機械故障診斷綜合大作業(yè)―航空發(fā)動機的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷_百度

1、機械系統(tǒng)故障診斷綜合大作業(yè)航空發(fā)動機的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷1. 研究背景與意義航空發(fā)動機不但結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 且工作在高溫、 大壓力的苛刻條件下。 從發(fā)動機 發(fā)展現(xiàn)狀看,無論設(shè)計、材料和工藝水平,抑或使用、維護和管理水平,都不可 能完全保證其使用中的可靠性。而發(fā)動機故障在飛機飛行故障中往往是致命的, 并且占有相當大的比例,因此常常因發(fā)動機的故障導(dǎo)致飛行中的災(zāi)難性事故。 隨著航空科學(xué)技術(shù)的發(fā)展并總結(jié)航空發(fā)動機設(shè)計、 研制和使用中的經(jīng)驗教訓(xùn), 航空發(fā)動機的可靠性和結(jié)構(gòu)完整性已愈來愈受到關(guān)注。自 70年代初期即逐步明 確航空發(fā)動機的發(fā)展應(yīng)全面滿足適用性、 可靠性和經(jīng)濟性的要求, 也就是在保證 達到發(fā)動機性能

2、要求的同時, 必須滿足發(fā)動機的可靠性和經(jīng)濟性 (維修性和耐久 性的要求。可靠性工作應(yīng)貫穿在發(fā)動機設(shè)計 -生產(chǎn) -使用 -維護全過程的始終。 對新研制的 發(fā)動機,應(yīng)在設(shè)計階段就同時進行可靠性設(shè)計、試驗和預(yù)估;對在役的發(fā)動機, 應(yīng)經(jīng)常進行可靠性評估、 監(jiān)視和維護。 軍機和民用飛機的主管部門, 設(shè)計、 生產(chǎn)、 使用和維護等各部門, 應(yīng)形成有機的、 閉環(huán)式的可靠性管理體制, 共同促進航空 發(fā)動機可靠性的完善和提高。2. 國內(nèi)外進展自 70年代前期,國外一些先進的民用和軍用航空公司即著手研究和裝備發(fā) 動機的狀態(tài)監(jiān)視和故障診斷系統(tǒng)。 電子技術(shù)與計算機技術(shù)的迅速發(fā)展, 大大促進 了航空發(fā)動機的狀態(tài)監(jiān)視與故障

3、診斷技術(shù)的發(fā)展。 至今, 監(jiān)視與診斷技術(shù)作為一 項綜合技術(shù),已發(fā)展成為一門獨立的學(xué)科,其應(yīng)用已日趨廣泛和完善。按民航適航條例規(guī)定航空發(fā)動機必須有 15個以上的監(jiān)視參數(shù)。 現(xiàn)今美國普 惠公司由有限監(jiān)視到擴展監(jiān)視,逐步完善了其 TEAMIII 等系統(tǒng),美國通用電氣公 司也不斷在發(fā)展其 ADEPT 系統(tǒng)。從各國空軍飛機發(fā)動機的資料來看, 大都采用了發(fā)動機狀態(tài)監(jiān)視與故障診斷 系統(tǒng)。 包括發(fā)動機監(jiān)視系統(tǒng) EMS , 發(fā)動機使用情況監(jiān)視系統(tǒng) EUMS 和低循環(huán)疲勞 計數(shù)器 LCFC 等,同時為了幫助查找故障,近年來還發(fā)展了發(fā)動機故障診斷的專 家系統(tǒng),如 XMAN 和 JET X 。美國自動車工程協(xié)會(SA

