航空发动机状态维修技术研究

吴 超 李 雅 张联禾

（中国飞行试验研究院，陕西 西安710089）

1 国外状态维修的发展趋势

“基于状态的维修”是美军20世纪末提出并于21世纪初开始大力推行的一种维修思想，国际上对状态维修（Condition Based Maintenance，CBM）的定义是：通过测量装备的工作状态，构建一套装备的维修策略，以预计装备在未来工作是否正常。状态维修的目的是将以信息技术为代表的各种高新技术应用到维修的全过程，从而提高维修工作的效率与效益，实现维修方式的全面变革。近年来，状态维修（CBM）是美国国防部近年来全面推行的维修策略，并加以扩展称为CBM＋，在CBM的目标、环节、工作过程等方面美军进行了系统的研究工作，并且在F－35、F－22等飞机上开展了“增强型基于状态的维修”试点工作，同时，美军各军种都提出了状态维修技术若干倡议，开展了若干项目，并取得了重大进展。美军新一代战斗机F－22的机载维修系统具备了状态监控、预兆、故障诊断与隔离、故障恢复、故障评估与报告等功能，可在飞行过程中精确定位故障，科学评估故障对当前飞行任务的影响，并能通过改变路径、降低功能等方式减少故障的影响。同时，该系统还能将评估结果传送给地面的自动化维修保障系统，并通过联合分布式信息系统传输给工业部门、装备管理机构和维修中心，由后者共同协商并做出维修决策，进而在故障发生之前排除故障。

随着装备日趋复杂，信息化程度不断提高，维修工作重点已由传统以机械修复为主逐步转变为从信息（装备状态监控信息，故障检测、隔离和预测信息，维修资源信息等）的获取、处理和传输并做出维修决策为主。从CBM在美军装备维修中的应用情况看，CBM大大提高了装备的战备完好性，显著降低了维修费用，是实现武器装备精确维修的重要途径。

2 航空发动机状态维修介绍

任何装备发生故障前均有征兆，对航空发动机而言，如发动机启动声音异常、滑油金属屑异常变化、轴承振动值偏离正常区间等。航空发动机由正常到发生故障的时间区间内，其状态信号有一个发展变化的过程，这种潜在的过程如图1所示。

图1 发动机故障过程状态变化示意图

航空发动机基于状态的维修工作流程如图2所示。状态监测阶段主要对发动机部件的状态信号进行采集、处理和特征量提取与处理，并判断特征值是否超出门槛值，若未超出，则继续进行信号采集，若超出则直接进入下一阶段；故障诊断与预测阶段主要判断故障类型，若为潜在故障，则预测剩余可用寿命，否则即为功能故障；维修决策阶段，根据状态信息和寿命预测确定是否进行维修，何时进行维修，进行什么样的维修。最后，制定维修计划并实施维修活动。

图2 状态维修流程图

3 航空发动机状态维修平台

目前，航空发动机试飞期间普遍依据预防性维修工作项目，在飞行前、飞行后、定检等工作项目中实施维修工作，进行日常维护保障。发动机如果试飞或地面试车过程中出现故障，保障人员依据技术资料、维修经验等进行系统或部件的修复，或直接更换故障部件进行相应的修复性维修工作，发动机一旦出现较大故障，故障无法定位、难以修复则会延误飞行计划，影响型号飞机、发动机的定型鉴定工作，从而会增加型号的研制周期。因此，航空发动机试飞阶段迫切需要建立状态维修平台，CBM系统平台主要包括：发动机状态数据监测、飞行后数据处理工作站、地面维修工作站、CBM数据库、工程分析技术中心5个部分。航空发动机CBM系统平台如图3所示。

图3 航空发动机CBM系统平台

型号定型／鉴定试飞阶段，建立航空发动机状态维修系统平台，主要进行发动机状态数据采集、数据传输、数据处理与分析、维修决策活动等工作。

（1）数据监测与采集。CBM系统平台主要数据来源包括：飞参数据，发参数据，飞行中遥测与监控数据，发动机运行中EICAS数据，发动机地面试车、定检数据，飞行后滑油油液检查信息，启动声音信息，振动信息等。试飞期间发动机主要监测油门杆角度、发动机高低压转子转速、发动机排气温度、发动机进口温度、燃烧室出口温度、发动机机匣振动、发动机滑油压差、加力信号、涡轮冷却系统接通信号、防冰信号、起动信号、训练与状态信号，同时监测发动机的重要故障信号，如发动机振动故障、燃油滑油系统故障、调节器故障、停车、发动机火警、高低压压气机导向叶片调节故障等。

（2）数据传输。数据传输的渠道包括IETM（交互式电子技术手册）、PMA（便携式维修辅助装置）、ATE（自动检测设备），与机上接口进行数据传输，同时可利用商业卫星、无线网络传输，GDAS、ADAS、TDAS遥测数据，遥测车监控，无线电台等。

（3）数据处理与分析。数据提供给CBM数据库，供试验与鉴定单位、设计单位、制造单位的工程技术人员进行分析和处理。同时，数据提供给保障资源管理中心、地面维修工作站等，以方便不同的部门预先进行维修与保障资源规划。接收数据的有关部门进行数据分析，主要包括疑难故障问题的技术分析、备件保障分析、维修保障人员人力分析、维修方案分析以及其他方面的分析等。

（4）维修决策活动。主要包括：维修方案制定、模拟维修训练、保障资源预先准备、针对零部件缺陷的设计更改、备件储存与供应等。

4 结语

国内目前主要从事状态维修相关的理论研究，在后续型号研制中提出了基于PHM的自主保障系统，为航空发动机状态维修的工程应用提供了技术条件，从我国航空装备的发展来看，实施状态维修是装备维修技术发展的必然趋势。航空发动机作为飞机的心脏，其可靠性水平较高。开展航空发动机状态维修技术研究，一方面可以为型号发动机外场维护工作提供一定的技术支持，从而大大缩短发动机外场维护的工作量；另一方面根据发动机外场实际的故障发生规律，可以形成相应的发动机维修策略，为型号交付部队后发动机的外场维护提供一定的参考。同时，航空发动机状态维修相关技术可以应用于飞机整机及其他系统，从而极大地提高飞机整机的战备完好性。

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