向 豐，何 旺，董 洋，程 波

（成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，成都 610073）

0 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)作為現(xiàn)代工業(yè)最為璀璨的成果，融合了眾多學(xué)科的技術(shù)要點(diǎn)，是一種高度復(fù)雜的機(jī)械，被譽(yù)為“工業(yè)皇冠”、“國(guó)之重器”[1]，其品質(zhì)優(yōu)劣會(huì)直接影響飛機(jī)的整體性能、可靠性及經(jīng)濟(jì)性。近年來(lái)隨著航空裝備產(chǎn)業(yè)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，面對(duì)日益繁重的試飛任務(wù)，海量的飛行數(shù)據(jù)，急需提高故障判讀和監(jiān)控的能力。

國(guó)內(nèi)外對(duì)自動(dòng)判讀和監(jiān)控技術(shù)做了大量研究。林京等[2]從氣路分析與性能評(píng)價(jià)、機(jī)械系統(tǒng)故障診斷和多參量信息融合3個(gè)方面對(duì)國(guó)內(nèi)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷技術(shù)進(jìn)行梳理，剖析存在的主要問(wèn)題和挑戰(zhàn)，并對(duì)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望。張寶珍等[3]梳理總結(jié)了國(guó)外飛機(jī)PHM技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用現(xiàn)狀，重點(diǎn)介紹了F-35PHM系統(tǒng)及與其密切相關(guān)的ALIS系統(tǒng)近年的研制進(jìn)展、遇到的問(wèn)題與挑戰(zhàn)和應(yīng)對(duì)措施。曹明等[4]討論了民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)中氣路故障診斷與健康管理、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械故障診斷與健康管理、發(fā)動(dòng)機(jī)FADEC系統(tǒng)故障診斷與健康管理的需求、必要性、現(xiàn)狀，及發(fā)展方向。崔展博等[5]建立基于量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和趨勢(shì)推演的自修正安全預(yù)警模型，設(shè)計(jì)了一種適應(yīng)多機(jī)型的實(shí)時(shí)飛行安全監(jiān)控系統(tǒng)。孫昂[6]依托于與中航工業(yè)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所合作研究的“航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)綜合管理、性能評(píng)估與故障診斷軟件系統(tǒng)”項(xiàng)目，針對(duì)傳統(tǒng)專家系統(tǒng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)算法的航空發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)。潘鵬飛[7]基于實(shí)際試飛數(shù)據(jù)建立了航空發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)預(yù)測(cè)模型，確立了參數(shù)預(yù)測(cè)模型的自適應(yīng)告警門限，實(shí)現(xiàn)了航空發(fā)動(dòng)機(jī)典型故障診斷。上述文獻(xiàn)雖然提出了幾種先進(jìn)的故障判讀和監(jiān)控技術(shù)，但是目前對(duì)大多數(shù)試飛一線發(fā)動(dòng)機(jī)使用部門并不適用，因而推廣性和需求迫切性存在一定問(wèn)題。

實(shí)際應(yīng)用中使用最為普遍的方法是利用試車或者飛行后卸載和分析飛參數(shù)據(jù)，人工判讀監(jiān)控與發(fā)動(dòng)機(jī)專用判讀軟件相結(jié)合的方式。該方式依賴地面試飛工程師的經(jīng)驗(yàn)，且存在判讀和監(jiān)控參數(shù)不全面、效率低、準(zhǔn)確性差等問(wèn)題。同時(shí)，高度依賴發(fā)動(dòng)機(jī)專用判讀軟件的功能設(shè)定，僅能運(yùn)行軟件開發(fā)者設(shè)置的功能，用戶無(wú)法對(duì)飛參數(shù)據(jù)進(jìn)行解析和進(jìn)一步的運(yùn)用，無(wú)法根據(jù)一線工作經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際需求，及時(shí)地建立新的判讀和監(jiān)控規(guī)則。

