--轉(zhuǎn)自航空微讀

作為飛機(jī)的心臟，被譽為“工業(yè)之花”的航空發(fā)動機(jī)，由于它結(jié)構(gòu)復(fù)雜、集成度高、工作條件惡劣等因素導(dǎo)致發(fā)動機(jī)的穩(wěn)定性難以控制，而且它擔(dān)任飛機(jī)的主要動力源，一旦發(fā)生故障，往往會導(dǎo)致機(jī)毀人亡的后果，因此，安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性成為我們航空發(fā)動機(jī)制造商最為關(guān)心的要素。

航空發(fā)動機(jī)不僅僅制造價格昂貴，其維修價格也是非?？捎^的，一般維修成本會占到整體飛機(jī)維修成本的百分之四十，這就直接導(dǎo)致發(fā)動機(jī)的使用、維護(hù)和保障費用開銷巨大。

為了降低發(fā)動機(jī)維護(hù)成本，減少航班延誤取消率，對航空發(fā)動機(jī)進(jìn)行剩余壽命預(yù)測就非常的關(guān)鍵和必要。

發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)監(jiān)控與分析

定期采集發(fā)動機(jī)的各項性能指標(biāo)，并對指標(biāo)進(jìn)行評估分析，是對發(fā)動機(jī)剩余壽命預(yù)測的前提。

在每個航空公司，都有一整套獨立監(jiān)控系統(tǒng)和程序，例如：飛機(jī)遠(yuǎn)程診斷實時跟蹤系統(tǒng)（ACRDRTS），每天對每架飛機(jī)的發(fā)動機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，建立發(fā)動機(jī)技術(shù)檔案；并且發(fā)動機(jī)制造商會向航空公司提供發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)分析軟件，利用這些軟件對采集后的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控分析，從而便于之后的壽命預(yù)測和健康評估。

各個發(fā)動機(jī)廠都有自己發(fā)動機(jī)的監(jiān)控軟件，例如普惠公司的EHM，記錄飛機(jī)巡航狀態(tài)下發(fā)動機(jī)主要參數(shù)以及震動、燃油/滑油消耗、計算EGT指數(shù)等形式報告，還有孔探檢查，滑油油樣分析，其他故障報告和服務(wù)通報的實施。

其中，EGT裕度（即發(fā)動機(jī)排氣溫度同紅線限制的差值）對評估發(fā)動機(jī)性能，對決定發(fā)動機(jī)是否需要拆下檢修是重要參數(shù)。EGT裕度減小預(yù)示著發(fā)動機(jī)性能退化，裕度為零意味著發(fā)動機(jī)工作在EGT紅外限制值，而裕度為負(fù)時則需要將發(fā)動機(jī)拆下。下圖是各型號發(fā)動機(jī)的EGT警戒值。

各型號發(fā)動機(jī)的EGT警戒值

另外一個參數(shù)是EGTM，它是發(fā)動機(jī)限制溫度與全推力起飛時的排氣溫度（Exhaust Gas Temperature, EGT）的差值，而EGT會隨著飛行時間的增加逐漸升高，反映到EGTM，就是逐漸下降。下圖是從2007年12月到2010年1月期間5臺CFM56-5B發(fā)動機(jī)的EGTM數(shù)據(jù)。

2007年12月到2010年1月期間5臺CFM56-5B發(fā)動機(jī)的EGTM數(shù)據(jù)

根據(jù)對EGTM的分析，如果能夠獲得EGTM的衰退模式，那么從性能衰退角度進(jìn)行發(fā)動機(jī)剩余壽命的預(yù)測就變得簡單了。

剩余壽命預(yù)測的幾種常見方法

目前壽命預(yù)測方法主要基于三種不同的類型：基于物理模型的預(yù)測方法、基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的預(yù)測方法和基于經(jīng)驗的預(yù)測方法。這三種預(yù)測方法各自的優(yōu)缺點如下表格所示：

綜合比較這三種方法，目前應(yīng)用最廣泛、最有效的預(yù)測方法是基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的預(yù)測方法。因為發(fā)動機(jī)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)及性能指標(biāo)，我們可以從各個角度或者部件之間的相互關(guān)系等等來對其進(jìn)行剩余壽命預(yù)測。下面列出了幾種典型的基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的預(yù)測方法。

1基于競爭失效的航空發(fā)動機(jī)剩余壽命預(yù)測 

航空發(fā)動機(jī)作為典型的復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)，具有失效模式多樣性的特點。多失效模式相互作用，實質(zhì)上是競爭失效的關(guān)系，導(dǎo)致航空發(fā)動機(jī)剩余壽命預(yù)測的復(fù)雜性。

