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系统健康评估与故障诊断方法
课题名称:
民用飞机发动机部附件系统健康评估与故障诊断方法研究
选题依据(包括课题的来源、研究目的、必要性和重要性、意义以及国内外研究的技术现状分析)
航空发动机被誉为工业的“心脏”,其正常运行关乎到飞机的安全、效益,是制造商、航空公司以及适航审定局方部门重点关心的对象。
在航空发动机中,除了进气道、压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管等五大主要部件外,还有一些保证运行的附件系统。
如起动系统、燃油系统、滑油系统和辅助动力系统(APU)等。
另外,在发动机系统中一些主要的附件(如滑油泵、燃油泵等)都安装在附件齿轮箱内。
这些部附件以及子系统的故障监测与性能评估对发动机系统的整体监测与健康评估至关重要。
发动机起动系统用来使发动机从静止状态过渡到稳定的慢车状态(如图1)。
发动机起动系统是一个复杂的系统,数十个发动机子系统参与其中。
其中主要包括空气系统、燃油系统、发动机控制单元、电力系统、点火系统、滑油系统等。
而且,发动机起动过程也吸引了发动机制造商和飞机使用者的大量关注。
由于以往的维修经验中,发动机起动不成功而导致的航班延误、航班取消的案例非常多。
其中主要的故障模式包括:
起动悬挂、起动时间长、点火失败等等。
因此提出一种评估起动系统健康状况的方法十分必要且迫切的。
基于某航空公司实际运行的QAR数据,提取能表征起动系统健康状况的性能参数和环境参数。
并进行FMECA,确定出起动系统典型故障、以及部件失效后参数的可能变化。
接下来借助某航空公司实际维修记录,确定出正常样本,并确定各个参数的阈值。
最后利用马氏距离的原理,计算出能表征健康状况的健康指数,完成健康评估的目标。
图1发动机起动系统
辅助动力装置(AuxiliaryPowerUnit,简称APU)安装在机身尾部的非增压舱内,位于方向舵下方(如图1),它的典型结构如图2所示。
在地面上,它可以为主发动机起动和空调系统提供引气;在起飞过程中,它可以为环控系统提供引气;更重要的是,在飞行过程中,一旦飞机失去发动机动力时,APU可以为飞机提供紧急应急动力,以便让飞机不会因为失去动力而失控;在飞机落地后,APU提供的电源和气源可以用于客舱和驾驶舱的照明和空调,使高耗油高噪音的主发动机提前关闭。
在飞机地面起动过程中,APU的故障将会直接导致发动机起动不成功或起动系统其他故障,因此APU的故障监测显得尤为重要。
APU的典型故障主要有:
电瓶电压不足造成加速慢;APU起动机和齿轮箱故障造成加速慢;点火系统故障造成APU起动失败;燃油控制系统故障造成加速慢;滑油系统的故障造成加速慢。
通过查阅及分析国内外故障监测预测技术及研究现状,总结目前故障预测技术所面临的难点和不足。
在此基础上,针对目前传统单一故障监测方法难以满足复杂飞机系统APU故障监测技术的现状,提出SOM神经网络的故障隔离方法来实现故障监测。
图2APU在大型民机上的安装位置
图3典型的APU辅助动力装置
飞机发动机燃油系统的基本作用如图4所示。
图4发动机燃油系统的基本作用
航空发动机燃油系统具体来讲也是发动机燃油分配与控制系统,其主要作用可以分为以下三类:
(1)将清洁燃油输送至发动机燃烧室,并与空气充分混合燃烧对涡轮作功,这也是发动机燃油系统最重要也是最核心的作用。
(2)向发动机燃油系统中各种伺服机构供给清洁、流动性良好且不结冰的燃油,此时燃油作为液压油来完成各种伺服机构的作动。
