航空制造設備故障預測與健康管理設備分析

李林

（中航飛機股份有限公司設備廠，陜西 西安 710089）

在世界航空事業的不斷發展下，各個國家的航空安全水平提升，在以往地面安全監控的基礎上借助先進技術形式打造了航空設備健康管理系統，有效提升了飛行設備的安全性和可靠性。航空設備健康管理系統一般包含航空設備的狀態檢測、狀態預警、故障診斷、故障評估、故障處理等。在航空設備健康管理系統的作用下能夠通過一系列措施評估、診斷和防范飛機故障，并生成相應的故障分析報告，為飛機的安全飛行提供良好支持，確保航班的高效運行。

1 航空制造設備故障預測與健康管理研究現狀

航空制造設備故障預測與健康管理是當前航空技術研究的一個熱點問題，對飛機運行保障起到了至關重要的作用。當前，國內外對航空制造設備故障預測與健康管理的主要研究囊括以下幾個方面的內容。

（1）失效機理。電子器件在制造之后，隨著長時間的使用，器件的性能會日益退化，出現失效現象。技術人員經過研究之后發現航空設備運行的失效機理主要包含熱載流子效應模型；時間類型絕緣介質擊穿模型；雙極晶體退化模型。

（2）借助應力損傷評估外界環境對電子器件使用造成的損傷。外部應力環境是引發電子設備故障的重要原因，這種危害集中落實在電壓、電流、溫度和濕度等層面。

（3）器械隨著時間的推移老化日益嚴重。在器件失效模式評估基礎上選擇和失效相關的物理量作為故障先兆，打造故障預測模型，通過監測特定電路性能參數來評估電子器件的性能，預測器件故障。

（4）故障預警。在整個電路板塊模板上設置故障預警電路。

從航空設備應用情況來看，其預警元件和板上的IC 電路屬于同一種類型器件，具備同樣的失效機理。

2 航空制造設備故障預測與健康管理技術應用復雜性分析

航空制造機電部件在完全損壞之前需要相關人員及時采取措施進行替換，而航空制造機電設備出現缺陷以及缺陷轉變為故障往往需要經過較長的時間，為設備故障的分析和預測造成了延緩。而電子設備的失效機理和機械設備失效機理呈現出十分顯著的不同，發生失效這一現象深受多種因素的干擾，突出表現如下。

（1）半導體器件和退化失效是一種微觀表現，很難應用有效的手段和技術進行檢測。

（2）VLSI 的集成度越高，內部檢測復雜度就越大。

（3）電子器件故障具有多發性和突發性的特點，很難應用有效的手段進行預測。

（4）單臺電子設備內部應用了大量不同的電子器件，無法實現對每一個器件的檢測。

（5）故障類型具有多源性的特點，且會隨著外部環境的變化而發生變化。

（6）不同電子器件的使用性能和使用壽命不同，在錯過維修時間之后難以再對其故障問題進行預測。

3 基于全生命周期的航空制造設備故障預測與健康管理

3.1 全面了解航電設備的使用狀態。

從健康管理角度上來看航電設備的狀態具體分為五種，分別是正常、錯誤、異常、故障、損壞。

（1）正常。正常狀態下的航電設備會按照既定的方式運行，設備的運行指標符合預定功能。

（2）錯誤。航電設備運行錯誤主要是指設備運行過程中突發性的、非預定狀態的故障形式。在消除引發故障的環境因素之后，航電設備往往能夠恢復到正常運行的狀態，并在運行的過程中逐漸實現自我恢復。

（3）異常。異常主要是指航電設備偏移預定的運行方式和既定的功能范圍狀態，突出表現為功能的降級。為了確保航電設備的穩定運行，在發現設備運行故障之后需要相關人員及時采取措施進行處理。