基于競爭失效的航空發(fā)動機(jī)剩余壽命預(yù)測框架

預(yù)測步驟如下：

（1）分別預(yù)測航空發(fā)動機(jī)在性能退化失效和突發(fā)失效模式下對應(yīng)的剩余壽命，結(jié)合風(fēng)險控制原則，為航空發(fā)動機(jī)檢查和維修決策提供依據(jù)。

（2）航空發(fā)動機(jī)的性能退化失效與突發(fā)失效間高度相關(guān)，主要體現(xiàn)在性能退化失效對突發(fā)失效的影響。航空發(fā)動機(jī)具有豐富的狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，為量化性能退化失效對突發(fā)失效影響提供了可能。

（3）針對航空發(fā)動機(jī)性能退化失效的剩余壽命預(yù)測，需要解決以下兩個問題：一是綜合利用多種狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行航空發(fā)動機(jī)性能退化評估；二是描述航空發(fā)動機(jī)性能退化軌跡，實現(xiàn)剩余壽命預(yù)測。

（4）針對航空發(fā)動機(jī)突發(fā)失效的剩余壽命預(yù)測，需要解決以下三個問題：一是基于少量故障信息的航空發(fā)動機(jī)剩余壽命預(yù)測，是個典型的小樣本可靠性分析問題，可以采用貝葉斯方法提高數(shù)據(jù)利用效率；二是采用 Weibull分布建立航空發(fā)動機(jī)突發(fā)失效壽命預(yù)測模型，利用 Weibull分布的形狀參數(shù)描述性能退化對壽命變化規(guī)律的影響；三是在Weibull模型基礎(chǔ)上，進(jìn)一步引入混合Weibull分布模型，利用數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)性能退化失效與突發(fā)失效之間的作用機(jī)制。

2 基于隨機(jī)Wiener過程的航空發(fā)動機(jī)剩余壽命預(yù)測  

針對航空發(fā)動機(jī)性能退化的多階段特點, 利用多階段的Wiener過程對性能退化過程進(jìn)行建模，并根據(jù)性能失效定義推導(dǎo)出航空發(fā)動機(jī)的RL分布。在對性能退化模型的未知參數(shù)進(jìn)行估計時，根據(jù)期望最大化（EM）算法融合歷史性能退化數(shù)據(jù)與歷史失效時間數(shù)據(jù)對退化模型參數(shù)進(jìn)行迭代估計。在獲得單臺航空發(fā)動機(jī)的實時性能退化數(shù)據(jù)后, 根據(jù) Bayesian公式可對性能退化模型參數(shù)進(jìn)行實時更新，最終實現(xiàn)對單臺航空發(fā)動機(jī)的剩余壽命預(yù)測。

航空發(fā)動機(jī)歷史性能退化曲線

3基于信息融合的航空發(fā)動機(jī)剩余壽命預(yù)測   

航空發(fā)動機(jī)剩余壽命預(yù)測框架體系

航空發(fā)動機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測主要包括以下內(nèi)容：

（1）氣路性能監(jiān)測。監(jiān)測的參數(shù)：渦輪后燃?xì)鉁囟群腿加蜔崃俊?/span>

（2）滑油監(jiān)測。監(jiān)測對象是潤滑系統(tǒng)部件及其封嚴(yán)系統(tǒng)狀況。

（3）振動監(jiān)測。發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)、磨損或損傷會產(chǎn)生一定程度的振動信號。

只利用單參數(shù)狀態(tài)監(jiān)測信息，則無法全面反映性能衰退的情況，采用信息融合方法，就可以提高信息利用效率。采用貝葉斯線性模型融合航空發(fā)動機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測參數(shù)，進(jìn)行航空發(fā)動機(jī)性能衰退評估，將性能衰退的結(jié)果作為可靠性分析模型的輸入變量，預(yù)測在預(yù)定可靠性閾值情況下的航空發(fā)動機(jī)剩余壽命。以上的方法都有各自的特點，也有一定的局限性，還有待進(jìn)一步的研究與探討。

由于航空發(fā)動機(jī)的復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)以及制造的昂貴性，其維修保障越來越引起相關(guān)人員的重視，隨著科學(xué)技術(shù)水平的提高，在未來，航空發(fā)動機(jī)的剩余壽命預(yù)測方法也將會越來越成熟。