航空发动机故障诊断技术现状及发展研究

董超

(中国南方航空股份有限公司北京分公司飞机维修厂，北京100621)

航空发动机故障诊断技术现状及发展研究

董超

(中国南方航空股份有限公司北京分公司飞机维修厂，北京100621)

近几年，随着我国国防科技力量的增强，我国在自主航空设备研发上取得了突破性进展。航空发动机是航空设备的重要组成部分，是其动力源泉。因此，一旦航空发动机产生故障，会严重影响航空设备的性能和安全。从航空发动机故障诊断技术入手，对航空发动机故障诊断技术的应用现状深入分析，研究其未来发展方向和发展趋势，为进一步提升我国航空发动机的安全性与稳定性奠定基础。

航空发动机；故障诊断技术；发展

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.09.032

1 航空发动机及其故障诊断

航空发动机是为航空设备飞行提供动力的装置，是一种高密度、高精度、高复杂的热力学机械设备，是影响飞机性能的主要因素，也是评判一个国家科技、工业和国防力量水平的重要指标。当前，我国航空发动机主要分为活塞式航空发动机、燃气涡轮发动机和冲压发动机3种。航空发动机故障诊断技术的主要任务是对航空发动机系统的故障进行检测，分析故障类型，确定故障位置，实施故障恢复。因此，故障诊断不仅是单一地对故障进行检测，还必须具备后续的技术手段。故障诊断是一个完整的系统，可以在该系统内实现对航空发动机的检测与修复。对故障诊断技术判断的性能指标主要包含及时性、灵敏性、准确性、安全性、适应性和分离性。其中，及时性主要指系统故障发生后能够在最短的时间内检测到故障的发生点。

2 航空发动机故障诊断技术现状

2.1 lMOS-ELM诊断技术

IMOS-ELM诊断主要是利用OS-ELM算法对飞机内部的计算机网络进行故障矩阵推算，从而实现故障诊断。当前我国主要是在发动机传感器故障诊断中应用IMOS-ELM诊断技术。因为传感器是航空发动机控制系统的关键因素，在其处理和完善的过程中需要利用技术处理实现故障改进，分析多元件故障，提高飞机发动机系统运行性能和安全性能。

IMOS-ELM诊断技术具有准确性高、修正性高的特征。航空发动机故障诊断中应用IMOS-ELM诊断技术不仅可以对其传感器故障进行诊断，还可以应用于不同的系统元件故障诊断中。

2.2 油液分析诊断技术

当前我国航空发动机应用油液分析诊断技术主要是对其发动机的磨损故障进行诊断，利用航空发动机油液所携带的设备工作情况来对设备的工作状况及问题进行判断，从而实现预防性维护的目的。我国航空发动机应用的油液分析诊断技术包含光谱分析技术和铁谱分析技术。

1）光谱分析技术即利用物质吸收能之比与物质自身性质比之间的关系，测定物质发射或吸收光谱的波长和强度，分析物质元素成分和含量的变化，实现航空发动机元件的故障检测和分析，利用光谱分析的油液分析诊断技术能够在保障飞行安全的前提下，降低飞机的维修费用，延长飞机发动机的寿命，确定最佳换油期。因此，被广泛应用于我国航空发动机磨损故障诊断中。

2）铁谱分析技术主要是利用高梯度磁场作用，在发动机系统内部采集油样，分离油样中的磨损颗粒，按照磨损颗粒在普片上的排列情况、形状、大小、数量等定性和定量分析设备的运转情况，诊断设备故障点和故障原因。目前，铁谱分析技术在航空发动机磨损故障检测中应用并不广泛，其主要原因是铁谱分析技术需要在特定的高梯度磁场作用下才能实现设备运行分析，而飞机在运行的过程中无法开展该项检测工作。此外，铁谱分析技术的取样和现场分析时间相对较长，不利于故障的及时诊断和处理。

2.3 解析模型诊断技术

解析模型故障诊断技术应用过程中将航空发动机的可信信息与模型表达信息进行验证、比较、残差处理，实现解析模型故障技术的应用。当前我国航空发动机解析模型诊断技术主要分为状态评估法、参数评估法和等价空间评估法。

1）状态评估方法主要是通过评估系统的状态情况，结合适应模型的状态数据对航空发动机进行监测和诊断，利用构成残差序列，将残差序列的矛盾点构成模型序列，最终利用统计检验的方式将故障进一步分离、预估、决策，实现对航空发动机的故障检测。航空发动机数学模型的高维、非线性的复杂性决定其在自动化控制方面需要精密的状态检测仪器和设备，这样才能保证航空发动机系统的复杂性和稳定性。