4、E E-32航空燃氣渦輪監(jiān) 視委員會研究并頒布了一系列指南, 包括航空燃氣渦輪發(fā)動機監(jiān)視系統(tǒng)指南、 有 限監(jiān)視系統(tǒng)指南、 滑油系統(tǒng)監(jiān)視指南、 振動監(jiān)視系統(tǒng)指南、 使用壽命監(jiān)視及零件 管理指南等。我國相關(guān)民用航空公司和院校開展的發(fā)動機狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的研究工 作已初見成效。 并且對于新研制的高性能發(fā)動機已將實施狀態(tài)監(jiān)視列為重要的技、 戰(zhàn)術(shù)指標, 因此正較全面的開展這方面的研究工作。 但是總的看來, 國內(nèi)該項工 作開展得還不夠, 亟待有計劃、 有步驟地借鑒國外的成功經(jīng)驗, 發(fā)展并推廣我們 自己的狀態(tài)監(jiān)視與故障診斷技術(shù),以適應(yīng)飛機和發(fā)展的需要。3. 方案設(shè)計方案一(離線 :機載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將傳感器

5、測量的信號按規(guī)定順序和時間 采集并傳送給記在記錄裝置。 飛機降落到地面后將記錄裝置中的數(shù)據(jù)導(dǎo)入地面數(shù) 據(jù)處理中心計算機, 地面診斷中心再對數(shù)據(jù)進行處理、 判斷, 確定航空發(fā)動機的 狀態(tài)。方案二(在線 :機載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將采集的信號通過無線電將數(shù)據(jù)傳輸至 地面, 地面診斷中心對數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)控和處理, 然后將處理結(jié)果實時儲存并傳 回飛機控制室以供飛行員作為依據(jù)進行相應(yīng)操作。方案三(離線 +在線 :數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將傳感器感受到的信號按規(guī)定順序和 時間采集并傳送給機載記錄裝置, 其中一部分參數(shù)可在飛機機載計算機上進行簡 單處理后將結(jié)果傳送至地面診斷中心, 其余詳細數(shù)據(jù)則在飛機降落后導(dǎo)入地面數(shù) 據(jù)處理中

6、心計算機。 在出現(xiàn)異常時, 一方面向飛行員報警, 另一方面將與異常情 況相關(guān)的數(shù)據(jù)傳輸至地面診斷中心進行進一步處理、 判斷并輸出發(fā)動機技術(shù)報告。 離線模式的設(shè)備簡單易維護、運行成本低,但是卻不能對于發(fā)動機運行過 程中的突發(fā)情況進行快速反應(yīng)。 在線模式能夠?qū)τ诎l(fā)動機運行過程中的突發(fā)情況 快速反應(yīng), 但是傳輸和處理的數(shù)據(jù)量巨大, 對于設(shè)備的要求較高, 運行維護過程 復(fù)雜,成本高。離線 +在線模式綜合了離線模式和在線模式的優(yōu)點,在保證能實 時監(jiān)控發(fā)動機狀態(tài)的性能要求下, 大大減少了傳輸和處理的數(shù)據(jù)量, 使可行性和 經(jīng)濟性大大提高。方案三(離線 +在線的系統(tǒng)框圖如下: 4. 關(guān)鍵技術(shù)及技術(shù)路線目前采用

7、的發(fā)動機狀態(tài)監(jiān)視與故障診斷的手段有三類:第一類屬性能狀態(tài)監(jiān)視或稱為氣路參數(shù)分析 (GPA技術(shù),包括對氣流通道的 壓力、 溫度, 燃油流量和轉(zhuǎn)速監(jiān)測; 對發(fā)動機性能參數(shù)如推力或功率等參數(shù)的監(jiān) 測。第二類屬機械狀態(tài)監(jiān)視。常用的手段有:振動監(jiān)視;滑油監(jiān)視 (包括滑油壓 力、 滑油溫度, 滑油消耗量、 滑油屑末收集、 滑油光譜分析, 滑油鐵譜分析等 ; 低循環(huán)疲勞和熱疲勞監(jiān)視 (低循環(huán)疲勞計數(shù)、渦輪葉片溫度場監(jiān)測 。此外,還有 葉片動應(yīng)力監(jiān)測、聲譜監(jiān)測等。第三類屬無損探測類,一般只作地面檢測用。常用的手段有:孔探儀檢測; 渦流檢測;同位素照相檢查;超聲波檢查;磁力探傷;聲發(fā)射探測; X 射線照相 檢查