(3)对发动机滑油以及IDG(IntergratedDriveGenerator)中的滑油进行冷却,防止滑油温度过高,从而间接保持发动机的性能良好。
本文具体分析CFM56-5B,通过对发动机制造商、航空公司以及实践操作人员的实际运行手册和数据对燃油系统的每个主要部件的工作环境和运行状态进行较为细致的分析,而且列举并分析了燃油系统在实际运行中的常见问题;建立基于故障的SOM神经网络结构,自组织映射方法把来自发动机燃油系统的多维度测量数据,映射在一张自组织图上来表示发动机健康状态的发展轨迹,这些轨迹由自组织映射图上的一系列点迹组成,它们中的每一个参数都对应发动机燃油系统多维参数的二维映射,从而更方便的可视化燃油系统的监测数据。
异常的老化或失效的出现会使轨迹发生偏移。
通过对多维监测数据的自组织映射成二维图,可以为状态监控工程师进行状态监测提供辅助。
最后,利用Java程序语言,将上述模型、算法集成到民机PHM开发与验证平台上,实现监控与健康评估体系在工程上的应用。
三国内外研究的技术现状分析
1、航空维修思想的发展
航空维修思想指导航空维修业实践,是所有航空机械维修方式和规则产生的根本依据。
在20世纪40年代前,机械制造技术还不发达,航空维修思想以“事后维修”为主;20世纪40年代至50年代中期,航空维修的指导思想是以预防为主的维修四项;20世纪60年代,全球各大航空企业大力主张由“以预防为主”向“以可靠性为主”的转变;20世纪80年代,全系统全寿命管理被作为一种新的理念被充分运用到飞机维修;21世纪,随着人类对自然环境的关注,又产生了以可持续性发展为核心的绿色航空维修思想。
2、民航发动机部附件维修工作的研究现状
长期以来,西方发达国家对于航空发动机可靠性的研究,不论是理论研究还是实际运用的技术水平,都长期处于国际领先地位。
以通用电气公司、罗罗公司和普惠公司三大航空发动机制造商为代表的航空发动机制造公司,对于航空发动机维修领域中的可靠性研究起步较早,在发动机全寿命周期的各个环节,如设计、制造、运行和保障等,都拥有着丰富的理论和实践经验。
各发动机制造商多年积累的海量可靠性数据,为其针对发动机可靠性的研究提供了大量样本。
就中国民航而言,所有民航使用的发动机都是国外厂商设计制造的,因而涉及知识产权保护和技术封锁等方面的问题,发动机制造商向我国航空公司提供的发动机可靠性分析方案,仅仅提供了概述性的思路,几乎没有详尽的分析模型和计算方法。
此外,由于飞机发动机实际运营环境和实际运用时出现偏差,导致维修计划的制定不够科学合理。
所以国内的航空公司必须结合实际,根据发动机的运行情况进行合理的维修计划分析。
但是事实上,目前国内的航空公司,还不具备结合实际进行分析的能力,所以通常情况下,还是原封不动地按照厂商推荐的维修计划文件中的周期来确定维修项目的周期,或者只是简单地统计和平均故障间隔时间或平均寿命等数值,即使引入分布模型,也是在历史经验的基础上直接套用标准分布。
这些方法虽然有一定的价值,具有一定的科学和参考意义,但是如果假设条件不成立,或者参数模型选择不当,不仅不能很好的利用数据,还可能产生严重的错误,在较大程度上造成资源浪费和安全性片偏低。
3、发动机部附件健康性能评估的国内外研究现状
对发动机健康性能的研究相对于国外来说还处于初步阶段,国内具有重要影响力的研究主要有:
左洪福、张海军、任淑红等对发动机性能评估做过相关的探索:
像“民航发动机性能评估方法与视情维修决策模型研究”、“民航发动机性能可靠性与在翼寿命预测方法研究”和“民航发动机健康管理技术与方法研究”,从大体上初步给出了对发动机性能评估的方法以及与之对应的模型的研究,并取得了一定的成果。
