郝春生，秦 月

（1.中國(guó)人民解放軍駐紅林機(jī)械有限公司軍事代表室，貴陽550009；2.中航工業(yè)貴州航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，貴陽550081）

航空發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷方法及測(cè)試流程分析

郝春生1，秦 月2

（1.中國(guó)人民解放軍駐紅林機(jī)械有限公司軍事代表室，貴陽550009；2.中航工業(yè)貴州航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，貴陽550081）

闡述了某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)工程研制中應(yīng)用的發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷方法及測(cè)試流程。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)的使用特點(diǎn)和發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷方法對(duì)FMECA分析結(jié)果進(jìn)行故障分類，指出了各類故障在現(xiàn)有的測(cè)試技術(shù)下是否能進(jìn)行故障診斷，并對(duì)能診斷的故障類型進(jìn)行了詳細(xì)的故障診斷及測(cè)試流程分析，經(jīng)驗(yàn)證，發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷方法及測(cè)試性流程可滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)的測(cè)試性需求。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)；故障診斷；測(cè)試流程；FMECA；測(cè)試方法

0 引言

進(jìn)行航空發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷[1]可以迅速而準(zhǔn)確地確定故障部位及嚴(yán)重程度，有利于確保飛行安全以及減少維修人力和成本，縮短飛行器的停飛時(shí)間，提高其利用率，同時(shí)也為實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)視情維修奠定基礎(chǔ)。發(fā)動(dòng)機(jī)的故障診斷與測(cè)試性[2]要求密切相關(guān)。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性、維修性要求的逐步提高，各種型號(hào)都提出了故障診斷和測(cè)試性需求。對(duì)此，近年來開展了很多關(guān)于發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷方法的研究,但航空發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試性研究起步較晚，缺乏實(shí)際有效的發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷及測(cè)試方法[3]分析研究。建立1種有效實(shí)用的發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷及測(cè)試方法，不僅能有效地對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的故障進(jìn)行查找和定位，還可開發(fā)監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)性能和功能參數(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試性系統(tǒng)，從而提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性和壽命，降低發(fā)動(dòng)機(jī)使用成本。

本文針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)在研制中的故障診斷方法和測(cè)試流程進(jìn)行研究分析，提出故障診斷方法及測(cè)試流程的分析方法[3]。

1 故障診斷方法及測(cè)試流程的設(shè)計(jì)分析過程

發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷方法及測(cè)試流程設(shè)計(jì)分析過程如圖1所示。

2 故障診斷方法及測(cè)試流程設(shè)計(jì)方法分析

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷設(shè)計(jì)方法

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的故障分類，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)視和故障診斷需求[5]?？砂寻l(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷方法分為機(jī)內(nèi)檢測(cè)、自動(dòng)檢測(cè)、人工檢測(cè)3種方式，如圖2所示。

2.2 各類發(fā)動(dòng)機(jī)故障的診斷方法與測(cè)試流程

在大體明確發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試流程和故障診斷方法[6]后進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷和測(cè)試流程分析。在發(fā)動(dòng)機(jī)的方案及工程研制階段，根據(jù)可靠性設(shè)計(jì)工作中的FMECA設(shè)計(jì)分析結(jié)果，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)的使用特點(diǎn)和現(xiàn)有測(cè)試方法[7-8]，將發(fā)動(dòng)機(jī)故障分為以下3類，其故障診斷方法與測(cè)試流程如下。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷方法及測(cè)試流程設(shè)計(jì)分析過程

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷方法

2.2.1 第1類故障測(cè)試流程分析

第1類故障為功能失效及性能衰退故障，即故障發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)或設(shè)備喪失規(guī)定的功能以及發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際性能的衰退超過規(guī)定值。故障模式有發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速擺動(dòng)、喘振、超溫等。該類故障可通過發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)載自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中的自動(dòng)檢測(cè)和機(jī)內(nèi)檢測(cè)，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和采集或計(jì)算。通過測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)的總溫、總壓、靜壓、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和燃油流量等來分析發(fā)動(dòng)機(jī)及部件的性能水平及性能衰退程度，并可將氣動(dòng)熱力參數(shù)反映的故障隔離到氣路部件或單元體及有關(guān)的子系統(tǒng)。利用發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)數(shù)據(jù)、滑油參數(shù)以及對(duì)滑油中所含屑末的檢測(cè)和分析結(jié)果等來監(jiān)視發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)部件的健康狀況[9]。發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試方法和測(cè)試點(diǎn)[10]及傳感器的需求見表1。

表1 第1類故障的發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試方法和測(cè)試點(diǎn)及傳感器的需求

