航空發動機故障診斷技術現狀及發展研究

董超

(中國南方航空股份有限公司北京分公司飛機維修廠，北京100621)

航空發動機故障診斷技術現狀及發展研究

董超

(中國南方航空股份有限公司北京分公司飛機維修廠，北京100621)

近幾年，隨著我國國防科技力量的增強，我國在自主航空設備研發上取得了突破性進展。航空發動機是航空設備的重要組成部分，是其動力源泉。因此，一旦航空發動機產生故障，會嚴重影響航空設備的性能和安全。從航空發動機故障診斷技術入手，對航空發動機故障診斷技術的應用現狀深入分析，研究其未來發展方向和發展趨勢，為進一步提升我國航空發動機的安全性與穩定性奠定基礎。

航空發動機；故障診斷技術；發展

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.09.032

1 航空發動機及其故障診斷

航空發動機是為航空設備飛行提供動力的裝置，是一種高密度、高精度、高復雜的熱力學機械設備，是影響飛機性能的主要因素，也是評判一個國家科技、工業和國防力量水平的重要指標。當前，我國航空發動機主要分為活塞式航空發動機、燃氣渦輪發動機和沖壓發動機3種。航空發動機故障診斷技術的主要任務是對航空發動機系統的故障進行檢測，分析故障類型，確定故障位置，實施故障恢復。因此，故障診斷不僅是單一地對故障進行檢測，還必須具備后續的技術手段。故障診斷是一個完整的系統，可以在該系統內實現對航空發動機的檢測與修復。對故障診斷技術判斷的性能指標主要包含及時性、靈敏性、準確性、安全性、適應性和分離性。其中，及時性主要指系統故障發生后能夠在最短的時間內檢測到故障的發生點。

2 航空發動機故障診斷技術現狀

2.1 lMOS-ELM診斷技術

IMOS-ELM診斷主要是利用OS-ELM算法對飛機內部的計算機網絡進行故障矩陣推算，從而實現故障診斷。當前我國主要是在發動機傳感器故障診斷中應用IMOS-ELM診斷技術。因為傳感器是航空發動機控制系統的關鍵因素，在其處理和完善的過程中需要利用技術處理實現故障改進，分析多元件故障，提高飛機發動機系統運行性能和安全性能。

IMOS-ELM診斷技術具有準確性高、修正性高的特征。航空發動機故障診斷中應用IMOS-ELM診斷技術不僅可以對其傳感器故障進行診斷，還可以應用于不同的系統元件故障診斷中。

2.2 油液分析診斷技術

當前我國航空發動機應用油液分析診斷技術主要是對其發動機的磨損故障進行診斷，利用航空發動機油液所攜帶的設備工作情況來對設備的工作狀況及問題進行判斷，從而實現預防性維護的目的。我國航空發動機應用的油液分析診斷技術包含光譜分析技術和鐵譜分析技術。

1）光譜分析技術即利用物質吸收能之比與物質自身性質比之間的關系，測定物質發射或吸收光譜的波長和強度，分析物質元素成分和含量的變化，實現航空發動機元件的故障檢測和分析，利用光譜分析的油液分析診斷技術能夠在保障飛行安全的前提下，降低飛機的維修費用，延長飛機發動機的壽命，確定最佳換油期。因此，被廣泛應用于我國航空發動機磨損故障診斷中。

2）鐵譜分析技術主要是利用高梯度磁場作用，在發動機系統內部采集油樣，分離油樣中的磨損顆粒，按照磨損顆粒在普片上的排列情況、形狀、大小、數量等定性和定量分析設備的運轉情況，診斷設備故障點和故障原因。目前，鐵譜分析技術在航空發動機磨損故障檢測中應用并不廣泛，其主要原因是鐵譜分析技術需要在特定的高梯度磁場作用下才能實現設備運行分析，而飛機在運行的過程中無法開展該項檢測工作。此外，鐵譜分析技術的取樣和現場分析時間相對較長，不利于故障的及時診斷和處理。

2.3 解析模型診斷技術

解析模型故障診斷技術應用過程中將航空發動機的可信信息與模型表達信息進行驗證、比較、殘差處理，實現解析模型故障技術的應用。當前我國航空發動機解析模型診斷技術主要分為狀態評估法、參數評估法和等價空間評估法。

1）狀態評估方法主要是通過評估系統的狀態情況，結合適應模型的狀態數據對航空發動機進行監測和診斷，利用構成殘差序列，將殘差序列的矛盾點構成模型序列，最終利用統計檢驗的方式將故障進一步分離、預估、決策，實現對航空發動機的故障檢測。航空發動機數學模型的高維、非線性的復雜性決定其在自動化控制方面需要精密的狀態檢測儀器和設備，這樣才能保證航空發動機系統的復雜性和穩定性。

2）參數評估法主要是根據航空發動機參數的變化特征和規律對其故障進行診斷。航空發動機在應用參數評估方法的過程中，在故障與參數之間建立了數學模型，利用有效參數評估的方法，選擇適當的參數對其進行統計學決策處理，分析故障的發生點。因此，參數評估法的參數和數量確定至關重要。

3）等價空間評估法近幾年應用于我國航空發動機故障診斷中。主要是利用航空發動機系統的輸入、輸出的實際測量值與模型值一致性確定航空發動機的故障，并且實現故障分離。例如，在航空發動機磨損故障檢測過程中利用發動機的原始數據建立模型，對其實際的輸出、輸入磨損值進行檢測，實現磨損點的確定，并且采用非線性模型修改的方式實現特定故障的分離和修正。因此，等價空間評估方法適用于多種航空發動機故障診斷檢測[1]。