本文提出一種航空發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)自動(dòng)判讀和監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，基于飛參報(bào)表數(shù)據(jù)將飛參數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)重構(gòu)，歸納航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)和主要特征參數(shù)，采用專家系統(tǒng)思想進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)判據(jù)的建立，針對(duì)參數(shù)進(jìn)行趨勢(shì)分析監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了參數(shù)的自動(dòng)判讀和監(jiān)控，同時(shí)擺脫飛機(jī)參數(shù)回放軟件或者發(fā)動(dòng)機(jī)專用判讀軟件限制，及時(shí)地建立新規(guī)則，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行判讀和監(jiān)控。

1 系統(tǒng)技術(shù)原理

1.1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)的劃分

發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過(guò)程中有幾個(gè)基本工作狀態(tài)，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)推力和燃油消耗率隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律劃分，按轉(zhuǎn)速的大小規(guī)定了發(fā)動(dòng)機(jī)幾種基本工作狀態(tài)：最大、額定、最大連續(xù)、巡航和慢車狀態(tài)[8]。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)正常使用過(guò)程中，由油門桿來(lái)控制高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化。當(dāng)油門桿不動(dòng)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速應(yīng)處于穩(wěn)定位置[9]，因此實(shí)際工作中，可以通過(guò)看油門桿角度和高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速共同來(lái)判斷發(fā)動(dòng)機(jī)的基本工作狀態(tài)。

最大狀態(tài)：發(fā)動(dòng)機(jī)推力最大，通常發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和渦輪前燃?xì)鉁囟纫矠樽畲?，使用中?yīng)防止發(fā)動(dòng)機(jī)超溫和超轉(zhuǎn)。

額定狀態(tài)：通常規(guī)定推力為最大推力的90%時(shí)為發(fā)動(dòng)機(jī)的額定工作狀態(tài)。

最大連續(xù)狀態(tài)：這是發(fā)動(dòng)機(jī)可長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)發(fā)出推力80%的工作狀態(tài)，該狀態(tài)使用時(shí)間不受限制。

巡航狀態(tài)：通常規(guī)定推力小于等于最大推力的70%～75%時(shí)的工作狀態(tài)，該狀態(tài)用于飛機(jī)巡航飛行，是最經(jīng)濟(jì)、最省油的工作狀態(tài)。

慢車狀態(tài)：發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)以后能夠穩(wěn)定工作的最小轉(zhuǎn)速工作狀態(tài)，通常其推力約為最大推力的5%。

1.2 航空發(fā)動(dòng)機(jī)的主要監(jiān)控特征參數(shù)

在發(fā)動(dòng)機(jī)工作中，常利用參數(shù)來(lái)判斷發(fā)動(dòng)機(jī)是否在規(guī)定的工作狀態(tài)，反過(guò)來(lái)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)對(duì)應(yīng)著一定的參數(shù)和特征[10]。

（1）主要?dú)饴繁O(jiān)控參數(shù)

低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速Nl：在工程應(yīng)用與狀態(tài)監(jiān)控中Nl一般用來(lái)表征渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的推力，低壓渦輪與風(fēng)扇單元體性能相關(guān)的故障在Nl上能較為敏感地反映出變化。

高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速Nh：Nh在渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)核心機(jī)性能衰退或幾何部件控制失效等故障發(fā)生時(shí)，會(huì)有明顯的漂移，對(duì)于監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)性能趨勢(shì)與故障識(shí)別效果明顯。

低壓渦輪后排氣溫度Tt：航空發(fā)動(dòng)機(jī)隨著飛行小時(shí)數(shù)的積累，性能會(huì)有所衰退下降，為了維持最大狀態(tài)推力不變，發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)增加供油，使發(fā)動(dòng)機(jī)Nl、Nh、Tt都相應(yīng)增加。然而渦輪進(jìn)口溫度受到材料的限制，Tt不能過(guò)高，否則會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)超溫，當(dāng)Tt達(dá)到限制值時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)將保證不超溫而停止增加供油，推力將隨之減小。因此監(jiān)控Tt，Tt與限制值之間的差值具有十分重要的意義。

（2）振動(dòng)監(jiān)控參數(shù)

