SH-60型機綜合診斷系統(tǒng)（HIDS）的診斷和預測能力開發(fā)

中國直升機設計研究所 高銘澤 陳圣斌

為診斷直升機健康和跟蹤部件的使用壽命，美國海軍空戰(zhàn)中心飛機部等多個單位共同啟動了直升機綜合診斷系統(tǒng)（HIDS）計劃，對一個原理樣機自動化系統(tǒng)進行了開發(fā)和試驗。HIDS 系統(tǒng)通過精確跟蹤直升機結構、動力傳動系統(tǒng)部件壽命和預測早期故障，可提高直升機的可靠性，提升維修效率，大幅降低壽命周期費用。同時，HIDS 系統(tǒng)產生的系統(tǒng)信息能用來指導基于狀態(tài)的維修工作，縮短排故時間并針對影響飛行安全的狀態(tài)向駕駛員發(fā)出告警。

該項目經(jīng)過供應商競標和綜合技術選擇，最終確定了2 個非生產型的技術綜合驗證系統(tǒng)。第一個是把可用的低風險監(jiān)控技術綜合成一個獨立的綜合機載系統(tǒng)，在帕塔克森特河海軍航空基地進行飛行評估和演示/驗證。第二個是使用新澤西州的特倫頓空軍基地獨有的，由T700 發(fā)動機、主傳動、減速器和全功率傳動軸構成的SH-60 機的傳動系統(tǒng)實驗室，通過非常密集地植入故障試驗記錄來評估系統(tǒng)部件診斷故障的能力。減速器的振動監(jiān)控是直升機監(jiān)控功能中最重要的部分，因此這些故障試驗主要集中于減速器的振動診斷。SH-60 直升機HIDS 系統(tǒng)提供了發(fā)動機監(jiān)控，主傳動和減速器的振動和滑油監(jiān)控、軸和支撐軸承振動監(jiān)控，飛行中的旋翼跟蹤和平衡能力。同時，HIDS 有飛行階段識別運算律，雖然該功能不是計劃的一部分，但是有利于監(jiān)控機體結構壽命。另外，HIDS 系統(tǒng)結構還包括先進的滑油金屬屑監(jiān)控和發(fā)動機氣路靜電監(jiān)控能力。

早在1995年，帕塔克森特河的海軍航空基地便在SH-60 平臺上開始了HIDS 的使用飛行試驗。為提高飛機安全性，還在海軍空戰(zhàn)中心飛機部的直升機傳動實驗室（HTTF）用第二個系統(tǒng)對故障部件進行了試驗和特性分析。在地面實驗室試驗的同時，SH-60 飛行試驗的飛機提供了獨有的飛機機械系統(tǒng)診斷試驗室，以便試驗現(xiàn)有和未來出現(xiàn)的技術和方法，其中包括幾項小型企業(yè)創(chuàng)新研究（SBIR）診斷技術工作。HIDS計劃作為海軍基礎性工作，用于開發(fā)、評估和驗證直升機綜合診斷能力和提供高質量的技術數(shù)據(jù)，從而支持H-53 機綜合機械診斷健康和使用監(jiān)控系統(tǒng)（IHD HDMS）和V-22 機的振動結構壽命和發(fā)動機診斷（VSLED）計劃。

一、數(shù)據(jù)收集和分析

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由百路馳公司研發(fā)，可以并行32個通道的數(shù)字化的振動和轉速表傳感器數(shù)據(jù)，利用MATLAB 的計算和可視化功能對齒輪、軸和軸承數(shù)據(jù)開展高質量分析。每一次實驗室運行持續(xù)約1h，在輸入扭矩為25%～110%進行6 次采集。

所有的振動數(shù)據(jù)，利用百路馳公司的Auto-HUMS和Tren-HUMS 診斷程序自動地進行分析。Auto-HUMS將診斷算法的全部結果儲存到狀態(tài)指示數(shù)據(jù)庫中，通過Tren-HUMS 系統(tǒng)能給出狀態(tài)隨時間的發(fā)展趨勢，這一診斷系統(tǒng)可以報告齒輪、軸和軸承分析的大量健康指標。軸承算法包括了基于原始和包絡振動數(shù)據(jù)的指標。同時，系統(tǒng)對所有原始數(shù)據(jù)進行實時數(shù)據(jù)校驗。

