V2500 發動機短艙全壽命周期健康管理體系研究

■ 張小波 孫良臣/中國南方航空股份有限公司工程技術分公司沈陽基地

0 引言

自20 世紀80 年代末空客公司推出A320 系列飛機以來，空客A320 系列飛機已發展成為全球范圍內民用窄體客機的主力機型。后期空客公司推出A320neo（新款發動機選項）飛機，在此之前的飛機被稱為A320ceo（現款發動機選項）飛機，A320ceo 飛機配備V2500、CFM56-5B 兩種發動機。隨著A320ceo 機隊飛機使用年限的增加，飛機老齡化問題日漸突出，尤其是V2500 發動機短艙結構主要由復合材料制成，為后退平移式反推結構，位于高溫、高振動區域，運行條件惡劣，隨著飛行小時、飛行循環的不斷增長，在運行過程中發動機短艙出現各類損傷的情況愈發頻繁，且大多數損傷為超手冊損傷，導致飛機非計劃停場，短艙部件需要更換或送修。據統計，V2500 短艙年拆換率通常為6%～8%，單件送修費用20 萬～80 萬元，成本高昂，大大增加了航司的維修成本和運營成本。

飛機原始設備制造商（OEM）給出的維修大綱中對發動機短艙的檢查要求通常包含在區域檢查項目中，檢查方式為一般目視檢查，檢查間隔一般為C 檢。航司根據維護經驗，雖然增加了一些檢查項目，但缺乏針對發動機短艙部件系統的管理方法和體系。為改善空客A320 飛機V2500 發動機短艙的運行狀態，提高運行可靠性，降低維修成本，南航沈陽基地對建立V2500 發動機短艙的全壽命周期健康管理體系進行了研究。

1 飛機結構健康監測和管理技術

飛機健康監測和管理技術是基于飛機故障診斷、故障預測信息、邏輯信息和運營需要，對飛機健康狀態做出適當決策，使得其維修效率最優化的技術之一。這項技術的重點是通過智能模型和各種算法的應用，并且依賴各類先進傳感器的功能，對飛機的健康狀態進行監測和管理。對飛機結構進行健康監測和管理是飛機健康監測和管理系統中的重要組成部分。飛機結構健康監測和管理主要通過在結構中鋪設的先進傳感器對反映結構健康有關數據和信息（如應力、應變、模態等）進行實時獲取，從而對結構中損傷程度和損傷擴展進行監測跟蹤，達到對結構損傷預測和估計結構剩余壽命的目的，并對任務決策和后勤保障的維護提出明確指導和建議。現階段，國內外大部分研究主要集中于傳感器和損傷診斷方法的原理性研究，部分實際應用研究在軍用飛機中展開。波音與空客在結構健康管理方面已經開展了長期研究，但還未在現役飛機中使用。還有一些研究者利用基于模型方法和概率統計方法相結合的方式對飛機結構部件的健康監測和管理開展研究，但在實際工程上的應用仍處于嘗試階段。

2 V2500 發動機短艙全壽命周期健康管理體系的建立方法

如果采取飛機結構健康監測和管理的傳統路徑，在現役飛機短艙結構上鋪設大量傳感器和傳輸線路，在飛機上加載健康監測系統的輔助設備，將改變飛機構型，需要制造廠家、局方的充分配合，改裝成本高昂，適航驗證和批準非常困難。因此，南航沈陽基地通過開展V2500 發動機短艙結構的典型損傷機理研究、模擬損傷擴展速率研究、損傷抑制/減緩技術研究、基于數據模型的維修間隔確定方法研究、短艙結構健康狀態檢查方法研究，充分利用機隊發動機短艙運行、維護和修理數據，完成對短艙全壽命周期健康管理體系的建立。使用數據分析方法建立維修間隔數學模型，科學確定檢查門檻值，輔以健康檢查，確定部件狀態并預測剩余使用壽命，做出維修決策。技術路徑如圖1所示。

圖1 技術路徑

2.1 典型損傷產生機理研究

根據現有記錄的損傷數據及相關文獻數據，對短艙系統的所有損傷進行分類，主要包括劃傷、刻痕、腐蝕、磨損、裂紋、凹坑、貫穿、分層、脫膠、雷擊等，并研究典型損傷的特征以及表征參數。對各類型的損傷開展損傷來源分析，基于統計數據，對短艙系統開展損傷威脅評估研究。針對短艙系統的典型損傷，采用預制損傷的方式開展相應的數值研究和參數化建模研究。

2.2 損傷擴展速率研究

針對復合材料和金屬結構的典型損傷，分別開展其損傷擴展數值研究，確定材料疲勞裂紋擴展和斷裂的定量規律，并擬合得到相應的損傷/斷裂模型及參數。對維修及運行記錄的原始數據進行清洗，完成數據預處理。基于前期的典型損傷擴展試驗結果，選擇合適的基于特征的損傷演化模型，基于可靠性分析（判斷分析故障分布類型、數據擬合、分布檢驗和模型參數估計），對數據集進行劃分，分別采用支持向量機SVM 和神經網絡等AI 算法開展數據分析。基于原始數據和損傷模型研究結果，對各類模型進行比較和打分。

2.3 損傷抑制/減緩技術研究

開展文獻調研，總結適用于發動機短艙系統的損傷抑制/減緩技術，確定本研究的推薦方案。基于推薦的兩種損傷抑制/減緩技術開展數值研究，預制損傷方式，研究損傷抑制/減緩技術的效果，并研究該技術對維修間隔確定的影響。

2.4 基于數據模型的維修間隔確定方法研究

通過基于成本和可用性的分析方法與基于大數據和AI 模型的分析方法，對維修間隔的確定進行研究。基于成本和可用性的分析方法通過短艙部件的維修間隔記錄，采用威布爾分布擬合獲得其壽命分布，在已知維修花費和時間基本信息的情況下，通過計算獲得穩定的最優維修間隔。基于大數據和AI 模型的分析方法不預先假設發動機短艙部件的維修間隔分布，而是基于已有的記錄數據（包括歷史維修間隔和其他損傷信息）預測短艙部件的下一次故障時間。

2.5 短艙結構健康狀態檢查

參照數據模型確定的維修門檻值，對短艙部件進行健康狀態檢查。針對短艙結構編制健康狀態檢查工卡，對短艙整體狀態進行檢查，對易發生典型損傷的區域進行重點檢查，并將檢查結果進行匯總、打分，確定短艙結構的健康狀態。根據短艙的健康狀態檢查結果，對短艙結構采取三種不同的維修方式：

1）不需維修；

2）使用損傷抑制技術，延長短艙在翼壽命，同時確定下次健康檢查時間或拆下翻修時間；

3）拆下翻修，恢復短艙至可用狀態。

在維修系統中建立短艙健康管理模塊，將機隊短艙基礎信息錄入到模塊中，根據維修門檻值，對短艙進行健康檢查，根據檢查結果采取繼續使用、適當維修（采取損傷抑制措施）、拆下翻修等維修策略，確保短艙運行安全、可靠，維修成本最優。

3 結論

V2500 發動機短艙的健康管理體系是南航內部維修計劃（Maintenance Requirement System，MRS）的有益補充，主要維修策略是扭轉被動的事后維修狀態，實現基于部件狀態的主動預測型維修。針對發動機短艙結構，引入飛機結構健康監測與管理理念，評估發動機短艙結構的健康狀況，預測其剩余使用壽命，建立維修門檻，進行單機化短艙部件管理，提高短艙部件的運行可靠性，減少非計劃維修工作，同時也可以優化維修航材和備件庫存管理，顯著降低運營與維修成本。