基于卡爾曼濾波的CFM56-7B發動機滑油消耗異常監控方法

全紅兵 甘力中

摘要：現行CFM56-7B發動機滑油檢查、添加勤務工作方式存在人力投入高、數據不精確等問題。本文提出了通過報文采集滑油數據，結合卡爾曼濾波算法建立模型，計算每個航班滑油消耗率，并對異常情況進行報警的監控方法。該方法效率更高，可協助航空公司提升航班運行的安全性和經濟性。

關鍵詞：CFM56-7B；發動機；滑油；卡爾曼濾波；監控

Keywords：CFM56-7B；engine；oil；Kalman Filter；monitoring

0 引言

CFM56-7B發動機廣泛應用于波音737NG機型，其中滑油系統具有潤滑、冷卻、清潔、防腐等功能，是發動機上的重要系統?；拖到y非正常滲漏導致滑油消耗率高是CFM56-7B發動機的典型故障之一，因此有必要收集發動機滑油相關數據并對滑油消耗率進行持續監控，以降低滑油系統故障對機隊運行的影響。

傳統發動機滑油消耗率監控方法要求勤務人員在飛機過站或航后工作時檢查發動機滑油量，并按工作單要求添加滑油，根據添加量計算滑油消耗率。對發動機滑油系統是否有滲漏故障的判斷是依據計算結果和趨勢分析獲得的，該方式在獲取數據的準確性和及時性上存在風險，并且僅能發現滑油消耗率極高的情況。

通過飛機狀態監控系統（ACMS）報文，可以在不接近飛機的情況下實時獲取發動機滑油量數據和工作時間，然后根據系統原理建立模型計算滑油消耗率，當滑油消耗率超限或呈現持續增長趨勢時產生報警。應用此方法可以提高對所獲滑油添加數據的準確性和發動機滑油消耗監控的及時性。

1 滑油系統

CFM56-7B發動機滑油分配系統包括供油路、回油路、通氣管路。圖1為CFM56-7B發動機滑油系統示意圖。

供油路向發動機齒輪軸承等部件提供清潔的滑油進行潤滑和冷卻?；蛷幕拖浣涍^防漏活門到潤滑組件（包括供油泵、供油濾），然后到達下列潤滑部位：前收油池、后收油池、轉換齒輪箱（TGB）和附件齒輪箱（AGB）。

回油路從發動機潤滑部位到潤滑組件（包括磁性金屬探測器、回油泵），經過回油濾到伺服燃油加熱器，然后流到主滑油燃油熱交換器，再次經過伺服燃油加熱器流回滑油箱。

通氣管路連接滑油箱和前收油池是為了平衡收油池內部空氣壓力與外界的大氣壓，使收油池內外殼體之間的壓力始終高于收油池內部的空氣壓力，從而形成對收油池的增壓。

由于滑油箱高于滑油系統其他部件，當發動機關車后，防漏活門關閉，防止滑油箱油量減少或者在拆卸滑油系統部件時油箱中滑油流出。當發動機不工作時，防漏活門被彈簧保持在關位。發動機工作時，后收油池滑油壓力保持活門打開。

2 算法思路

卡爾曼濾波是一種利用線性隨機系統狀態方程和觀測方程對系統狀態進行最優估計的算法。由于觀測數據中包括系統中的噪聲和干擾的影響，其最優估計可視為是濾波過程。具體而言，卡爾曼濾波模型假設k時刻的真實狀態是從k-1時刻的狀態演化而來。假設滑油消耗服從以下卡爾曼濾波模型：

由于滑油添加工作是在發動機關車后5～60min內進行的，在未加油時可將前后航段的差值視為滑油消耗量，添加滑油后則需要建立油量減少函數f以計算油耗量。

3 建立模型

首先需要判斷相鄰航段間是否有加油，可利用發動機關車時滑油量差值

和的關系來區分加油和未加油的情況。對～擬合函數g（GDTk），當>g（GDTk）時則判定可能有加油。

對于采集到的波音737NG機隊數據樣本進行篩選，其中未加油航班的油量減少數值和GDTk關系如圖2所示。

然后，使用非線性最小二乘法得到相關參數估計值。

4 數據預處理

為降低誤報率，有必要對原始數據進行清洗和平滑等預處理。本文對滑油消耗的分析主要涉及滑油量和時間。由于滑油量數據經過勤務檢查驗證基本可靠，清洗主要針對spt和GDT時間數據。

對于spt，先建立一個基于航段的spt分布表，然后計算歷史記錄中可靠的時間數據的分位數，由此判斷給定航段的spt是否處于歷史航段spt分布的正常范圍內，找出時間異常點。

對于GDT，按照關車后油箱內油溫下降速度服從牛頓冷卻定律，即與油溫和外界溫差成正比來計算：

6 方法應用

在地面飛機健康管理系統部署上述方法，可以使航空公司監控機隊發動機滑油消耗率狀態。地面系統通過ACMS報文獲取數據并計算滑油消耗率，對其中異常情況進行告警。從獲取數據到計算滑油消耗并報警的過程為系統自動運行，無需人工干預，相較傳統方式可大大減少勤務檢查工時，極大提升監控工作效率。

該方法投入生產運行后已成功監控到多次波音737NG機隊發動機滑油消耗量偏高事件并發出告警。圖4和圖5分別為波音737NG飛機運行中監控發現左發滑油消耗率趨勢漂移以及超限的案例。

監控到告警后，根據監控情況按手冊要求執行滑油滲漏檢查，更換潤滑組件磁堵封圈、燃油滑油熱交換器等部件，最終排除故障。

7 結束語

通過獲取CFM56-7B發動機滑油數據計算滑油消耗率，利用卡爾曼濾波抑制噪聲干擾，以及運用極大似然比的方法進行檢驗，提高了診斷準確率。將此方法與狀態監控系統相結合，能實時自動分析滑油消耗率突變和增大趨勢并發出實時告警，對發動機滑油系統滲漏風險進行評估和故障分析提供了決策支持。

通過前期投入實際運營及與傳統勤務方式并行，驗證了該方法的功能有效性，并獲取了大量反饋信息。下一階段將對數據采集、報警閾值等環節進行優化調整，以達到實時預測發動機滑油消耗趨勢，最終實現替代人工檢查滑油量勤務，降低過度維護成本，為航空公司提供安全性保障的同時帶來可觀的經濟效益。

參考文獻

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