某航空发动机健康管理系统设计

某航空发动机健康管理系统设计

传统上，航空发动机在空中主要是依靠航空发动机电子控制器发送少量的数据和飞行员感官和经验判别发动机是否正常，航空发动机在地面绝大多数都是通过地面人员通过人工对每一次的飞行数据进行分析、滑油取样分析、振动检查、孔探仪和循环计数等方式来监视发动机的状态。靠经验进行判断发动机状态具有很强的主观性，进行人工分析数据、孔探和检查可能造成航空发动机过渡维护和浪费大量人力物力。

航空发动机健康管理是指最大限度地利用发动机不同的数据资源（传感器、维护记录、部件模型），对发动机的故障进行诊断、对健康状态进行预报，从而增加飞行任务的安全性、可靠性，提高维护性和出勤率，减少发动机的维护费用和维修时间。

一、健康管理系统组成

航空发动机健康管理系统由机载设备、数据中心和健康管理中心等组成件图1。

机载设备主要接收并保存航空发动机传感器的信号，分析和处理以上信号为飞行员提供参考依据，当飞机回到地面时把记录的数据导入数据中心。

数据中心接收机载设备的飞行数据，为健康管理系统提供数据支持。

健康管理中心根据数据中心的数据，判定航空发动机的状态，得出分析报告为管理人员提供管理维护依据。

二、健康管理系统功能

航空发动机健康管理系统主要用于为飞行员提供航空发动机状态指示信号和为地面管理人员提供发动机分析评估报告，在航空发动机有故障之前做出维护决策。

一般地，航空发动机航空发动机健康管理系统应具备以下基本功

能：

系统应具备以下功能：

a）具有通过以通讯从机载设备下载数据的功能;

b）具有对发动机工作数据进行综合统计处理的功能;

c）具有发动机及其外场可更换单元的状态管理功能;

d）具有发动机性能趋势分析功能;

e）具有发动机滑油状态趋势分析功能;

f）具有寿命管理功能;

g）具有振动分析功能;

h）具有异常状态告警功能，并根据异常生成相应的处理流程。

三、机载设备

根据对计算资源要求的不同和重要性的区别，由机载设备和地健康管理中心分工协作共同完成所有的发动机监视、预测和诊断。机载设备主要完成对基于齿轮与轴承的振动在线监视与诊断、性能在线监视与预测、滑油系统在线监视与预测、系统附件在线监视与诊断，以及发动机寿命消耗的预测等功能。机载设备与发动机数字控制系统、飞机/航电/综合管理系统相交联，从发动机传感器（滑油屑末、温度、压力）获得参数数据和发动机事件信息，进行发动机事件监视和记录，并探测和隔离（定位）发动机故障，实现发动机状态监控、故障诊断、寿命管理功能，同时系统具备自诊断功能。机载设备采用数据总线形式与各系统交联见图2。机载设备从发动机数字控制系统，航电和飞机接收变量值，离散输入，状态字。机载设备按要求记录数据如发动机状态趋势监视，故障诊断和隔离。机载设备同时与空勤告警系统相交联，以便提供实时信息和通过查询模式对机载设备进行操作。机载设备数据可以在飞机维护显示页面显示。机载设备与飞机航电、发动机电子控制器、数据中心通过数据通讯进行连接。机载设备也可以应机组人员的要求进行数据记录。机载设备的功能如下：

a）采集及记录数据：

1.记录发动机工作超限情况;

2.记录发动机趋势数据;

3.记录任务条件，使用数据记如：如起动次数、点火次数、发动机工作时间，飞行时间、高度、马赫数等数据;

4.按照机组人员要求记录数据;

5. 记录发动机电子控制器故障信息;

6.采集记录发动机传感器信号。

a.向数据中心下载采集记录的数据和信息，上传设置数据、记录设置/配置信息;

b.评估发动机控制系统健康状况，在飞机维护显示页面显示;

四、数据中心及健康管理中心

数据中心，主要是实现数据的备份和集中存储管理。通過其内置的数据自动同步模块与机载设备相连接，从机载设备获取数据，对多台发动机数据进行综合管理，健康管理中心通过以上数据实现健康状态分析与告警，异常处理建议与流程监控见图3。

在具备专用内部网络的条件下，数据中心通过专用网络获取各个基地工作站所存储的所有发动机的工作数据和维护信息，实现对外场所有发动机健康状态的管理，对发动机的健康状态进行深度的数据挖掘，并与各个基地工作站节点进行信息的交互，同时根据发动机历史数据和经验积累对发动机健康状态分析的功能模块进行改进优化，实现对各节点分析模块的动态更新。

数据中心统计的数据主要包括状态统计和发动机工作参数统计。机载设备依据所存储的数据实现部分数据统计，健康管理中心实现所有基地内发动机全使用周期的数据统计。

其中，状态统计为对地面分析系统人工录入的维护操作，状态变更等记录的综合统计，主要包含：

a.发动机装机记录，维修记录，故障记录;

b.进气组件、压气机、燃烧室、燃气涡轮、动力涡轮等发动机主要部件更换记录，部件技术状态更改记录，部件故障及异常记录;

c.发动机外场可更换附件的型号、性能参数，更换记录，故障记

录等;

d.发动机控制软件维护升级记录及相应的状态说明;

e.机载设备的装机记录、故障记录，软件升级、参数修改、数据下载记录等;

f.健康管理中心维护更新记录。

其中，发动机工作参数统计是依据机载设备记录的原始工作数据，对发动机运行时间，工作状态，已检测故障情况等信息的综合统计，主要包含：

a.飞行架次、高度、时长等飞行记录数据;

b.发动机总工作时间，以及应急、起飞、中间、最大连续、巡航等状态的累计工作时间;

c.发动机各次工作记录统计，包含每次工作的时间、最大状态、故障情况等;

d.发动机事件记录统计，包含故障事件，功率检查事件，手动输入事件等。

健康管理中心的性能趋势分析、寿命管理、滑油分析等功能模块对基于发动机工作数据和录入的状态数据进行发动机健康状态的计算分析，并输出发动机的健康状态数据，详见下表1。

结束语：

航空发动机健康管理系统在航空发动机状态管理和维护保障工作中，可以大大的提高发动机的可靠性维护性和经济性，有效地降低装备全周期寿命成本，实现装备的视情维护，增强装备的战备保障性，克服传统上的弊端，提高管理和维护工作的精准性、快速性和实时性。