2.4 信號處理診斷技術

信號處理診斷技術主要是根據航空發動機控制系統信號模型的幅值、相位和頻率的不同性、相關性確定發動機與故障源之間的關系。目前我國航空發動機故障診斷中應用信號處理診斷技術主要包含主元分析法、小波變換診斷分析法和利用δ算子診斷分析法。

（1）主元分析法主要是利用飛機發動機飛行過程中的歷史數據建立主元分析法，在正常數據的主元模型基礎上利用實測信號和模型信號之間的沖突關系，實現對航空發動機的故障診斷。（2）小波變換診斷方式主要是利用時頻分析法對信號進行小波變換，從而利用小波變換后的奇異點分析系統的故障點，明確航空發動機故障點的位置。（3）利用δ算子診斷分析法主要是在δ算子的空間內部用最小M乘正交投影向量集，推導完整格形濾波器，建立故障檢測濾波器。在使用δ算子對航空發動機實施故障診斷的過程中，是根據δ算子的描述性預測誤差向量的元素關系，實現故障敏感度的診斷。

3 航空發動機故障診斷技術的發展

3.1 便攜診斷技術的發展

近幾年，隨著我國信息技術水平的逐漸提升，在航空發動機故障診斷技術的改進和創新上，開始針對其診斷技術應用的便攜式進行創新。我國在國防軍事技術發展中已經開始實現便攜式武器設備的研發，如便攜式偵查定位設備的自主研發，在提升了偵查定位設備準確性的同時，強化了設備使用的方便性。因此，便攜式航空發動機故障診斷技術的創新也必將成為其主要發展方向之一。此外，當前我國航空發動機故障診斷技術在其診斷范圍和精確性上相對較為全面，但是部分檢測技術存在檢測便攜性較差的特征。因此，針對航空發動機故障診斷技術的便攜式研究已成為航空發動機故障診斷技術創新的發展方向。

3.2 嵌入式診斷技術的發展

美國海軍自主研發了海軍CH-53E超級海種馬直升機，該直升機的診斷設備中采用的是嵌入式診斷技術。嵌入式診斷技術利用機械診斷、狀態診斷、綜合監控診斷的方式對飛機的實時數據進行搜集和整理，在其飛行的過程中用于自身故障診斷，利用飛機網絡系統與地面網絡系統建立直升機狀態信息數據更新系統，對其數據進行雙重分析，實現雙重分析診斷。因此，嵌入式診斷技術不僅能提高航空發動機故障診斷的準確率，還能夠縮短診斷時間，是航空發動機診斷技術未來的主要研究方向。

當前我國在航空發動機診斷技術創新研究的過程中利用系統自身的檢測能力，在航空飛行設備內部建立獨立的評估系統，對航空發動機的異常和故障進行診斷，實現嵌入式航空發動機診斷。但是，在其自主獨立系統建立的過程中仍然需要進一步對其進行完善。例如，在對航空發動機磨損故障診斷的嵌入式診斷技術研究過程中，利用模型對比診斷分析的方式建立嵌入式診斷檢測設備，該種診斷分析方式并不能夠滿足發動機實時數據診斷檢測。因此，在我國航空發動機故障診斷嵌入式技術的自主研發上仍然需要不斷地創新和發展。

3.3 智能人工診斷技術的發展

設備的智能化發展是當前世界各國在技術自主研發上的主要發展趨勢，未來我國航空發動機故障診斷技術也必將朝著智能人工診斷技術的方向發展。智能人工診斷技術可以實現飛機發動機智能診斷，提高診斷的精確度，節省人力、物力和財力。航空發動機智能人工故障診斷發展過程中將從模擬人的神經元網絡系統，在模糊理論的基礎上建立智能人工診斷。人工神經元網絡是利用信息技術處理方式，模擬人的學習、記憶方式，對數據信息實施處理、存儲、檢索、分析等，實現智能信息搜集和問題判斷。此外，智能人工診斷技術的發展能夠從信息技術和人工智能化2方面滿足當前市場技術發展需求。在強化航空發動機故障診斷技術準確性的同時，實現故障診斷的全智能化，節約故障診斷時間，提高故障診斷的準確性。因此，智能人工故障診斷技術是未來航空發動機故障診斷的主要發展方向之一[2]。

根據對當前我國航空發動機故障診斷技術現狀分析，在其應用上主要包含IMOS-ELM診斷技術、油液分析診斷技術、解析模型診斷技術和信號處理診斷技術。為進一步實現航空發動機的便攜性、安全性和可靠性未來需從便攜診斷技術、嵌入式診斷技術和智能人工診斷技術3個方向發展，實現我國航空發動機故障診斷技術的創新。

【1】馬安祥，李艷軍，曹愈遠，等.基于免疫理論的航空發動機磨損故障智能診斷[J].航空學報，2015,6(7)∶1896-1904.

【2】楊東山，寇應展，田海寧.齒輪箱系統故障診斷技術的現狀及發展簡述[J].機械工程與自動化，2014,2(1)∶223-224.

Status and Development of Fault Diagnosis Technology for the Aeroengine

DONG Chao
(Beijing Branch Aircraft Maintenance Factory of China Southern Airlines Co.Ltd.,Beijing 100621,China)

In recent years,along with the improvement of the national defense science and technology,China has made great progress in developing device independence.The aeroengine is an important part of the aviation equipment,as the source of its power.As a result, aeroengine fault will seriously affect the performance and security of aviation equipment.From the fault diagnosis technology for the aeroengine,its application status is analyzed,and the future development direction and trend are studied to lay the basis for further improvement of the aeroengine security and stability in China.

aeroengine;fault diagnosis technology;development

V263.6

A

1007-9467（2016）09-0073-03

2016-08-12

董超（1987～），男，天津人，工程師，從事飛機的航線維護及技術維修研究。