基于竞争失效的航空发动机剩余寿命预测

王德广

摘 要：多种多样的失效模式之间相互影响，在本质上看就是竞争失效的结果，这会增加航空发动机剩余寿命的预测难度。根据航空发动机的多种失效模式的相关规律、特点，指出了对航空发动机剩余寿命进行预测的大体框架、模型和相关的算法，也就是所说的在竞争失效的基础上预测航空发动机的剩余寿命。

关键词：航空发动机；机电系统；竞争失效；寿命预测

中图分类号：V263.5 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.03.041

对于航空事业来说，航空发动机的可靠性管理是非常重要的一个环节，因此，对航空发动机的剩余寿命进行客观、科学的预测越来越重要，对于航空发动机的剩余寿命预测来说，主要的难点有以下两个方面：①如何综合利用丰富的状态检测数据和较少的故障信息；②对系统复杂性能导致的失效模式进行处理，研究失效模式多样性的相互影响关系及其引发的竞争失效问题。本文就针对基于竞争失效的航空发动机剩余寿命的预测进行了研究，通过对基于竞争失效的航空发动机剩余寿命的预测框架、模型以及相关的算法进行分析，对突发失效和退化失效的作用机制进行了研究，建立起一套针对竞争失效的处理方案，从而实现对航空发动机剩余寿命的预测，提升了航空发动机剩余寿命的预测准确度，同时也为相关的维修决策提供了科学、合理的依据。

1 航空发动机剩余寿命预测的基本框架

对于竞争失效基础上的航空发动机剩余寿命的预测，大体思路有如下几点。

1.1 结合风险控制原则

对航空发动机在突发失效模式和性能退化失效模式下的剩余寿命进行预测，同时与风险控制原则相互结合，这样就能够给航空发动机的维修决策及相关检查提供科学依据。

1.2 利用状态检测数据

航空发动机出现性能退化的大部分原因都与突发失效有关，主要体现在突发失效的影响上。此外，航空发动机可以检测到相当多的状态检测数据，这有助于通过量化性来推测失效影响的原因。

1.3 对失效因素进行评估

要想科学、合理地对竞争失效的航空发动机剩余寿命进行预测，就必须解决以下两个重要问题：①描述航空发动机的性能退化轨迹；②综合利用众多的状态检测数据，合理评估航空发动机的退化情况，从而实现对其剩余寿命的预测。

1.4 采用合理的框架

利用科学的航空发动机框架来准确预测航空发动机的剩余寿命，要注意以下几方面的问题：①航空发动机的故障信息比较少，要想依靠这样的小样本分析问题，就需要采用正确的分析方式，国际上大多采用贝叶斯方法来提高小样本数据的利用效率；②Weibull建立了航空发动机竞争失效情况下的剩余寿命预测模型，通过Weibull的分布型参数来对性能退化的寿命变化规律进行描述；③我们可以在使用Weibull模型的基础上，加入相关的分布模型，然后通过对相关数据的科学运用，学习性能退化失效与突发失效之间的作用关系。

2 航空发动机剩余寿命预测模型的建立

建立与航空发动机剩余寿命相关的模型，就需要对航空发动机的状态监测参数进行研究，而我们可以将航空发动机的状态监测参数看作是航空发动机性能退化的内部协变量。航空发动机的状态监测主要包括以下几方面内容。

2.1 气路性能的监测

气路系统部件是航空发动机的核心部件，其中有发动机的性能状态变化热力参数。

2.2 滑油的监测

润滑系统部件及其封严系统的状况是滑油监测的主要对象，适用于机械磨损类故障监测与诊断。

2.3 振动的监测

当磨损或者是损伤发动机转子的时候，会产生一定的震动信号，通过发动机的高低压转子和其他部件的振动，就能够对发动机的损伤程度进行评估。

3 航空发动机剩余寿命的相关预测算法

3.1 融合监测数据，评估性能的退化程度

我们通过贝叶斯的线性模型来进行计算，通过融合其丰富的状态监测数据，利用相关的计算公式来确立累计退化量和监测参数的函数关系，然后计算期望值和方差值，根据累计退化量值和多元化的监测数据进行分析，能够在输入新的监测数据后，直接通过计算公式算出航空发动机的退化程度。

3.2 估算和预测航空发动机性能退化率

EGT是一个在航空领域比较重要的监测值，我们可以通过该值的大小来判断航空发动机的退化情况，然后针对不同程度的退化模式，通过计算公式来计算相关的退化率。在估算发动机退化率的基础上，再利用贝叶斯方法对航空发动机未来的退化率进行预测。

3.3 预测发动机性能退化失效剩余寿命

通过预测到的航空发动机性能退化率的期望值来进行最后的运算，一般是采用Monte-Carlo仿真方法来对基于竞争失效的航空发动机剩余寿命进行预测。

4 结束语

本文把竞争失效问题分成了突发失效和性能退化失效两个部分，并分别建立了相关的航空发动机剩余寿命的预测模型。该方法可以对监测到的状态数据进行充分利用，且能够对两种失效方式之间的作用机理和转化关系进行分析，从而了解竞争失效对航空发动机寿命产生的影响。对于一般情况下复杂系统在竞争失效情况下的寿命预测来说，还可以从其他方面入手研究，主要有：①对信息的融合情况进行研究，对监测数据的相关特征建立模型，充分利用符合研究数据和工程特点的信息；②通过研究实际的失效问题，进一步地发挥模型的作用，并通过选择科学、合理的模型技术，学习相关数据来分析多种失效模式的相互作用机制，从而提高航空发动机寿命预测的可靠性和准确度。

参考文献

[1]王华伟，高军，吴海桥.基于竞争失效的航空发动机剩余寿命预测[J].机械工程学报，2014（06）：197-205.

[2]王华伟，吴海桥.基于信息融合的航空发动机剩余寿命预测[J].航空动力学报，2012（12）：2749-2755.

〔编辑：王霞〕