振動(dòng)值：對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)、軸承和附件齒輪等機(jī)械部件的振動(dòng)值進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以反映機(jī)械性質(zhì)劣化。

（3）滑油監(jiān)控參數(shù)

對(duì)于轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，滑油系統(tǒng)工作狀況的好壞，直接影響著轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的工作?；蛥?shù)不僅代表著系統(tǒng)本身的工作狀態(tài)是否正常，也反映發(fā)動(dòng)機(jī)的健康狀況[11]。

常見(jiàn)的滑油參數(shù)如滑油壓力、滑油溫度、滑油濾堵塞等。對(duì)滑油進(jìn)行油樣分析，可以檢查光譜、磨粒、污染度、理化指標(biāo)（主要是閃點(diǎn)、酸值、粘度、含水量）等。

1.3 專家系統(tǒng)

專家系統(tǒng)是一個(gè)具有相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)大量專家知識(shí)的智能程序系統(tǒng)，根據(jù)一個(gè)或多個(gè)人類專家提供的特殊領(lǐng)域知識(shí)進(jìn)行推理，模擬人類專家做決定的過(guò)程來(lái)解決那些需要專家才能解決的復(fù)雜問(wèn)題[12]，是當(dāng)前故障診斷系統(tǒng)中運(yùn)用最廣泛的方法之一[13]。專家系統(tǒng)提供了一個(gè)自動(dòng)診斷和處理知識(shí)數(shù)據(jù)的高效手段，將其應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)故障判讀和監(jiān)控領(lǐng)域，可以提高判讀和監(jiān)控的效率以及判讀率，降低虛警率。

1.4 趨勢(shì)分析法

趨勢(shì)分析可以用來(lái)判斷和預(yù)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行健康狀態(tài)，是現(xiàn)代航空保障部門廣泛采用的一種分析技術(shù)。發(fā)動(dòng)機(jī)趨勢(shì)分析的步驟如下。

（1）利用人工記錄或自動(dòng)記錄方式采集參數(shù)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。

（2）將采集的參數(shù)進(jìn)行相似轉(zhuǎn)換，換算到海平面標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下。換算公式：

式中：X為Nl、Nh、Tt等參數(shù)；T01為發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口總溫。

（3）根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)維護(hù)手冊(cè)、已有數(shù)據(jù)結(jié)果建立不同參數(shù)的基線模型，設(shè)定不同發(fā)動(dòng)機(jī)的初始值。

（4）將相似換算后的數(shù)據(jù)減去基線值，求得各參數(shù)的偏差值。

（5）將偏差值進(jìn)行平滑處理。

（6）將平滑后的偏差值繪制性能趨勢(shì)圖，并依據(jù)趨勢(shì)圖對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)趨勢(shì)進(jìn)行分析。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

本文采用Matlab編程軟件建立飛機(jī)數(shù)據(jù)模塊、自動(dòng)判讀模塊、綜合監(jiān)控模塊，利用飛機(jī)參數(shù)回放軟件所導(dǎo)出的飛參數(shù)據(jù)報(bào)表作為數(shù)據(jù)輸入，進(jìn)行報(bào)表參數(shù)重構(gòu)，運(yùn)行相關(guān)模塊程序，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)判讀和綜合監(jiān)控。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 飛機(jī)數(shù)據(jù)模塊

飛機(jī)數(shù)據(jù)模塊可以滿足整個(gè)程序?qū)?shù)數(shù)據(jù)的需求，特別是對(duì)飛參報(bào)表數(shù)據(jù)進(jìn)行重構(gòu)。包括飛機(jī)履歷數(shù)據(jù)、飛機(jī)標(biāo)定數(shù)據(jù)、飛機(jī)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、飛參報(bào)表數(shù)據(jù)重構(gòu)4個(gè)子模塊。

飛機(jī)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)子模塊提供用戶錄入、修改、刪除根據(jù)綜合監(jiān)控模塊建立的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的功能，包括滑油系統(tǒng)的光譜Fe元素、光譜Cu元素、閃點(diǎn)、酸值、黏度、含水量等信息。

