基于競爭失效的航空發(fā)動機剩余壽命預測

王德廣

摘 要：多種多樣的失效模式之間相互影響，在本質(zhì)上看就是競爭失效的結(jié)果，這會增加航空發(fā)動機剩余壽命的預測難度。根據(jù)航空發(fā)動機的多種失效模式的相關規(guī)律、特點，指出了對航空發(fā)動機剩余壽命進行預測的大體框架、模型和相關的算法，也就是所說的在競爭失效的基礎上預測航空發(fā)動機的剩余壽命。

關鍵詞：航空發(fā)動機；機電系統(tǒng)；競爭失效；壽命預測

中圖分類號：V263.5 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.03.041

對于航空事業(yè)來說，航空發(fā)動機的可靠性管理是非常重要的一個環(huán)節(jié)，因此，對航空發(fā)動機的剩余壽命進行客觀、科學的預測越來越重要，對于航空發(fā)動機的剩余壽命預測來說，主要的難點有以下兩個方面：①如何綜合利用豐富的狀態(tài)檢測數(shù)據(jù)和較少的故障信息；②對系統(tǒng)復雜性能導致的失效模式進行處理，研究失效模式多樣性的相互影響關系及其引發(fā)的競爭失效問題。本文就針對基于競爭失效的航空發(fā)動機剩余壽命的預測進行了研究，通過對基于競爭失效的航空發(fā)動機剩余壽命的預測框架、模型以及相關的算法進行分析，對突發(fā)失效和退化失效的作用機制進行了研究，建立起一套針對競爭失效的處理方案，從而實現(xiàn)對航空發(fā)動機剩余壽命的預測，提升了航空發(fā)動機剩余壽命的預測準確度，同時也為相關的維修決策提供了科學、合理的依據(jù)。

1 航空發(fā)動機剩余壽命預測的基本框架

對于競爭失效基礎上的航空發(fā)動機剩余壽命的預測，大體思路有如下幾點。

1.1 結(jié)合風險控制原則

對航空發(fā)動機在突發(fā)失效模式和性能退化失效模式下的剩余壽命進行預測，同時與風險控制原則相互結(jié)合，這樣就能夠給航空發(fā)動機的維修決策及相關檢查提供科學依據(jù)。

1.2 利用狀態(tài)檢測數(shù)據(jù)

航空發(fā)動機出現(xiàn)性能退化的大部分原因都與突發(fā)失效有關，主要體現(xiàn)在突發(fā)失效的影響上。此外，航空發(fā)動機可以檢測到相當多的狀態(tài)檢測數(shù)據(jù)，這有助于通過量化性來推測失效影響的原因。

1.3 對失效因素進行評估

要想科學、合理地對競爭失效的航空發(fā)動機剩余壽命進行預測，就必須解決以下兩個重要問題：①描述航空發(fā)動機的性能退化軌跡；②綜合利用眾多的狀態(tài)檢測數(shù)據(jù)，合理評估航空發(fā)動機的退化情況，從而實現(xiàn)對其剩余壽命的預測。

1.4 采用合理的框架

利用科學的航空發(fā)動機框架來準確預測航空發(fā)動機的剩余壽命，要注意以下幾方面的問題：①航空發(fā)動機的故障信息比較少，要想依靠這樣的小樣本分析問題，就需要采用正確的分析方式，國際上大多采用貝葉斯方法來提高小樣本數(shù)據(jù)的利用效率；②Weibull建立了航空發(fā)動機競爭失效情況下的剩余壽命預測模型，通過Weibull的分布型參數(shù)來對性能退化的壽命變化規(guī)律進行描述；③我們可以在使用Weibull模型的基礎上，加入相關的分布模型，然后通過對相關數(shù)據(jù)的科學運用，學習性能退化失效與突發(fā)失效之間的作用關系。

2 航空發(fā)動機剩余壽命預測模型的建立

建立與航空發(fā)動機剩余壽命相關的模型，就需要對航空發(fā)動機的狀態(tài)監(jiān)測參數(shù)進行研究，而我們可以將航空發(fā)動機的狀態(tài)監(jiān)測參數(shù)看作是航空發(fā)動機性能退化的內(nèi)部協(xié)變量。航空發(fā)動機的狀態(tài)監(jiān)測主要包括以下幾方面內(nèi)容。

2.1 氣路性能的監(jiān)測

氣路系統(tǒng)部件是航空發(fā)動機的核心部件，其中有發(fā)動機的性能狀態(tài)變化熱力參數(shù)。

2.2 滑油的監(jiān)測

潤滑系統(tǒng)部件及其封嚴系統(tǒng)的狀況是滑油監(jiān)測的主要對象，適用于機械磨損類故障監(jiān)測與診斷。

2.3 振動的監(jiān)測

當磨損或者是損傷發(fā)動機轉(zhuǎn)子的時候，會產(chǎn)生一定的震動信號，通過發(fā)動機的高低壓轉(zhuǎn)子和其他部件的振動，就能夠?qū)Πl(fā)動機的損傷程度進行評估。

3 航空發(fā)動機剩余壽命的相關預測算法

3.1 融合監(jiān)測數(shù)據(jù)，評估性能的退化程度

我們通過貝葉斯的線性模型來進行計算，通過融合其豐富的狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用相關的計算公式來確立累計退化量和監(jiān)測參數(shù)的函數(shù)關系，然后計算期望值和方差值，根據(jù)累計退化量值和多元化的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，能夠在輸入新的監(jiān)測數(shù)據(jù)后，直接通過計算公式算出航空發(fā)動機的退化程度。

3.2 估算和預測航空發(fā)動機性能退化率

EGT是一個在航空領域比較重要的監(jiān)測值，我們可以通過該值的大小來判斷航空發(fā)動機的退化情況，然后針對不同程度的退化模式，通過計算公式來計算相關的退化率。在估算發(fā)動機退化率的基礎上，再利用貝葉斯方法對航空發(fā)動機未來的退化率進行預測。

3.3 預測發(fā)動機性能退化失效剩余壽命

通過預測到的航空發(fā)動機性能退化率的期望值來進行最后的運算，一般是采用Monte-Carlo仿真方法來對基于競爭失效的航空發(fā)動機剩余壽命進行預測。

4 結(jié)束語

本文把競爭失效問題分成了突發(fā)失效和性能退化失效兩個部分，并分別建立了相關的航空發(fā)動機剩余壽命的預測模型。該方法可以對監(jiān)測到的狀態(tài)數(shù)據(jù)進行充分利用，且能夠?qū)煞N失效方式之間的作用機理和轉(zhuǎn)化關系進行分析，從而了解競爭失效對航空發(fā)動機壽命產(chǎn)生的影響。對于一般情況下復雜系統(tǒng)在競爭失效情況下的壽命預測來說，還可以從其他方面入手研究，主要有：①對信息的融合情況進行研究，對監(jiān)測數(shù)據(jù)的相關特征建立模型，充分利用符合研究數(shù)據(jù)和工程特點的信息；②通過研究實際的失效問題，進一步地發(fā)揮模型的作用，并通過選擇科學、合理的模型技術，學習相關數(shù)據(jù)來分析多種失效模式的相互作用機制，從而提高航空發(fā)動機壽命預測的可靠性和準確度。

參考文獻

[1]王華偉，高軍，吳海橋.基于競爭失效的航空發(fā)動機剩余壽命預測[J].機械工程學報，2014（06）：197-205.

[2]王華偉，吳海橋.基于信息融合的航空發(fā)動機剩余壽命預測[J].航空動力學報，2012（12）：2749-2755.

〔編輯：王霞〕