瞿红春、曹惠玲、李书明等先后完成了“一种基于信息熵的航空发动机性能评估方法”、“一种基于主成分分析的航空发动机性能评估方法”、“基于信息熵-模糊理论的航空发动机性能评估”、“基于贝叶斯融合的柴油机性能状态评估方法研究”、“航空发动机健康评估研究”、“航空发动机健康等级综合评价方法研究”等,定量的从数据对发动机进行了精确分析,或者定性的对发动机模糊分析。
应用了各种比较传统的方法,例如:
信息熵的方法、主成分分析法、层次分析方法等。
国内在航空发动机性能评估方法起步较晚在研究方面,但这些年来也逐渐认识到研究工作的迫切性和重要性,跟踪研究了国外的一些相关技术,主要在理论方面做了一些研究工作。
其方法也相对比较传统,随着人们对发动机的性能评估要求越来越精确和完美,越来越多的学者也开始利用各种各样的方法对发动机的性能进行评估,从而对发动机性能评估的问题指明了一条更加明亮的途径和技术路线。
国外对发动机健康性能评估系统的研究较早,基本与目前先进的相关理论研究同步。
文献引入两种较为新颖的方法对燃气轮机进行性能分类,即傅里叶和单隐层神经网络法,其结果表明这两种方法是较为准确的,并证明了该方法比反馈网络法更优。
文献提出了基于神经网络与卡尔曼滤波相结合的性能评估方法,并写明了卡尔曼滤波方法相对神经网络方法的优点。
文献对神经网络方法做了深入研究,提出了适用于燃气轮机气路性能的神经网络算法与结构,其结果准确的评估出了燃气轮机的性能。
文献对模糊神经网络理论做了相对深入的研究,得出了有效的燃气轮机评估方法。
在国外发动机健康性能方面已经发展出了成熟的评估方法体系以及相应的软件系统,如普惠公司Pratt&Whitney(PW)的EngineHealthManagement(EHM)等软件系统、罗罗公司Rolls-Royce(RR)的ConditionMonitoringandPerformanceAnalysisSoftwareSystem(COMPASS)和通用公司GeneralElectric(GE)的SystemfortheAnalysisofGasturbineEngines(SAGE),这些系统中包括发动机的发动机健康管理系统(EngineHealthyManagement,EHM)。
四课题研究的必要性、重要性和意义
航空发动机被誉为工业的“心脏”,其正常运行关乎到飞机的安全、效益,是制造商、航空公司以及适航审定局方部门重点关心的对象。
在航空发动机中,除了进气道、压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管等五大主要部件外,还有一些保证运行的附件系统。
如起动系统、燃油系统、滑油系统和辅助动力单元(APU)等。
另外,在发动机系统中一些主要的附件(如滑油泵、燃油泵)都安装在附件齿轮箱内。
这些部附件以及子系统的系统监测与性能评估对于发动机系统的整体检测与评估至关重要。
随着我国大型民用飞机的下线和投入使用,研究民航发动机部附件的健康监测也显得日益重要。
民航发动机被称为民航飞机的“心脏”,保证其安全性和降低维修运行成本成为民航企业运营发展的首要问题。
民航企业在发展的过程中面临着两个主要突出的矛盾,即“发展与安全”和“安全与效益”之间的矛盾,主要体现在以下的几个方面:
1、航空发动机长期在高温、高压、高转速、高负荷的恶劣条件下进行循环工作。
其结构复杂、具有可修复性,由极多的附属部件系统组成的庞大的系统。
发动机任何一部分的故障都可能会导致飞机发生大小事故,甚至引起一些毁灭性的灾难,对飞机的安全飞行有着重要的影响。
随着当今航世界对空发动机设计水平和对发动机性能要求的提高,使其设计结构越来越复杂,但结构越复杂,影响发动机可靠性的因素就越多,因此,实现对飞机发动机的科学管理才能有效保证飞行安全。