飛參報(bào)表數(shù)據(jù)重構(gòu)子模塊由自定義參數(shù)文件和程序組成，自定義參數(shù)文件定義了自定義參數(shù)符號(hào)、自定義參數(shù)名稱等信息。用自定義參數(shù)名稱依次匹配飛參報(bào)表參數(shù)名稱，將相應(yīng)參數(shù)的數(shù)據(jù)賦給自定義參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)重構(gòu)。飛參報(bào)表數(shù)據(jù)重構(gòu)子模塊是本系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)判讀和綜合監(jiān)控的基礎(chǔ)。利用該模塊，可以讓用戶任意選擇飛機(jī)參數(shù)回放軟件中相關(guān)連續(xù)量和離散量參數(shù)，程序都能夠識(shí)別飛參報(bào)表數(shù)據(jù)中參數(shù)名稱，轉(zhuǎn)換為用戶自定義參數(shù)符號(hào)和自定義參數(shù)名稱，擺脫了飛機(jī)參數(shù)回放軟件或者廠家的專用軟件限制，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)為我所用。

2.3 自動(dòng)判讀模塊

自動(dòng)判讀模塊由自定義判據(jù)文件、判讀統(tǒng)計(jì)報(bào)表文件和程序組成。

自定義判據(jù)文件根據(jù)專家系統(tǒng)的思想，可由用戶根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)維護(hù)手冊(cè)、工作經(jīng)驗(yàn)、排故總結(jié)等進(jìn)行相關(guān)判據(jù)的建立和修改。判讀的參數(shù)應(yīng)包含航空發(fā)動(dòng)機(jī)的主要監(jiān)控特征參數(shù)，如主要?dú)饴繁O(jiān)控參數(shù)，振動(dòng)值，滑油參數(shù)等。

為提高程序運(yùn)行效率，本文將航空發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)判讀這樣一個(gè)復(fù)雜龐大的工程，分解成對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行全過(guò)程，工作狀態(tài)標(biāo)志和具體的工作狀態(tài)3種判據(jù)判讀。其中發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)細(xì)劃分為9種：靜態(tài)、地面起動(dòng)、慢車、暖機(jī)、中間、最小加力、最大、過(guò)渡態(tài)、停車。

判讀統(tǒng)計(jì)報(bào)表文件定義了事件序號(hào)、事件名稱、告警識(shí)別、記錄信息、處置方法等信息，同自定義判據(jù)文件一樣，判讀統(tǒng)計(jì)報(bào)表文件的建立也利用了專家系統(tǒng)的思想。自動(dòng)判讀程序流程如圖2所示。

圖2 自動(dòng)判讀程序

2.4 綜合監(jiān)控模塊

根據(jù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的主要監(jiān)控特征參數(shù)，以及發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)試與維護(hù)工作的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，本文選取了時(shí)間、溫度、壓力、振動(dòng)值、滑油等14個(gè)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，利用用戶錄入數(shù)據(jù)和自動(dòng)判讀保存數(shù)據(jù)兩種方式作為數(shù)據(jù)來(lái)源，主要運(yùn)用性能參數(shù)的趨勢(shì)分析法，通過(guò)可視化圖形和告警設(shè)計(jì)，進(jìn)行參數(shù)的綜合監(jiān)控。綜合監(jiān)控程序流程如圖3所示。

圖3 綜合監(jiān)控程序

3 系統(tǒng)運(yùn)用

3.1 自動(dòng)判讀運(yùn)用

以某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)為例，飛參數(shù)據(jù)記錄該發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)共計(jì)108個(gè)，本系統(tǒng)建立自定義判據(jù)文件后，需要進(jìn)行判讀的判據(jù)或參數(shù)達(dá)到了200余個(gè)，擴(kuò)大了參數(shù)判讀范圍，判讀統(tǒng)計(jì)報(bào)表的事件序號(hào)共有120余個(gè)。與傳統(tǒng)的人工判讀方式進(jìn)行對(duì)比，人工判讀108個(gè)參數(shù)需要30 min，而本系統(tǒng)僅需要5 min，且判讀內(nèi)容包含了飛參數(shù)據(jù)記錄的航空發(fā)動(dòng)機(jī)的全部信息，飛參數(shù)據(jù)漏判誤判率為0，此外根據(jù)專家系統(tǒng)思想擴(kuò)大了判讀范圍，使參數(shù)判讀更加全面、有針對(duì)性。判讀統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖4所示。