二、植入故障和診斷實例

HIDS 計劃曾進行了大量的植入故障試驗，特別是關于可靠性和安全性領域的問題。此外，還成功進行了重大故障擴展試驗，試驗中使用了一個小的放電機械切口作為齒根的一個應力口，裂紋從切口增長直到在根部產生彎曲疲勞。該試驗采集了從裂紋萌生到故障發(fā)生的完整數(shù)據(jù)集。故障擴展試驗使人們了解了故障擴展的動態(tài)過程，消除了其他植入故障試驗的離散躍變特性，試驗效果顯著。

三、基于振動的預測

預測是一種能對故障征兆提供早期檢測對失效狀態(tài)擴展為部件故障進行管理和預測，并對檢測出來的早期失效進行監(jiān)控和跟蹤。通過對早期失效擴展的及時檢測和監(jiān)控管理，人們在任何時間都能知道部件的健康狀態(tài)，并且能及時且安全地預測未來的故障事件防止其發(fā)生。

故障預測的常用方法有外推振動頻率數(shù)據(jù)的參數(shù)統(tǒng)計和診斷指標的趨勢分析。計劃中能夠實現(xiàn)故障預測的關鍵是使用的傳感器、算法和診斷指標具有足夠高的敏感度和精度，能夠識別出部件的故障征兆或早期的“小”故障。另外，為了了解故障擴展率，還必須具有可靠的相似失效類型的經(jīng)驗數(shù)據(jù)庫。只有利用經(jīng)驗數(shù)據(jù)庫內容和掌握的各種故障擴展類型，才能科學地設置告警閾值，對于之后的故障事件預測和診斷很重要。

四、預測實現(xiàn)的手段

要實現(xiàn)對裝備狀態(tài)的精確預測，可靠、可重現(xiàn)、高質量的故障擴展數(shù)據(jù)非常重要。該數(shù)據(jù)隨著部件故障產生但不危及安全，能夠讓人們對故障模式和特征有更深入的了解。部署健康監(jiān)控系統(tǒng)時，通常是按隨機準則收集所部署系統(tǒng)的故障數(shù)據(jù)。這種方法的缺點很明顯，失效數(shù)據(jù)是多年累計的結果，安全性只會根據(jù)實際災難性事故數(shù)據(jù)逐步增大，由于受到機載系統(tǒng)的限制。為了縮短這一周期，人們設想在直升機傳動試驗臺進行試驗，相比其他實現(xiàn)的方法，這有利于提高安全性且減少誤告警。這種預先投資進行試驗，將節(jié)省大量時間而且提高了系統(tǒng)的有效性，防止災難性事件發(fā)生。

五、診斷/預測實例

SH-60 機主傳動模塊的輸入游星齒輪（P/N 70351-38104-102）是一個復雜部件，由套筒軸內花鍵、21 齒的螺旋錐形游星齒輪和整體式滾動軸承內座圈組成，如圖1所示，軸承SB2205 整體滾道內帶有散裂損傷的輸入游星齒輪。滾柱軸承SB2205 受到螺旋傘形游星齒輪徑向載荷的反作用，這一滾柱軸承有30 個滾柱，直徑為1.6cm 和節(jié)圓直徑為18.99cm 的滾柱單元。整體式座圈散裂故障是SH-60 機群中減速器動部件拆卸最常見的原因。這一故障非常復雜且具有挑戰(zhàn)性，因為這一部件故障位置處于減速器的內部深處，并且難以檢測，如圖2所示。SH-60 機主傳動模塊上的傳感器位置見圖3。

