航空发动机快变信号分析及故障诊断系统

第1章绪论 航空发动机是实现国防现代化、确保国家安全的重大战略装备。航空装备是常规战略威慑力量的核心，是捍卫制空权的主要工具，是维护我国战略利益日益拓展的基本手段。当前，我国已经进入构建新型国防和国家安全体系的关键时期，第四代军机、大型运输机和大型客机的发动机还不能实现适情保障，突破动力瓶颈已经成为新时期军事装备建设的重中之重。发展先进航空发动机是满足我国发展需求、实现制造业转型升级、提升国防实力的重要步骤。 航空发动机的安全性、可靠性与维修性是航空国际关注的焦点，基于航空发动机故障诊断技术形成的发动机健康管理系统是先进发动机的重要标志，是提高航空发动机安全性、可靠性与维修性的重要途径，也是发动机从定时维护向视情维修转变和零部件视情生产的基础。航空发动机健康管理涉及传感、采集、分析、检测和数据处理等技术，通过航空发动机振动、气路、滑油、寿命等方面的实时或近实时信息，实现状态监测、故障诊断、趋势分析和寿命管理等功能，从而指导维护并提高航空发动机的安全性、可靠性与维修性。航空发动机结构复杂且部件多，导致振动信号模式多变。机动飞行服役条件导致其振动信号呈现出强时变非平稳的快变特性，且航空发动机动静摩碰、振动突跳、中介轴承故障等典型故障模式导致了不同的快变特性。时频分析为描述快变信号提供了有效手段，然而传统时频分析方法受到Heisenberg不确定性原理的限制，正如SAE ARP 1839A《飞机涡轮发动机振动监测系统指南》所指出的，这也限制了其振动信号分析的有效性。如何提升航空发动机快变信号分析性能，进而提升故障诊断能力，是航空发动机振动监测诊断所面临的关键问题之一。 本书系统阐述航空发动机振动监测与故障诊断的需求、航空发动机快变信号的定义与分析方法，以及航空发动机故障诊断系统设计与工程应用。本章在概述航空发动机健康管理的基础上，介绍航空发动机健康管理标准与规范，重点介绍美国汽车工程师学会（Society of Automotive Engineers， SAE）航空航天推进系统健康管理技术委员会E32与SAE飞行器综合健康管理技术委员会HM1组织制定的标准与规范。*后分析总结航空发动机振动故障诊断技术研究现状，包括振动信号特点与诊断难点，以及振动故障诊断中时频分析所面临的挑战。 1.1航空发动机健康管理概述 航空发动机的安全性、可靠性与维修性是航空国际关注的焦点。航空发动机高温、高转速的严苛服役条件和长寿命、高可靠的内在品质，要求关键部件的典型高温材料处于极限服役温度，制造工艺达到极小裕度水平，服役监测逼近临界参数状态。因此，航空发动机性能的提升不仅依赖高温材料、先进制造技术的突破，也依靠健康管理关键技术的突破。航空发动机发展史总是伴随着故障的频繁发生、排除、再发生与再排除的过程。即使一型设计非常成功与使用情况非常良好的航空发动机，到快要退出历史舞台的阶段，可能还会出现致命故障［1］。以支承航空发动机转子系统的关键部件主轴承为例，由于其运行于高速（工作转速为2000～16200r/min）、高温（工作温度≥300℃）、变载（同时承受推力载荷、重力载荷、转子响应载荷、预载荷、机动载荷，且这些载荷都是随时变化的）环境，长期反复循环使用，是转子系统的薄弱环节。根据美国空军研究实验室统计，某型航空发动机在投入使用半年内，连续发生5起中介主轴承滑蹭损伤，导致重大事故。近年来，我国多型航空发动机因主轴承故障导致出现了多起空中停车事故征兆，甚至会导致抱轴故障，严重影响飞行安全。例如，2019年，我国某型飞机飞行时振动异常，导致空中停车、飞机单发返航；飞行后检查高压转子无法摇动，经分解检查后发现主轴承失效。据统计，我国某型航空发动机10年间发生20起五支点中介主轴承抱轴或者断轴故障，造成重大事故与经济损失。某型发动机主轴承故障形式如图1.1所示，其中三支点、四支点、五支点主轴承的故障比例超过70%。 