（4）故障。故障是航電設備不能夠執行規定的功能狀態，表現為功能的全部喪失。

（5）損壞。損壞是航空制造設備出現故障的部件不能夠制定規定的功能狀態，也無法被修復。

3.2 航空制造設備故障預測

引發航空制造設備故障的原因有很多，其中最為重要的一點是外部應力對航空制造設備的損傷。從航空制造設備的運行實際情況來看，當處于不同環境時，其所遭受的外界損傷是不同的。為了能夠規避外界環境對航空制造設備運行造成的損傷，需要相關人員全面搜集和整理航空制造電子設備生命周期內所能夠承擔的最大外界應力載荷，由此推斷出航空制造設備的損傷程度和實際使用壽命。另外，在航空制造設備中還需要嵌入多個傳感器，借助傳感器更好的感知外部荷載，了解溫度、濕度、振動、壓力、電流、電壓等對航空制造設備安全使用的影響。

航空制造設備電路的特點會伴隨的電子產品使用時間的延長而發生老化，為此，在使用航空制造設備的時候需要相關人員應用科學的方法、技術和手段等對航空制造設備器件、電路等失效模式進行精準的分析，通過分析選擇適合的物理量來評估故障先兆，幫助航空制造設備使用人員了解各個電子設備的基本性能，進而在設備出現使用故障的時候及時采取措施予以彌補。

3.3 航空制造設備健康管理基本信息獲取與處理

航空制造設備故障預測與健康管理的第一步是搜集整理航空制造設備健康管理基本信息，具體包含以下幾個方面的內容：第一，基本信息。航空制造設備在設計、生產過中所體現的正常狀態或者故障狀態數據信息。第二，工作信息。航空制造設備飛行過程中所表現的運行信息。第三，環境信息。航空制造設備運行中檢測到的能夠反映運行環境的技術數據。第四，歷史信息。 航空制造設備列裝后在使用維護過中所記錄的設備運行狀態信息。

3.4 航空制造設備健康監測

（1）基本模型打造。按照可靠性理論的要求，多數電氣器件失效率和時間之間會呈現出浴盆曲線狀態，長時間使用的航空設備不可避免的會出現老化問題，失效率近似一個常數，不僅如此，電子設備的失效率也遵從相似關系，失效率和設備故障間隔時間的關系如下：失效率=1/電子設備平均故障時間。基于不同航電設備不同器件失效率的不同特性，需要相關人員采取措施對航空制造設備實施全壽命周期的分階段健康管理，對各個設備失效的監測重點是設備失效的原因和失效率較高的器件類型。

（2）層式結構。航空制造設備是一個層式結構分布系統，底層是各個航電設備的健康管理，中層是航電子系統的健康管理，上層是航電系統的健康管理。第一，底層系統由各個設備內的BIT、FIRT、EST 共同組成，所有的信息會被傳遞到航空制造設備的子系統中。第二，中間層系統能夠提供必需的子系統監控和功能測試，由此能夠提升系統在復雜環境下的處理能力，確保整個子系統的穩定運行。第三，上層系統管理所有航電子系統，能夠對系統的故障運行進行監測分析，從而更好的評估整個航電系統的運行狀態。

（3）BIT 設計。BIT 內部電路一般由CPU、存儲器、可編程邏輯電路組成，在現代科學技術的發展下，越來越多功能的集成電路開始被人們應用到航電設備健康管理中，主要有兩種形式。第一種是由內置測試程序來對系統運行狀態進行檢測分析。模塊上的各個獨立軟件分區擁有獨立的BIET 軟件，在這個軟件的作用下能夠實時監控分區軟件的運行，了解軟件運行狀態，并記錄異常情況。模塊上還設置了專用的軟件分區，能夠實現對模塊分區信息的實時性監控。第二種是由整機級BIT控制的功能檢測系統，這個系統能夠有效處理來自各個模塊的BITE 信息，在必要情況下可以向被管理的其他模塊發送測試矢量命令，根據回送的數據信息來判定模塊運行情況。

4 結語

綜上所述，在航空航天技術的快速發展下，怎樣確保航空領域電子產品的安全性是科學研究領域學者們需要思考和解決的問題。通過對航空電子設備故障的預測和健康管理能夠有效提升航空電子設備應用的安全性、穩定性。為此，在新的歷史時期，需要相關人員強化對航空制造設備故障預測與健康管理的重視，在全面搜集整理航空設備運行信息的基礎上，應用先進的技術手段對系統故障進行評估和分析，并打造完善的航空設備健康管理結構，以期能夠更好的促進我國航空事業發展。