2.2.2 第2類故障測(cè)試流程分析

不能通過發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)載自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備或地面自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)的故障。故障模式有風(fēng)扇部件轉(zhuǎn)子葉片裂紋、風(fēng)扇部件轉(zhuǎn)子葉片葉身掉塊或斷裂、高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片裂紋等。該類故障與發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)部件損傷相關(guān)，無法通過自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備[11]進(jìn)行監(jiān)控和定位，但可以通過人工檢測(cè)來完成，主要依賴發(fā)動(dòng)機(jī)在外場(chǎng)的使用維護(hù)和現(xiàn)有測(cè)試方法和設(shè)備。在外場(chǎng)利用地面專用設(shè)備來探查發(fā)動(dòng)機(jī)零件、部件的結(jié)構(gòu)和機(jī)械損傷。因此，需使用孔探儀檢查、電渦流檢測(cè)、超聲波檢查和磁力探傷檢查等，同時(shí)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和氣流通道特點(diǎn)，設(shè)置檢查窗口。

2.2.3 第3類故障的測(cè)試流程分析

在外場(chǎng)級(jí)條件下，既無法通過機(jī)載自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備檢測(cè)，也無法通過地面專用設(shè)備檢測(cè)的故障。故障模式有中央傳動(dòng)主動(dòng)錐齒齒面疲勞點(diǎn)蝕、傳動(dòng)軸花鍵磨損等。該類故障與發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)部件損傷相關(guān)，在外場(chǎng)難以通過現(xiàn)有檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)，必須返廠（廠內(nèi)必須有分解設(shè)備、探傷設(shè)備和裝配設(shè)備）分解發(fā)動(dòng)機(jī)檢查。

2.3 基于控制計(jì)劃和工作狀態(tài)診斷的測(cè)試流程需求分析

通過以上發(fā)動(dòng)機(jī)故障分析，結(jié)合對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)和控制計(jì)劃進(jìn)行分析見表2，由此才能建立較全面的發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷及測(cè)試流程[12]。

2.4 基于發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)量參數(shù)和測(cè)量點(diǎn)的測(cè)試流程需求分析

通過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的故障分類，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)控及故障診斷的需求，測(cè)試系統(tǒng)對(duì)各級(jí)測(cè)試對(duì)象所需的測(cè)試點(diǎn)和測(cè)試參數(shù)的測(cè)試流程[12]不同。

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)和控制計(jì)劃分析

（1）對(duì)于重要參數(shù)，要求多設(shè)測(cè)試點(diǎn)，當(dāng)某個(gè)測(cè)試點(diǎn)出現(xiàn)問題時(shí)，還有其他測(cè)試點(diǎn)可進(jìn)行備份測(cè)量。如高、低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速都是飛行員實(shí)時(shí)判別飛機(jī)狀態(tài)的重要參數(shù)，如果只設(shè)置1個(gè)測(cè)試點(diǎn)，一旦出現(xiàn)問題，飛行員就不能判斷發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)。

（2）對(duì)于特殊參數(shù)，如渦輪后溫度的測(cè)量，因?yàn)闇囟葓?chǎng)分布不均勻，為了保證參數(shù)的準(zhǔn)確性，要在溫度場(chǎng)內(nèi)設(shè)置多件熱電偶來采集溫度，取其平均值，以確保參數(shù)的準(zhǔn)確度。

2.5 發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)自身需求分析2.5.1 發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求[13]

（1）將發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)和設(shè)備中的所有故障都定位到可更換單元LRU上。

（2）測(cè)試點(diǎn)的可達(dá)性好，以便快速測(cè)試，包括用于連接測(cè)試設(shè)備的內(nèi)部和外部測(cè)試點(diǎn)、檢測(cè)插座和人工觀測(cè)等。

（3）制定分析各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果以及分析使用和維修活動(dòng)的計(jì)劃，以確定數(shù)字式電子控制器機(jī)內(nèi)測(cè)試（BIT）[14]軟硬件、自動(dòng)測(cè)試設(shè)備（ATE）軟硬件、發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)測(cè)試手段、人工測(cè)試方法以及針對(duì)故障檢測(cè)判別后所實(shí)行的維修、維護(hù)文件是否滿足數(shù)字式電子控制器和發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)的故障檢測(cè)率、故障隔離率和虛警率的要求。

（4）控制器的 CPU、定時(shí)器、RAM、Flash Memory和電源系統(tǒng)等硬件應(yīng)具有自檢測(cè)功能。

（5）數(shù)字式電子控制器的控制軟件應(yīng)具有自檢測(cè)功能。

（6）高速電磁閥BIT應(yīng)具有自檢測(cè)功能。

（7）能夠準(zhǔn)確及時(shí)地采集模擬量、頻率量及開關(guān)量輸入信號(hào)，并進(jìn)行相應(yīng)的濾波、消抖等處理。

（8）對(duì)傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及其回路工作狀態(tài)應(yīng)具有實(shí)時(shí)檢測(cè)功能。（9）對(duì)開關(guān)量輸入、輸出通道應(yīng)具有故障檢測(cè)功能。（10）應(yīng)具有與外界通訊的功能，能夠與GME、FMCS等進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

（11）對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪起動(dòng)機(jī)和數(shù)控系統(tǒng)工作狀態(tài)應(yīng)具有診斷及監(jiān)控的功能。