圖1 機群拆卸下來的主傳動模塊示意圖

圖2 軸承SB2205在SH-60機主傳動模塊中的位置圖

圖3 SH-60機主傳動模塊上的傳感器位置圖

右側主傳感器的指示狀態(tài)在植入故障時便告警，故障消除時便恢復到正常狀態(tài)。左側主傳感器對這一故障敏感，因為左傳感器位于相同的結構箱體上，即從右側主傳感器位置繞箱體旋轉90°所在的位置。左側主傳感器作用是對右側的指示狀態(tài)進行確認。

統(tǒng)計參數(shù)時包絡線峰值是用于評估軸承這一失效狀態(tài)的主要指標。影響評估結果的關鍵參數(shù)是其對應的頻率范圍，這一頻率范圍需要通過分析和試驗確定。在這個過程中，統(tǒng)計參數(shù)是傳感器的指示值，這不同于部件的實際值，即這些統(tǒng)計參數(shù)在軸承之間是不區(qū)分的。但是因為右側主傳感器的權值要高于左側主傳感器，因此人們能夠確定這一失效的位置是在右側。

在HIDS 計劃中，對軸承實施診斷的目的是識別早期發(fā)生的失效。試驗中機群拆卸下來的失效軸承都是處于晚期階段，其散裂故障部位占整個部件約1/3。因為大多數(shù)軸承故障的健康指標都是用來檢測已確定的失效，所以它們沒有對這一分布缺陷產生告警。

HIDS 計劃采用的有效方法是同時采集和分析2 個不同傳感器的信號。這種高質量數(shù)據(jù)和高可信度的測量分析的目的是提高診斷和降低誤告警。在試驗之前，右側主傳感器被認定為主傳感器，右側的輸入是輔助的，右側的輸入傳感器無法檢測這一失效。左側加速度計是分析定位的輔助傳感器，它能產生較好的結果。此時左側主加速度計和右側輸入與這一失效部位具有相似距離，且左側主加速度計與失效都在相同箱體位置上，那么左側主傳感器對這一特定的軸是一個好的傳感器定位，這一試驗表明余度傳感器分析的實用性，同時表明所有通道原始振動數(shù)據(jù)并行采集和儲存對于處理結果的價值。通過分析得出，對于一個特定的故障，最合適的加速度傳感器能優(yōu)化最終的診斷系統(tǒng)。

動部件是SH-60 機群主減拆卸最常見的原因，只有確認故障模式，這一部件的故障才能得以有效地診斷。SB2205 的故障從散裂失效慢慢擴展為散裂損傷，最終將影響到內滾道直徑完好部分。在這一過程中，金屬屑探測器只能檢測到減速器某個地方的故障并實現(xiàn)故障告警，但不能給出故障的位置或故障的嚴重性。然而基于模型的軸承指示將識別這一過程中存在的早期失效，人們能觀測到內滾道缺陷的具體指標值。隨著失效（損傷）的逐漸加大，統(tǒng)計指標能識別出性能退化狀態(tài)。根據(jù)振動幅值及指標的變化對這一失效過程進行跟蹤，人們便能進行有效地維修和任務規(guī)劃，從而能減少非計劃停飛時間。

按照目前的使用頻率，診斷能有效地管理機群的重要航材，如SB2205 在一段時間里發(fā)生性能退化，那么可以采取定時維修的方式。這樣能夠使二次損傷減到最小，降低了修理的復雜性和費用。這一主傳動的特殊部件在拆下輸入模塊后很易于維修，如果具有早期檢測能力，便可以在機上通過減速器進行修理，這就避免了拆卸主旋翼轂和主傳動，確保旋翼跟蹤和平衡的進行。如果它是飛機的關鍵部件，在確定維修前的使用過程中要密切監(jiān)控故障擴展以確保飛機安全。故障擴展試驗可以讓人們深入理解故障擴展的動態(tài)過程，并且消除其他植入故障試驗的離散階躍特性。

此外，基于模型的分析、數(shù)據(jù)融合和其他先進技術需進一步開發(fā)和驗證，以降低或消除誤告警，并完全實現(xiàn)全面的診斷能力。