航空发动机视情维修理论与技术综述

第四届长三角科技论坛航空航天与长三角经济发展分论坛暨第三届全国航空维修技术学术年会 7 航空发动机视情维修理论与技术综述 戎翔 左洪福 南京航空航天大学民航学院

[摘 要] 航空发动机是一类高度复杂的、可修复的多部件系统，是航空维修保障的重点。航空发动机的维修策略经历了故障后维修、定时维修、视情维修即基于状态的维修等多种维修策略，尤其因为视情维修具有较高的经济性和有效性，目前已成为航空发动机所采用的主要维修策略，数十年来，状态监测与故障诊断技术的发展以及单元体结构设计技术的应用正是这一重要变革的前提和基础。本文综述了航空发动机状态管理、寿命管理和视情维修决策管理的方法、技术和模型等方面的研究文献，跟踪了最新的自治维修理论，并在此基础上，指出了航空发动机状态监控和维修管理的发展方向。

[关键词] 视情维修 发动机状态管理 发动机寿命管理 维修决策优化 1 引言 众所周知，随着技术的发展和研究的深入，工业领域的变革带来了维修思想的变化，也促进了维修策略的改进。按照莫布雷的观点，维修思想经历了以下三个阶段：故障后维修、以预防为主的维修和以可靠性为中心的维修[1]。目前应用在工业领域的一般维修理论是航空发动机维修保障的基础，航空发动机的状态监控和视情维修维修决策体系主要来源于以下几种维修策略[2-5]。

维修

预防性维修

基于时间的（定时）维修基于状态的

（视情）维修

基于故障的（事后）维修更改设计的维修

图1：一般维修策略的分类 按维修方式分，有更改设计的维修DOM（Design-Out Maintenance）、基于故障的维修FBM（Failure Based Maintenance）、基于时间维修TBM（Time Based Maintenance）、基于状态的维修CBM（Condition Based Maintenance）等维修策略。CBM属于预防性维修PM（Preventive Maintenance），也称为on-condition maintenance。CBM的假设条件是：失效不是突然发生的，而是经过一段时间渐变形成的（P-F曲线）。当设定的系统参数值（接近）超过了预定值（例如，振动增加，温度升高）时，就进行CBM。CBM以系统的个体实际技术状态为基础，理论上可以避免“过修”和“失修”问题，可以更准确地权衡安全和经济的矛盾，最大限度地降低维修风险，优化维修成本，提高设备的可用度[6]。因此，国际上军、民用发动机都逐渐采用以视情为主的维修策略。 第四届长三角科技论坛航空航天与长三角经济发展分论坛暨第三届全国航空维修技术学术年会 8CBM最初出现在19世纪40年代的后期，发展到现在，引起了工业领域的工程专家和技术及理论研究者越来越多的关注[7]，可以从三个层面上来归纳他们的工作：第一是状态监控与故障诊断技术层面，研究人员获取数据、处理信号，建立对象的状态模型，提取状态特征，根据状态的变化来判断是否需要维修，具有了一定的维修决策能力[8]；第二是CBM优化决策层面，研究人员一般先假设状态模型已经建立，从概率论、随机过程、运筹学等理论基础上对被研究系统的费用、可用度等目标函数进行优化，典型的CBM优化模型有状态空间模型[9]、延迟时间模型[10]、计数过程[11]、冲击模型[12]、比例危险模型、马尔可夫模型等[7]；第三是CBM系统技术层面，有一些组织对CBM的技术框架进行研究，机械信息管理开放系统联盟MIMOSA（Machinery Information Management Open System Alliance）制定了CBM系统架构OSA-CBM[13, 14]。 由于CBM的建模理论和优化方法很复杂，需要借助计算机技术才能解决实际推广应用问题。因此，许多研究机构和公司针对特定的设备研究CBM决策软件等[15]。著名的有：加拿大多伦多大学A.Jardine和V.Makis教授组建了CBM实验室，研究开发了CBM软件包EXAKTtm [16]。