图1.1某型发动机主轴承故障形式航空发动机健康管理（engine health management， EHM）是提高航空发动机安全性、可靠性与维修性的重要途径，是发动机从定时维护向视情维护转变和零部件视情生产的基础。航空发动机健康管理是指通过机载系统和非机载系统中的传感、采集、分析、检测和数据处理等手段，提供航空发动机振动、气路、滑油、寿命等方面的实时或近实时信息，实现状态监测、故障诊断、趋势分析和寿命管理等功能，从而预警可能影响安全运行的情况，以有针对性地安排检查维修、排除异常故障、改进功能性能、预测备件需求，进而提高航空发动机的安全性、可靠性与维修性。美国首席专家Volponi对航空发动机健康管理的过去、现状和未来进行了综述，强调气路、振动故障诊断与寿命管理对航空发动机运行安全与事故预防的重要性［2］。 国外先进航空发动机典型健康管理系统均包括振动、气路、滑油、寿命管理等技术。例如，美国通用电气（General Electric， GE）公司为其GE90系列发动机装备了EHM系统，且根据使用情况进行了持续升级改进，为增强轴承失效预警功能而改进的EHM系统如图1.2所示。美国普拉特 惠特尼集团公司（简称普惠公司）构建了健康管理架构，并为F135发动机装备了EHM系统，具备振动监测、滑油监测、性能监测与寿命管理等功能，如图1.3所示。具体地说，F135发动机采用前中介机匣、后支承环及附件机匣3个振动加速度传感器监测发动机振动状态，实现部分振动故障模式检测与隔离（包括转子不平衡、低压转子叶片结冰、高压转子弯曲、外物损伤、鸟撞和叶片掉块、挤压油膜、摩碰、连接松动等引起的转子系统不稳定和轴承降级等）；利用增强型自调整机载实时模型（enhanced self tuning onboard realtime model， ESTORM）实现控制用传感器与气路部件的在线诊断和隔离；利用机载碎屑监测器测滑油中的金属颗粒，以实现对齿轮、轴承等零件早期故障及性能退化情况的监测；在寿命管理方面，机载实现关键部件使用寿命消耗情况在线计算（热端部件低周疲劳及蠕变寿命计算、起动次数、加力点火次数、发动机工作和飞行时间、总累计循环次数计算等），并且实时计算关键系统和部件的剩余寿命。英国罗尔斯 罗伊斯公司（简称罗 罗公司）建立了发动机远程监测中心（图1.4），监测其在全球服役的超过1000台Trent 800发动机的运行状态并降低维护费用，在每台发动机的风扇、压气机、涡轮上等不同部位布置了25个传感器，获取温度、压力、速度和振动等运行参数；Trent 900发动机的EHM系统同样配备振动监测与振动信号处理单元。 图1.2美国GE90发动机的改进EHM系统示意图图1.3美国普惠公司健康管理系统框架及F135发动机EHM系统功能图1.4英国罗 罗公司发动机远程监测中心与EHM系统EHM系统是先进发动机的重要标志，已成为航空强国的战略发展方向。为提高航空发动机的安全性、经济性与可维护性，美国实施了长远系统的国家研发计划，如2006年实施的经济可承受的通用多用途先进涡轮发动机计划和2018年实施的支持经济可承受任务能力的先进涡轮技术计划等。美军应用EHM技术后，F135发动机排故时间从20min（F119发动机）缩短为15min，比现役的F100、F110等发动机的排故时间缩短了94%，显著提升了发动机运行安全性、维修性与装备可利用率［3］。根据美国国防部副部长政策备忘录，美军从2004年开始在其直升机机队上实施基于EHM系统的状态维护增强计划，截至2011年3月，64%的机队都配备了EHM系统，在配备EHM系统的部队内进行的维护与未配备EHM系统的部队内进行的维护产生了鲜明的对比，这两类单位在26个月内节省的成本为1.12亿元，并且不包括维修工时等“沉没成本”。截至2012年4月，实施状态维护增强计划的直升机可用性增加了9%；避免了3起“A级”事故（飞机损失、损失超过200万美元或生命损失），节省了4900万美元；UH60/AH64机队避免了57次发动机拆卸，节省了2700万美元［4］。 