2、民航发动机是一个具有可修复性的且高度复杂的系统,每台发动机高达数百万甚至上千万美元,备发维护成本几乎占到航空公司总运营成本的百分之五十左右,高昂的备发成本也就成为了制约航空公司正常运营的一个重要影响因素。
从发动机维护角度讲,每台发动机的全寿命维护成本更是直接影响着航空公司的运营。
其维修成本大约占到购买单台发动机价格的百分之六十,占航空公司所有维护成本的37%左右。
因此,降低发动机的维修成本对民航业的发展具有十分重要的意义。
民航飞机健康管理思想是在飞机状态监控技术的基础上提出的。
随着科学技术和计算机网络的发展,飞机性能检测技术也取得了较快进步。
波音公司是率先将PHM应用到民航领域的,并开发了我们非常熟悉的飞机健康管理系统(AHM),目前该系统几乎应用于全球一大半以上航空公司的飞机运营管理部门。
世界上最大的飞机发动机制造商如普惠、通用等发动机公司也都在研发自己的发动机健康管理系统(EngineHealthManagement,EHM)。
与目前比较成熟的机队可靠性管理不同,健康管理的管理对象是单架飞机,它通过获取单架飞机的警告信息、故障信息和飞机发动机状态信息,经过地面分析系统的处理来监控飞机发动机的运行状态和评估本架飞机的健康状态。
发动机作为飞机整机的核心部分,发动机的健康管理也具有很重要的地位,发动机的健康状况也成为影响单架飞机健康状态的主要因素。
就发展现状而言,飞机发动机的健康管理也是当前飞机健康管理的主题内容。
在飞机健康管理中,核心部分就是发动机实时监控系统。
就目前工程应用的现状来看,实时监控技术在民航的应用,大大缩短了机务技术人员维护飞机的排故时间,显著提高了航空公司的运营效率,极大地降低了航空公司的运营成本,并且还提升了航空公司的服务质量。
因此,构建自主知识产权的、合理高效的实时监控系统就非常必要。
如今,国内各科研院所、国内航空公司、国内的飞机制造公司对飞机发动机实时监控系统的研究和开发力度还不够。
针对这一现状,本课题通过分析QAR数据,以航空发动机为切入点,对民航发动机及其部附件实时监控系统的框架结构和关键技术做进一步研究,希望本课题能为我国研发自主知识产权的民航发动机实时监控系统提供一定的帮助。
表二
课题研究方案
(包括具体的研究目标、研究内容和拟解决的关键问题;拟采取的研究方法、技术路线、实验方案及可行性分析)
一研究目标
本课题的研究目标是开展民用飞机发动机起动系统、燃油系统和辅助动力系统(APU)健康评估与故障诊断模型方法研究,实现状态监测参数选择、特征提取、健康监测与评估、性能退化预测与故障诊断模型方法研究与验证,支撑民机基于PHM维修模式的应用。
利用Java程序语言,实现所研究的方法模型的工程应用。
二研究内容
本课题具体研究内容包括以下方面:
1、B737NG发动机起动系统、燃油系统和辅助动力系统(APU)工作原理及常见故障模式分析:
主要通过查阅相关文献资料,包括B737NG各种维修和排故手册,如AMM、FIM等手册。
掌握飞机发动机起动系统、燃油系统和辅助动力系统(APU)的构造和工作原理,分析以上三者故障模式,分析传感器、起动机、起动活门等起动系统关键部件的故障模式、机理和影响结果
2、起动系统、燃油系统和辅助动力系统(APU)监测参数分析及特征值提取方法研究:
分析目前已有的监测数据采集、存储与译码处理方法,研究特征值提取方法,建立覆盖性广、有效性强的起动系统、燃油系统和辅助动力系统(APU)监测参数体系和特征值提取方法。
3、基于监测数据的飞机起动系统、燃油系统和辅助动力系统(APU)健康评估方法研究:
借助实验室已有的研究成果,根据行业最新的技术发展和理论创新,拟采用基于马氏距离模型、多尺度支持向量机或自组织映射(Self-organizingMaps,SOM)等方法对飞机起动系统、燃油系统和辅助动力系统(APU)开展健康评估研究和性能退化趋势研究。
4、起动系统、燃油系统和APU故障诊断模型方法研究:
对于飞机上述系统故障诊断方法的研究,拟采取基于自映射神经网络或基于贝叶斯网络的方法进行排故和诊断方法研究。
5、验证研究,利用MATLAB工具实现发动机起动系统、燃油系统和APU健康评估与故障诊断模型算法的开发,开发B737NG起动系统健康监测与维修决策支持系统原型,以某航空公司的B737NG机型的实际运行数据为基础,结合航线维修和排故记录,开展本文研究所提出模型方法的验证,评估其虚警率和漏警率等性能指标。
6、工程实现。
利用Java程序语言,将所开发的算法模型集成到“民机PHM开发与验证平台”上,最终实现工程应用。
三拟解决的关键问题
本课题开展飞机起动系统、燃油系统和APU监测与健康评估研究,关键问题包括:
1.起动系统、燃油系统和APU在线监测参数分析与特征值提取
2.健康评估与性能预测模型建立
3.航线故障隔离技术
4.基于MATLAB工具实现健康评估与故障诊断模型算法的开发
5.利用Java程序语言实现模型算法的工程应用
四拟采取的研究方法、技术路线、实验方案及可行性分析
为保证开展飞机起动系统、燃油系统和APU状态监测与健康评估研究和解决关键技术问题,本课题拟采取的研究方法:
1.查阅相关文献资料。
掌握飞机发动机部附件系统(尤其是起动系统、燃油系统和APU)的构造和工作原理,分析起动系统传感器、起动机、起动活门、燃油流量活门、APU发电机等系统关键部件的故障模式、机理和影响结果;
2.分析目前已有的监测数据采集与特征值提取的方法,研究覆盖性广、有效性强的监测参数体系和特征值提取方法。
主要分析波音737飞机起动系统、燃油系统和APU健康监测参数体系,分析系统健康评估对监测参数的需求,评估目前系统状态监测对常见故障的覆盖率及有效性,提出新的监测参数需求及故障覆盖能力,再结合工程实际需要和目前航空公司对飞机状态监测水平,研究有效监测数据采集与特征参数提取方法;
3.研究基于状态监测数据的飞机起动系统、燃油系统和APU健康评估方法。
借助实验室已有的研究成果,根据行业最新的技术发展和理论创新,拟采用马氏距离模型、多尺度支持向量机或自组织映射(Self-organizingMaps,SOM)等方法对飞机起动系统性能退化趋势进行研究。
并利用某航空公司飞机起动系统、燃油系统和APU故障信息和使用情况数据验证。
4.对于飞机起动系统、燃油系统和APU故障诊断方法的研究,拟采取基于自映射神经网络或基于贝叶斯网络的方法进行排故和诊断。
并利用某航空公司飞机系统系统故障信息和使用情况数据验证。
本课题从飞机起动系统、燃油系统和APU构造、工作原理和关键部件的故障模式、表现特征、故障原因和影响结果开始研究,调研目前航空公司状态监测技术和现有的监测参数体系,提出新的监测参数需求及故障覆盖能力,研究满足健康评估需求的监测参数清单和特征提取方法;建立基于监测数据的起动系统健康评估以及故障诊断的方法模型,利用Matlab工具实现系统健康评估与故障诊断模型算法的开发,以某航空公司的B737NG机型的实际运行数据为基础,结合航线维修和排故记录,开展本文研究所提出模型的验证研究。
本课题拟采取的研究技术路线如下:
研究基础
(包括与本项目有关的研究工作积累和已取得的研究工作成绩;课题研究现有的基础和已具备的实验条件,可能遇到的困难或问题和拟解决的途径和措施等)。
现有的基础和已具备的实验条件:
本课题已有的理论基础:
1.已阅读多篇有关飞机起动系统、燃油系统和APU状态监测、故障诊断与健康评估方面的文献资料,并对系统构造、工作原理及关键部件的故障模式、原因及故障结果等研究分析;
2.学习了故障诊断、预测与健康管理技术,可靠性等相关课程,具备了研究起动系统、燃油系统和APU系统状态监测与健康评估的基础知识储备;
3.对一些常用的预测模型和故障诊断模型已有初步了解。
4.熟悉Java程序语言,具备一定的编程基础。
本课题具备的研究条件:
1.实验室与多家合作单位研究过民机系统的状态监测与综合健康管理方法,对起动系统、燃油系统和APU状态监测、仿真建模及健康评估研究有一定帮助;
2.相关合作单位提供比较全面的飞行数据。
从中提取飞机起动系统、燃油系统和APU故障信息数据以及系统健康评估信息,有助于预测和诊断模型方法的验证和进一步研究。
3.课题组与某信息科技公司合作开发了“民机PHM开发与验证平台”,实现了算法和模型的工程应用。
可能遇到的困难:
1.状态监测参数体系和特征提取方法确定问题;
2.基于监测参数与模型的健康评估方法建立与验证问题;
3.系统级别的故障诊断模型准确度问题;
4.Java程序语言的编程问题。
拟解决的途径和措施:
1.在状态监测参数体系和特征提取方法确定问题上,查阅相关文献资料寻求新的思路和解决方法,请教从事相关研究的同学、学长、老师和专业技术人员;
2.故障预测和诊断模型建立上,比较国内外最新使用的多种预测和诊断模型,并利用相关合作单位提供数据加以验证,最终选取最为理想的预测和诊断模型。
3.继续深入学习Java程序语言,积极咨询某信息科技公司,尽可能得到其软件工程师的帮助。
研究计划和进度
序号
时间
研究内容
1
2017.10-2018.01
查阅相关国内外文献资料,完成飞机起动系统、燃油系统和APU关键部件故障模式、原因及故障结果等研究分析。
并深入学习Java程序语言。
2
2018.01-2018.04
分析目前已有的有效监测数据采集与特征参数提取方法,结合工程实际需要和目前航空公司对飞机状态监测水平,研究有效的监测数据采集与特征参数提取方法;
3
2018.04-2018.07
建立基于状态监测参数的发动机部附件系统健康评估模型,对关键部件进行性能退化趋势研究,并利用某航空公司提供的飞机空调系统故障信息数据加以验证。
4
2018.07-2018.10
建立飞机发动机部附件系统故障诊断模型,并利用某航空公司实际故障信息数据来验证故障诊断的准确性。
并利用Java程序语言,将故障诊断模型集成到“民机PHM开发与验证平台”上。
5
2018.10-2019.02
撰写硕士毕业论文,进行修改定稿,准备答辩。
预期研究成果
1.研究飞机起动系统、燃油系统和APU状态监测参数新体系和特征提取方法;
2.研究基于监测数据和仿真模型的飞机起动系统、燃油系统和APU健康评估方法;
3.建立发动机部附件系统级别的故障诊断方法;
4.将诊断方法与模型集成到“民机PHM开发与验证平台”上;
5.发表相关论文1-2篇。
研究经费预算与来源(含支持本课题的项目编号)
表三
参考文献(应有20篇以上)
文献综述(不少于6千字)
开题报告专家组考核意见
(包括专家组提出的意见和建议,总体考核结论:
通过、修改后通过或不通过)
专家组成员(签字)
年月日
导师意见
导师(签字):
年月日
系意见
负责人(签字):
年月日
学院
意见
负责人(签字):
年月日
备
注
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- 关 键 词:
- 系统 健康 评估 故障诊断 方法