圖4 判讀統(tǒng)計(jì)報(bào)表

3.2 綜合監(jiān)控運(yùn)用

以滑油光譜元素Cu的監(jiān)控為例，展示趨勢(shì)分析法在本系統(tǒng)中的運(yùn)用。

對(duì)于摩擦副零件的磨損過(guò)程，其正常使用期間，其磨損量隨著時(shí)間的增長(zhǎng)近似呈現(xiàn)線性變化，設(shè)給定n個(gè)油樣采樣點(diǎn)（t1,y1）,（t2,y2）,…,（tn,yn），這些數(shù)據(jù)滿足以下關(guān)系：

式中：yi為磨損金屬元素的濃度值（10-6）；ti為發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行小時(shí)（h）；a、b分別為回歸方程的截距和系數(shù)。通常元素的濃度值由光譜檢測(cè)設(shè)備測(cè)得。

進(jìn)一步考慮滑油的消耗量（消耗的滑油由添加的新滑油補(bǔ)充），計(jì)算后得到修正濃度值。其計(jì)算公式如下：

式中：yt為本次取樣后算得的修正濃度值；y't為上次取樣后所算得的修正濃度值；y為本次取樣后測(cè)得的濃度值；y'為上次取樣后測(cè)得的濃度值；V為發(fā)動(dòng)機(jī)滑油系統(tǒng)總油量；ΔV為上次取樣后滑油的添加量。

為了表征摩擦副剛開始發(fā)生異常磨損征兆，引入磨損率的概念，其計(jì)算公式如下：

式中：Wr為磨損率；yt為本次樣品的某種磨損金屬的修正濃度值；y't為上次樣品測(cè)得的同種磨損金屬的修正濃度值；t為本次取樣時(shí)滑油在發(fā)動(dòng)機(jī)里的總工作時(shí)間；t'為上次取樣時(shí)滑油在發(fā)動(dòng)機(jī)里的總工作時(shí)間。

用戶通過(guò)每次錄入滑油金屬Cu元素的濃度值、上次取樣后滑油添加量、發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間等信息，程序自動(dòng)算出Cu元素的修正濃度值和磨損率，進(jìn)一步計(jì)算出Cu元素濃度值、磨損率與發(fā)動(dòng)機(jī)維護(hù)手冊(cè)告警值的差值，根據(jù)差值大小進(jìn)行相關(guān)告警和報(bào)故，同時(shí)繪制近20次取樣的數(shù)據(jù)，得到Cu元素的趨勢(shì)曲線。Cu元素監(jiān)控畫面如圖5所示。

圖5 Cu元素監(jiān)控

4 結(jié)束語(yǔ)

本文指出目前實(shí)際應(yīng)用中航空發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)判讀和監(jiān)控存在的缺陷和問(wèn)題，通過(guò)分析現(xiàn)有技術(shù)發(fā)展和功能需求，完成系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)。

本文歸納航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)和主要特征參數(shù)，通過(guò)飛參報(bào)表進(jìn)行二次開發(fā)，采用專家系統(tǒng)思想建立判據(jù)，運(yùn)用趨勢(shì)分析方法進(jìn)行監(jiān)控。通過(guò)對(duì)飛行參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證了本系統(tǒng)能夠提高發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)判讀準(zhǔn)確率、效率，消除故障漏判風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)對(duì)多個(gè)重要參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控。

本技術(shù)對(duì)于試飛一線部門有良好推廣價(jià)值，能夠提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)安全性，加快試飛效率。在判讀和監(jiān)控方法上，可以進(jìn)一步向知識(shí)獲取全自動(dòng)化、智能評(píng)價(jià)以及參數(shù)預(yù)測(cè)等方面研究。