总的来说，借助于状态监测、故障诊断和维修决策等技术和理论的发展，CBM策略也在不断地进步，在电力、航空、船舶、核电等领域受到越来越多的应用。尤其在航空领域，无论是RCM思想[1]还是FAA的MSG-3规范[17]，都将CBM作为一类维修方式或维修工作而采纳，在军、民用航空器维修设计、运营与管理中普遍应用。而且，发动机状态管理、发动机寿命管理和维修决策优化构成了航空发动机的CBM维修策略的主要内容，我们将从这三个方面介绍发动机CBM相应的方法、模型与技术。

2 CBM策略下的航空发动机状态管理health management 航空发动机的状态管理核心是发动机的状态监控，而航空发动机的状态监控又常常与故障诊断结合起来，可以及时发现故障与故障征候，以便及时采取相应的维修行为。现代航空发动机的结构复杂，且在高温、高压、大应力等苛刻条件下工作。目前不论发动机的设计、材料和工艺水平，还是使用、维修管理水平多高，都不能保障发动机在使用中不出故障，所以现代的军、民用飞机和直升飞机都装备了发动机状态监控系统EMS（Engine Monitoring System），该系统可以包括或不包括故障诊断系统[18]。这些机载系统、地面系统结合数据处理和分析软件，构成了航空发动机的状态管理体系。

2.1 民航发动机状态监控的发展历程 发动机状态监控主要包括系统化的数据采集（机载的on-board）；采集的数据由单个的点参数改变为趋势参数；使用计算机网络，又使监控数据构成全机队的综合数据库（地面的off-board）。主要经历了四个发展阶段，由100％的人工监控发展到100％的机器监控，形成了完备的监控方法[18, 19]。如错误！未找到引用源。所示： 表1：航空发动机状态监控技术回顾 状态监控技术 特 点 人工记录 在飞机稳定巡航状态，由机组人工记录驾驶舱仪表数据，然后录入计算机，再利用软件进行分析。费用较低，对飞机设备无特殊要求，易于制订程序，是早期发动机监控的通用方式。但该方法易出现读出、抄写和输入错误，工作效率低，监控参数少，存在滞后，准确性差，数据的再开发利用比较困难。 机载记录 利用数字飞行记录器（DFDR）或快速记录器（QAR）中连续记录的参数重放，对发动机的工作状况进行监控，该方法避免了中间环节的错误，提高了性能监控的准确度，可随时译码或重放，获得大量数据，但获得的发动机监控参数种类和数据有限，不能选择记录器规定数据以外的参数监控。 第四届长三角科技论坛航空航天与长三角经济发展分论坛暨第三届全国航空维修技术学术年会 9飞机状态监控系统 利用飞机状态监控系统（ACMS）连续监控飞行数据链（ARINC）并汇总数据，以报告的方式记录。该方法操作简单，监控范围广，减少了输出的数据量，提高了精度。但最初投入费用高，对监控人员的专业水平要求高。 实时监控和人工智能 飞机状态监控系统（ACMS）与飞机通信寻址和报告系统（ACARS）实时将发动机状态传递给地面维修工程部门，同时利用人工智能系统进行故障隔离和判断，及时分析研究，并采取措施。该方法除具有飞机状态监控的优点外，还增加了“实时（Real Time）”性，地面能对机组的操作及时给予指导，提前做好地面维修准备。这样可以提高飞行安全性，减少地面维修停场时间。

以上四种方法，实际上反映了发动机状态监控的发展过程。它由100％的人工监控发展到100％的机器监控，形成了完备的监控方法。发动机状态监控主要包括系统化的数据采集（机载的on-board）；采集的数据由单个的点参数改变为趋势参数；使用计算机网络，又使监控数据构成全机队的综合数据库（地面的off-board）。

