探析民航发动机气路故障诊断技术

学术论文胡兵 2018-12-19 10:05:48
    前言
    除了传统的陆路及水陆交通外,乘坐飞机出行是当前人们乐于选择的出行方式。但是就实际情况来看,尽管我国的航空运输领域有了一定的积累,也取得了显著的成绩,但不可否认的是,航空运输本身就是一种高成本、高风险的行业。在航空器中,航空发动机是保证飞机安全运行的核心部分,但是由于航空发动机不同于普通发动机,其在机械结构等方面更为复杂,且工作环境也更为恶劣,较一般的发动机,航空发动机往往面临着更严峻的挑战,因此其故障率也居高不下。
    根据国际民航组织的相关数据,在过去的几年中,因为航空发动机的自燃、叶片、甚至脱离机体等原因造成的飞行事故多达几十起。而飞机发动机一旦出现问题,那么不仅会延误广大乘客的旅行计划,更会给航空公司造成大量的经济损失。
    为了进一步保障航空运输的安全稳定,给旅客提供更为舒适的出行环境,同时也为了减少航空公司的经济损失,有必要对航空发动机进行定期的故障排查及维护检测,以提升航空发动机的可靠性。在下面,我们将主要以航空发动机的气路故障为主,对该故障的基本类型、排查检修手段等进行介绍和研究。
    1 相关的研究成果综述
    就当今国内外关于气路故障排查的研究情况来看,现有成果主要集中在以下4个方面:(1)通过气路参数,分析法定气路性能与传感器的工作状态;(2)通过振动、滑油与孔探信号等,来分析发动机机械性能的状况;(3)使用数据融合等技术,对航空发动的整体性能进行排查;(4)在动态系统支持的基础上,进行发动机过滤态数据的分析排查。
    而就气路故障诊断技术的发展来说,这一技术由厄本(Urban)于上世纪70年代初提出,厄本认为,为了完成气路故障的排查,要实现准备一定数量的测量参数作为样本,且这些样本的数量不得少于故障种类,这一方法给气路故障诊断技术奠定先河。厄本之后,国际上针对航空发动机气路故障诊断技术的研究开始走向高潮。至80年代后,在实际的航空发动机诊断工作中,已经陆续引入了当时最为先进的关于气路故障的监控及诊断技术,这大大提升了人们对于航空发动机工作状态的把握与了解能力,但是由于技术相对不成熟,因此在经费开支上尤为巨大,且要求参加的检测人员专业素质非常高,因此后续的研发工作又继续展开。90年代之后,随着电子计算机技术的发展,建立在人工智能技术上的监控系统概念被提出来。该时期,另一先进技术,即神经网络被逐渐应用到发动机气路故障诊断工作之中。
    2 民航发动机气路故阵诊断技术
    过去的针对民航发动机的气路故阵诊断有目测法(Visualinspection)、故障树、故障矩阵和气路分析法(GPA)等,但随着技术的进步,这些方法大多已经被淘汰。在当前,主流的诊断方法包括人工神经网络诊断法、遗传算法、专家系统诊断、模糊逻辑诊断等,下面我们简要介绍三种方法,作为参考。
    2.1 线性模型法
    针对航空发动机气路故障线性模型诊断方法的优势在于,该方法支持故障检测、问题隔离等工作同时展开,并可以完成多种故障类型的同时排查,相较于人工智能的排查诊断方法,该方法在检测效率上有着明显的优势。
    但是,由于线性模型检测方法的检测原理限制,该种检测方法所适用的故障类型仅针对于那些故障误差数值较小的情况,因此其广泛性较差。并且,线性模型诊断方法由于建立在模型基础上,所以基础模型的精细程度决定着检测的结果准确率,为了更好地完成检测,需要选取高精度的模型。
    2.2 人工神经网络法
    当航空发动机的测量参数与故障类型的数量出现冲突时,运用人工神经网络的诊断技术便可以较好地解决这一问题,并减少诊断时对模型的要求。在进行航空发动机气路故障的检测时,一般的模型包括BP、RBF、概率神经(PNN)和自组织竞争等网络模型。
    2.3 专家系统法
    专家系统(Expert System,简称ES)是目前针对航空发动机气路故障诊断工作中研发周期最久、也是最为常见的专业技术。就该技术的发展过程而言,早期的技术大部分基于规则开展,即参考诊断专家自身的诊断经验,再将之整合为具体的规则,之后结合规则的相关规定来进行推理继而完成故障的诊断。所以,这样的诊断方法由于依赖经验较为严重,且在知识方面不可避免地会存在漏洞,因此针对航空发动机这样的复杂非线性机械结构,使用专家系统方法诊断也容易因为故障类型与以往不同而出现困境。
    3 未来民航航空发动机气路故障诊断技术的发展展望
    综上来看,在国外为了应对航空发动机气路故障的问题,已经研发出了多种的诊断技术,并且也已经在实际工作中进行使用。但是就这些诊断技术而言,它们共同暴露出如功能单一、诊断精度不高、智能化水平较低等问题。因此为了提升气路故障的诊断准确率,往往要将多种方法综合使用。随着技术的不断进步,今后针对气路故障的诊断方法也会有更新与升级,下面我们便结合当前技术发展的趋势,对未来民航航空发动机气路故障诊断技术的发展做一展望。
    (1)实时化
    航空发动机结构复杂,对安全性要求极高。因此,在未来的发动机气路故障诊断技术上,实时化必然会取代现有的定期排查与巡回诊断。实时化的诊断需要更先进的技术,但在安全性上有了质的提升。
    (2)早期化
    针对发动机气路故障,在未来要以预先根治取代故障后的排查,因此早期化是今后该领域内发展的方向。更早的发现故障并解决问题,是确保飞行安全的重要保障。
    (3)网络化
    当前世界已经进入到网络信息化时代,因此为了适应这一时代要求,在发动机气路故障诊断技术上引入网络化是今后的发展方向。在诊断技术上,采用分布式的方法取代集中式诊断,因此能够大大提升故障的排查诊断准确度,同时在检修成本和经济效益上都能够实现跨越。
    4 结语
    如果将飞机比喻为生命体,那么发动机无疑就是飞机的心脏所在。通过上文的考察分析,我们可以了解到,对飞机实行专门的气路故障排查诊断,可以大大减少该类问题发生的频率,减少其故障对飞机产生的不良影响,增加飞机的使用年限。航空发动机气路故障的排查诊断,作为发动机整体故障排查中的一个环节,代表了我国对于航空器飞行安全的努力和决心。我们相信,随着科技水平的不断提升,航空发动机故障发生的频率会逐渐降低,未来的航空运输领域也会更加安全、经济。
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