8、;熒光檢查;著色檢查,液體滲透檢查等。其中,孔探儀檢測在發(fā)動機地面 檢查時用得最多。作為發(fā)動機狀態(tài)監(jiān)視與故障診斷系統(tǒng), 機載與地面結(jié)合、 硬件與軟件配套使 用的常用手段主要是氣路分析技術(shù)、振動監(jiān)視技術(shù)和滑油監(jiān)視技術(shù)。4.1氣路分析技術(shù)發(fā)動機氣路上的氣動熱力參數(shù)可以用能量守恒、 流量連續(xù)、 動量守恒等關(guān)系 嚴格地以數(shù)學(xué)表達式聯(lián)系起來,也就是可以建立待診斷的發(fā)動機的數(shù)學(xué)模型 (認 為是線性模型 ,確定測量參數(shù)隨單元體幾何參數(shù),工作狀態(tài)以及性能參數(shù)的變 化關(guān)系。 通過安裝在發(fā)動機內(nèi)部的相應(yīng)的傳感器測量氣路參數(shù), 利用數(shù)學(xué)模型即 可求解單元體性能參數(shù)變化, 再通過與無故障單元體的性能對比, 即可診斷單

9、元 體的損傷或故障。 與此同時, 在飛機停在地面試車時, 可利用紅外成像儀對發(fā)動 機的熱端溫度場進行探測以了解發(fā)動機的工作狀態(tài)。 對于發(fā)動機的尾氣進行光譜 探測以進行成分檢測, 定性定量分析氣體及煙塵成分, 了解發(fā)動機工作效率及燃 燒情況。4.2振動監(jiān)測技術(shù)從發(fā)動機部件的角度來看,輪盤、葉片、軸、軸承等轉(zhuǎn)子部件的故障都與振 動有關(guān), 并且占總故障比例較大的姐都強度故障多數(shù)的早期故障信息在其振動信 息中都有所反映。造成轉(zhuǎn)子不平衡的原因主要有轉(zhuǎn)子不平衡、軸承故障、裂紋、 碰摩。 振動測量中, 測點的振動必須最有代表性, 能夠穩(wěn)定的反映激振力和正確 的反映出發(fā)動機的振動能量。 因此將振動傳感器的安裝

10、位置選在發(fā)動機的安裝節(jié)、 轉(zhuǎn)子的支撐面和承力機匣的對接面。 對發(fā)動機穩(wěn)態(tài)振動信號進行頻譜分析, 監(jiān)測 各分量的振動值,并對信號進行小波分析等相關(guān)分析以提出信號中的特征值。 4.3滑油監(jiān)視技術(shù)滑油系統(tǒng)監(jiān)視與分析是預(yù)報與監(jiān)控航空發(fā)動機健康狀態(tài)的有效手段, 是保證 飛行安全的重要措施之一, 是開展視情維修的重要保證。 由于該技術(shù)的應(yīng)用具有 較大的安全和經(jīng)濟意義, 已受到航空業(yè)的高度重視。 滑油系統(tǒng)監(jiān)視與故障診斷的 作用在于:一方面能監(jiān)視滑油系統(tǒng)本身 (滑油壓力、 滑油溫度、 滑油量、 油濾 , 保證其工作正常、 可靠; 另一方面通過對滑油系統(tǒng)的監(jiān)測實現(xiàn)對發(fā)動機工作進行 監(jiān)測與故障診斷。 根據(jù)研究表明

11、, 磨損件其運行期內(nèi)一般均經(jīng)過磨合、 正常磨損 和最終失效三個基本磨損階段, 三個階段中磨粒的大小和數(shù)量均有其相應(yīng)的特點, 因此用專門的鐵譜儀對滑油進行鐵譜分析 (具有較寬的微粒尺寸檢測范圍和較高 的檢測頻率,能同時進行磨損為例的定性分析和定量監(jiān)測 ,以確定磨損件的磨損狀況。4.4數(shù)據(jù)預(yù)處理方法航空發(fā)動機常年在高溫、 高壓、 高噪聲環(huán)境下工作, 其相關(guān)參數(shù)的測量較為 困難, 常見的問題主要有數(shù)據(jù)測量誤差大、 傳感器易發(fā)生故障等。 采集到的航空 發(fā)動機相關(guān)性能參數(shù)的數(shù)據(jù)若不加以預(yù)處理, 則很難準確反映航空發(fā)動機的實際 健康狀態(tài)。 數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括數(shù)據(jù)的平滑和野點的剔除與修正以及缺失數(shù)據(jù)的 補充

