，會(huì)加速機(jī)件的磨損，同時(shí)降低滑油系統(tǒng)與燃油進(jìn)行熱交換的效率，引發(fā)IDG出口溫度超溫[5]。

綜合IDG原理、IDG運(yùn)行數(shù)據(jù)分析以及歷史維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)置預(yù)警邏輯1——在某航段飛行中，IDG最大滑油出口溫度大于125 ℃為黃色預(yù)警；設(shè)定預(yù)警邏輯2——任意連續(xù)4個(gè)航段內(nèi)，出現(xiàn)任意兩次IDG最大滑油出口溫度大于125 ℃為紅色警告；設(shè)定預(yù)警邏輯3——任意航段內(nèi)出現(xiàn)IDG滑油進(jìn)出口溫度差的最大值小于10 ℃或大于25 ℃則為黃色警告；設(shè)定預(yù)警邏輯4——自執(zhí)行MPD項(xiàng)目“排放IDG滑油系統(tǒng)報(bào)廢濾芯并加注滑油”后，連續(xù)3個(gè)飛行日內(nèi)出現(xiàn)最大滑油出口溫度大于125 ℃為紅色警告。結(jié)合軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，最終完成基于大數(shù)據(jù)的IDG溫度監(jiān)控模型，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控機(jī)隊(duì)任一航段內(nèi)IDG出口最大溫度和 IDG進(jìn)出口溫度差值最大值，如圖9和圖10所示。

3 預(yù)防性監(jiān)控模型驗(yàn)證

將IDG預(yù)防性維修平臺(tái)與機(jī)務(wù)維修管理平臺(tái)中IDG的MPD項(xiàng)目執(zhí)行記錄相關(guān)聯(lián)。系統(tǒng)監(jiān)控發(fā)現(xiàn)，某飛機(jī)執(zhí)行MPD項(xiàng)目“排放IDG滑油系統(tǒng)報(bào)廢濾芯并加注滑油”，而后連續(xù)多日系統(tǒng)發(fā)出IDG出口溫度超過(guò)預(yù)警的警告，如圖11所示。

圖8 IDG滑油進(jìn)出口溫度差的最大值圖

圖9 機(jī)隊(duì)IDG出口溫度最大值監(jiān)控圖

綜合推測(cè)，執(zhí)行IDG滑油工作時(shí)，由于加油工具受到污染或沒(méi)有清洗擦拭加油口等，IDG滑油品質(zhì)出現(xiàn)問(wèn)題，導(dǎo)致在IDG內(nèi)部產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，發(fā)生IDG出口溫度超溫現(xiàn)象。

最終處置措施為清潔加油工具，并執(zhí)行排放IDG滑油系統(tǒng)報(bào)廢濾芯并加注滑油工作。后續(xù)1月內(nèi)，持續(xù)監(jiān)控IDG出口溫度，整體趨勢(shì)正常，未出現(xiàn)超溫現(xiàn)象。執(zhí)行滑油更換后，IDG出口溫度趨勢(shì)如圖12所示。

此IDG部件滑油通過(guò)油樣理化分析獲取檢測(cè)數(shù)據(jù)。查閱空客A320飛機(jī)維護(hù)手冊(cè)，可知IDG滑油污染限制標(biāo)準(zhǔn)，如表1所示。

分析比較油液檢測(cè)數(shù)據(jù)和IDG滑油污染限制標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)現(xiàn)IDG滑油含水量為0.21%超過(guò)廠家污染限制標(biāo)準(zhǔn)0.10%的要求，且每100 mL滑油最大不溶物重量為4.8 mg接近指標(biāo)污染限制的最高標(biāo)準(zhǔn)，如表2所示，與本次預(yù)防性監(jiān)控模型預(yù)警結(jié)果相吻合。目前該預(yù)防性監(jiān)控模型已試運(yùn)行2年，期間該系統(tǒng)有效監(jiān)控到30次性能衰減預(yù)測(cè)報(bào)警，IDG拆下送修報(bào)告顯示，送修IDG存在輸入碳封嚴(yán)磨損、高速旋轉(zhuǎn)件磨損等問(wèn)題，均處于失效邊緣，此監(jiān)控模型在一定場(chǎng)景下，有效的預(yù)防了飛機(jī)運(yùn)行期間IDG失效故障，提升機(jī)隊(duì)IDG可靠性。

圖10 機(jī)隊(duì)IDG進(jìn)出口溫度差值最大值監(jiān)控圖

圖11 故障IDG出口溫度監(jiān)控圖

圖12 執(zhí)行滑油更換后IDG出口溫度趨勢(shì)圖

表1 IDG滑油污染限制標(biāo)準(zhǔn)

表2 受污染的IDG滑油取樣檢測(cè)報(bào)告

4 結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)事后維修方式無(wú)法在IDG性能衰減早期檢測(cè)并修復(fù)潛在的故障，一般在IDG故障后才進(jìn)行送修處理。大多數(shù)情況下，IDG內(nèi)部已經(jīng)嚴(yán)重?fù)p傷，不僅會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，還會(huì)導(dǎo)致飛機(jī)安全事故。本文通過(guò)研究IDG工作原理、挖掘IDG運(yùn)行數(shù)據(jù)價(jià)值以及搭建IDG預(yù)防性維修模型，不斷積累IDG故障特征數(shù)據(jù)，從而逐步優(yōu)化IDG預(yù)防性監(jiān)控邏輯，提高IDG性能衰減預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度。