（12）通過通訊，完成發(fā)動(dòng)機(jī)信息、控制參數(shù)和標(biāo)定參數(shù)的調(diào)整以及歷史數(shù)據(jù)的讀取。

（13）通過通訊，能對(duì)控制系統(tǒng)功能進(jìn)行地面檢測(cè)。

（14）根據(jù)故障危害程度進(jìn)行故障隔離和系統(tǒng)重構(gòu)，并按一定的告警級(jí)別劃分，進(jìn)行告警級(jí)別設(shè)計(jì)，并具備一定的故障恢復(fù)能力。

2.5.2 測(cè)試系統(tǒng)自身可靠性需求

發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)一定要安全可靠，不能因?yàn)樵撓到y(tǒng)發(fā)生問題影響發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性，造成飛機(jī)的誤報(bào)警，影響飛行安全。

（1）設(shè)置測(cè)試單元后，必須考慮測(cè)試單元的可靠性對(duì)整體可靠性的影響，對(duì)于監(jiān)控重要故障的測(cè)試單元以及監(jiān)控多種故障均涉及到的檢測(cè)單元應(yīng)進(jìn)行余度設(shè)計(jì)。

（2）發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試性系統(tǒng)應(yīng)采用檢測(cè)單元故障自檢設(shè)計(jì)。

（3）發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試性系統(tǒng)對(duì)于可能出錯(cuò)的測(cè)試點(diǎn)應(yīng)有防錯(cuò)設(shè)計(jì)。

（4）為了防止測(cè)試單元誤報(bào)警造成測(cè)試性虛警率指標(biāo)升高，應(yīng)對(duì)測(cè)試點(diǎn)監(jiān)控報(bào)警范圍的設(shè)計(jì)提出要求。

3 驗(yàn)證方法

3.1 測(cè)試流程的有效性評(píng)估[15]

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷方法及測(cè)試流程分析，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行測(cè)試性設(shè)計(jì)。根據(jù)測(cè)試性設(shè)計(jì)資料和數(shù)據(jù)，預(yù)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)的故障檢測(cè)率、故障隔離率、故障檢測(cè)時(shí)間、隔離時(shí)間以及估計(jì)測(cè)試費(fèi)用等。以這些參數(shù)的估計(jì)值來評(píng)價(jià)和度量測(cè)試性設(shè)計(jì)工作，如果達(dá)不到型號(hào)規(guī)范和測(cè)試性大綱的要求，則需要進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

3.2 故障診斷方法及測(cè)試流程的有效性試驗(yàn)驗(yàn)證

在發(fā)動(dòng)機(jī)（或電子控制器）研制出來后，可以通過注入一定數(shù)量故障的方法來驗(yàn)證測(cè)試性水平。注入故障后運(yùn)行規(guī)定的故障檢測(cè)與隔離程序，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)估計(jì)有關(guān)測(cè)試性參數(shù)值，是否能滿足發(fā)動(dòng)機(jī)（或電子控制器）的使用要求，即進(jìn)行測(cè)試性驗(yàn)證。

4 總結(jié)

（1）在發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)研制過程[16]中，可以按照發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷及測(cè)試性流程進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷方案分析。

（2）對(duì)具體型號(hào)的FMECA分析結(jié)果進(jìn)行故障分類，對(duì)能進(jìn)行故障診斷和測(cè)試性設(shè)計(jì)的故障按照本文的方法進(jìn)行具體分析，為發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷需求分析提供輸入。

（3）在進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)測(cè)試性設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)自身的需求和可靠性需求。

發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷方法及測(cè)試流程的分析方法，已在某型發(fā)動(dòng)機(jī)的測(cè)試性設(shè)計(jì)中得到應(yīng)用，證明其分析方法、分析流程、設(shè)計(jì)結(jié)果滿足發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷及測(cè)試性要求。

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Fault Diagnosis Methods and Testing Procedure of Aeroengine

HAO Chun-sheng1，QIN yue2
（1.The office of representatives from the Chinese People's Liberation Army in AVIC Hong Lin Machinery Company Lim ited,Guiyang 550009,China;2.AVIC Guizhou Aeroengine Research Institute,Guiyang 550081,China）

The fault diagnosismethod and testing procedure of aeroenginewere presented according to the engineering research.The fault classification of FMECA analysis resultswas conducted by the engine characteristic and fault diagnosismethods.Whether all kinds of faultswere suited to carry out by the testability technology,and fault diagnosis and testability procedure were analyzed in detail.The fault diagnosismethods and testability procedurewere validated tomeet themodel testability.

aeroengine；fault diagnosis；testing procedure；FMECA；testingmethod

V263.6

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2014.03.015

2013-01-15

郝春生（1979），男，工程師，從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)工程研究和質(zhì)量管理工作；E-mail:41055023@qq.com。

郝春生，秦月.航空發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷方法及測(cè)試流程分析[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī)，2014,40（3）：71-74.HAOChunsheng,QIN Yue.Faultdiagnosis methods and testingprocedure ofaeroengine[J].Aeroengine,2014,40（3）：71-74.