12、。較為常用的數(shù)據(jù)平滑方法有移動平均平滑法和指數(shù)平滑法。 從加權(quán)的角度看, 移動平均法是對移動窗體內(nèi)的各期數(shù)據(jù)賦予相同的權(quán)值, 而指數(shù)平滑法是對所有 各期數(shù)據(jù)賦予逐漸收斂為 0 的權(quán)數(shù)。由于振動、電磁干擾、傳感器輸出異常等原因,數(shù)據(jù)中常會出現(xiàn)野點(異常 值 , 必須進行野點的剔除與補正。 野點剔除方法主要有以下三類:統(tǒng)計學(xué)方法、 基于距離的方法和基于偏離的方法。判斷并剔除野點之后,還應(yīng)對其進行補正, 處理方法主要是采用數(shù)據(jù)平滑技術(shù), 按數(shù)據(jù)分布特征修勻源數(shù)據(jù)。 具體方法包括 分箱、聚類和回歸。由于數(shù)據(jù)錄入、轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)庫鏈接等過程中的失誤,可能導(dǎo) 致數(shù)據(jù)的缺失。對缺失數(shù)據(jù)的處理方法通常有兩類:插補

13、和加權(quán)調(diào)整。綜合考慮,本系統(tǒng)采用“指數(shù)平滑法”對數(shù)據(jù)進行平滑處理,然后依據(jù)拉依 達準則對粗大誤差進行判別和剔除, 以消除隨機誤差, 提高數(shù)據(jù)質(zhì)量, 為后續(xù)的 研究提供保障。4.5智能化故障診斷數(shù)據(jù)庫建立航空發(fā)動機的結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 出現(xiàn)的故障種類十分繁雜, 因此準確判斷是否發(fā)生 故障以及確定故障類型和故障位置十分困難。 為了能夠快速地對發(fā)動機的狀態(tài)異 常進行快速的反應(yīng), 建立發(fā)動機的智能化故障診斷數(shù)據(jù)庫就變得十分迫切且重要。 數(shù)據(jù)庫的主要數(shù)據(jù)由發(fā)動機廠家的試驗數(shù)據(jù)、 發(fā)動機各種故障的試驗或者模擬數(shù) 據(jù)以及發(fā)動機的結(jié)構(gòu)履歷數(shù)據(jù)和故障維修歷史數(shù)據(jù)。 智能化故障診斷的主要思想 就是通過異常數(shù)據(jù)與正常工作時的數(shù)據(jù)進行對比, 確定發(fā)動機運行狀態(tài)趨勢以及 是否發(fā)生故障。 如果確定狀態(tài)出現(xiàn)異常, 則調(diào)用故障試驗?zāi)M數(shù)據(jù), 并與發(fā)動機 的實時狀態(tài)數(shù)據(jù)進行擬合, 快速確定故障類型及嚴重程度。 與此同時, 可調(diào)用發(fā) 動機故障維修記錄數(shù)據(jù)對判斷結(jié)論進行進一步的檢驗。 如果經(jīng)歷此過程仍無法診 斷,則自動啟動人工診斷或者專家診斷系統(tǒng)。4.6系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化建立鑒于航空發(fā)動機的工作環(huán)境, 擬采用通訊衛(wèi)星傳輸飛機和地面診斷中心間的 數(shù)據(jù), 同時通過互聯(lián)網(wǎng)建立診斷中心與機場的數(shù)據(jù)傳輸平臺, 以實現(xiàn)高效率的