图2：发动机监控的发展 2.2 航空发动机状态监控内容 按照航空公司日常的工程管理实际，有如下几类主要的监控内容： （1）气路性能监控 民航发动机的核心部件是气路系统部件，包括压气机、燃烧室、涡轮。气路部件的一些热力参数可反映发动机性能状态变化，这些参数有：温度、压力、转子转速、燃油流量等，也叫做发动机可测参数，如：起飞状态下的EGT裕度是衡量民航发动机性能状态的主要指标。 气路性能分析是发动机状态监控的主要内容，也是发动机故障诊断的有效工具。有很多算法应用到发动机气路性能监控中，文献中常见的方法有：参数估计Parameter Estimation、卡尔曼滤波Kalman Filter (KF)、人工神经网络Artificial Neural Network (ANN)、模糊逻辑Fuzzy Logic (FL)、遗传算法Genetic Algorithm (GA)、隐马尔可夫Hidden Markov Model (HMM)、贝叶斯理论Bayesian Theory (BT)、专家系统Expert System (ES)、决策树Decision Tree (DT)、主成分分析Principal Component Analysis (PCA)、支持向量机 Support Vector Machines (SVM)等[20-22]。Li对这些算法的计算速度和模型的复杂度进行了评估[23]。 （2）滑油监控 第四届长三角科技论坛航空航天与长三角经济发展分论坛暨第三届全国航空维修技术学术年会 10滑油监控技术是润滑系统部件及其封严系统状况的一种监控手段，适用于机械磨损类故障监控与诊断。发动机是复杂的技术密集型机械产品，其中包含大量的齿轮、轴承等机械旋转部件，因此滑油监测也是发动机状态监测与故障诊断的重要手段之一。航空发动机的滑油监控，一般包括：滑油消耗率监控、滑油磨粒监控、滑油品质状况监控和滑油温度和压力监控。其中滑油磨粒监控又可以分为在线监控和离线检测分析[24]。 （3）振动监控 振动信号是发动机状态监控与故障诊断常用的数据。发动机的高、低压转子是由叶片、盘、轴、轴承等旋转零部件构成。在装配过程中，这些部件不可能做到完全平衡，这种不平衡在旋转过程中会产生一定程度的振动信号，这些振动信号就是状态监控与故障诊断的征兆信息。另外，由于磨损或损伤等原因也会引起转子的振动。因此在飞机上都装有发动机振动监控系统，用来监控发动机的振动情况[20]。 （4）寿命件监控 寿命监控是对诸如盘、叶片等关键旋转部件的使用、损伤和剩余寿命等进行监控，包括在翼on-board运营时间和循环的跟踪和离翼off-board寿命预测。寿命监控对保证发动机在高性能水平下安全、可靠地工作有十分重要的作用，但是该监控方法有内在的不确定性，可能导致过分的保守或者潜在的不安全的寿命预测，关于寿命监控和管理的理论和方法在接下来的章节会详细介绍。

2.3故障预测与状态管理（PHM）方法 故障预测与状态管理（prognostics and health management）是一种新的状态管理思想，它代表了一种方法的转变，即从传统的基于传感器的诊断转向基于智能系统的预测，利用先进的传感器（如无线微机电系统（MEMS）等）的集成，并借助各种算法（如快速傅里叶变换等）和智能模型（如专家系统、神经网络、模糊逻辑等）来预测、监控和管理飞机和发动机的状态[25]。 PHM技术首先在直升机上得到了应用，并演变成使用和状态管理系统（HUMS）[26]。波音公司和洛克西德. 马丁公司在投标下一代联合攻击战斗机JSF（Joint Strike Fighter）时都在其设计中综合了PHM能力[27]。波音公司还将PHM应用到民用航空领域，称作“飞机状态管理”（AHM）系统，用来保证航空公司减少飞行延误、航班取消等事件，实现高效率运营，降低运行成本[25]。PHM应用到航空发动机上，可以实现故障预报failure forecasting 、寿命预测life predication等，辅助发动机的运营和CBM管理。Jaw就提出一个基于web的平台ICEMS（Integrated Condition-based Engine Management System），可以实现发动机的PHM[28]。Fisher讨论了气路磨粒监控在发动机PHM中的应用[29]。Suarez等人介绍了一种航空发动机旋转结构的寿命预测系统，该系统综合PHM系统[30]。可以看出，PHM赋予了航空发动机CBM新的内容，美国国防部就在此基础上，将CBM扩展到武器保障领域，产生了CBM+的概念[31]。