我国也高度重视航空发动机健康管理基础理论研究及系统研制。在2015年启动的“航空发动机及燃气轮机重大专项”基础研究规划中，明确将“健康管理设计理论与验证方法”列为32个重点研究方向之一，且分别资助了“涡轴涡桨发动机”、“涡喷涡扇发动机健康管理”项目，同时还资助了“滑油监测”、“叶端定时及主轴承诊断”等专业技术项目。“民用飞机健康管理顶层规划研究”项目中将“航空发动机健康管理”列为七大主题之一。国家自然科学基金委于2018年6月召开了第203期双清论坛“航空发动机基础科学问题”，并于当年立项并启动了国家自然科学基金重大研究计划“航空发动机高温材料/先进制造及故障诊断科学基础”，航空发动机故障诊断是其三大方向之一。 1.2航空发动机健康管理标准与规范 国外自20世纪60年代开始研究民用航空发动机健康管理系统；70年代，状态监视系统开始在民用航空发动机上应用；80～90年代，电子技术和计算机技术的迅速发展，极大地促进了航空发动机状态监视和故障诊断技术的发展。航空发动机健康管理旨在提高航空发动机的安全性、可靠性与维修性，涉及传感、采集、分析、检测和数据处理等技术，利用航空发动机振动、气路、滑油、寿命等方面的实时或近实时信息，从而实现状态监测、故障诊断、趋势分析和寿命管理等功能。航空发动机健康管理所涉及的每项技术和功能都经历了漫长的发展过程，其研究成果由不同的国际机构汇总凝练，形成了一系列标准与规范，对指导航空发动机及不同行业的健康管理系统设计与开发具有重要意义。 国际上涉及健康管理标准规范的组织机构较多，但是各自的研究方向和领域各有不同，如图1.5所示。电气与电子工程师协会（Institute of Electrical and Electronics Engineers， IEEE）可靠性学会PHM委员会、国际标准化组织（International Organization for Standardization， ISO）机器系统状态监测与诊断委员会ISO/TC i08/SC5、机器信息管理开放系统联盟（Machinery Information Management Open System Alliance， MIMOSA）的视情维修（conditionbased maintenance， CBM）的OSACBM标准，聚焦于健康管理系统应用于不同行业所通用的电子系统、机械系统，以及通用架构、接口和数据等方面的规范标准。航空无线电技术委员会（Radio Technical Commission for Aeronautics， RTCA）、美国航空无线电公司（Aeronautical Radio Inc.， ARINC）以及SAE E32航空航天推进系统健康管理技术委员会，则更聚焦于飞机的航电子系统和航空发动机等健康管理所涉及的规范与标准，例如，RTCA主要针对故障预测与健康管理（prognosis health management， PHM）机载软硬件客户化开发，ARINC主要针对机电系统状态监测与机内测试，SAE E32则主要包括航空发动机健康管理架构、传感器以及机载与地面软硬件系统、健康管理系统成效分析与评价指标、振动故障诊断等所涉及的专业技术。SAE AISCSHM航空航天工业结构健康监测指导委员会、SAE HM1飞行器综合健康管理技术委员会及美国联邦航空管理局（Federal Aviation Administration， FAA）等则分别聚焦飞机结构健康监测、飞行器综合健康管理系统工程及PHM适航要求等。 图1.5国外健康管理相关标准组织*全面的航空发动机健康管理标准规范由SAE航空航天理事会下属的可靠性、可维护性和健康管理系统委员会组织形成，包括SAE　E32与SAE HM1等。本节将对SAE E32与SAE　HM1分别组织形成的65