2）参数评估法主要是根据航空发动机参数的变化特征和规律对其故障进行诊断。航空发动机在应用参数评估方法的过程中，在故障与参数之间建立了数学模型，利用有效参数评估的方法，选择适当的参数对其进行统计学决策处理，分析故障的发生点。因此，参数评估法的参数和数量确定至关重要。

3）等价空间评估法近几年应用于我国航空发动机故障诊断中。主要是利用航空发动机系统的输入、输出的实际测量值与模型值一致性确定航空发动机的故障，并且实现故障分离。例如，在航空发动机磨损故障检测过程中利用发动机的原始数据建立模型，对其实际的输出、输入磨损值进行检测，实现磨损点的确定，并且采用非线性模型修改的方式实现特定故障的分离和修正。因此，等价空间评估方法适用于多种航空发动机故障诊断检测[1]。

2.4 信号处理诊断技术

信号处理诊断技术主要是根据航空发动机控制系统信号模型的幅值、相位和频率的不同性、相关性确定发动机与故障源之间的关系。目前我国航空发动机故障诊断中应用信号处理诊断技术主要包含主元分析法、小波变换诊断分析法和利用δ算子诊断分析法。

（1）主元分析法主要是利用飞机发动机飞行过程中的历史数据建立主元分析法，在正常数据的主元模型基础上利用实测信号和模型信号之间的冲突关系，实现对航空发动机的故障诊断。（2）小波变换诊断方式主要是利用时频分析法对信号进行小波变换，从而利用小波变换后的奇异点分析系统的故障点，明确航空发动机故障点的位置。（3）利用δ算子诊断分析法主要是在δ算子的空间内部用最小M乘正交投影向量集，推导完整格形滤波器，建立故障检测滤波器。在使用δ算子对航空发动机实施故障诊断的过程中，是根据δ算子的描述性预测误差向量的元素关系，实现故障敏感度的诊断。

3 航空发动机故障诊断技术的发展

3.1 便携诊断技术的发展

近几年，随着我国信息技术水平的逐渐提升，在航空发动机故障诊断技术的改进和创新上，开始针对其诊断技术应用的便携式进行创新。我国在国防军事技术发展中已经开始实现便携式武器设备的研发，如便携式侦查定位设备的自主研发，在提升了侦查定位设备准确性的同时，强化了设备使用的方便性。因此，便携式航空发动机故障诊断技术的创新也必将成为其主要发展方向之一。此外，当前我国航空发动机故障诊断技术在其诊断范围和精确性上相对较为全面，但是部分检测技术存在检测便携性较差的特征。因此，针对航空发动机故障诊断技术的便携式研究已成为航空发动机故障诊断技术创新的发展方向。

3.2 嵌入式诊断技术的发展

美国海军自主研发了海军CH-53E超级海种马直升机，该直升机的诊断设备中采用的是嵌入式诊断技术。嵌入式诊断技术利用机械诊断、状态诊断、综合监控诊断的方式对飞机的实时数据进行搜集和整理，在其飞行的过程中用于自身故障诊断，利用飞机网络系统与地面网络系统建立直升机状态信息数据更新系统，对其数据进行双重分析，实现双重分析诊断。因此，嵌入式诊断技术不仅能提高航空发动机故障诊断的准确率，还能够缩短诊断时间，是航空发动机诊断技术未来的主要研究方向。

当前我国在航空发动机诊断技术创新研究的过程中利用系统自身的检测能力，在航空飞行设备内部建立独立的评估系统，对航空发动机的异常和故障进行诊断，实现嵌入式航空发动机诊断。但是，在其自主独立系统建立的过程中仍然需要进一步对其进行完善。例如，在对航空发动机磨损故障诊断的嵌入式诊断技术研究过程中，利用模型对比诊断分析的方式建立嵌入式诊断检测设备，该种诊断分析方式并不能够满足发动机实时数据诊断检测。因此，在我国航空发动机故障诊断嵌入式技术的自主研发上仍然需要不断地创新和发展。

3.3 智能人工诊断技术的发展

设备的智能化发展是当前世界各国在技术自主研发上的主要发展趋势，未来我国航空发动机故障诊断技术也必将朝着智能人工诊断技术的方向发展。智能人工诊断技术可以实现飞机发动机智能诊断，提高诊断的精确度，节省人力、物力和财力。航空发动机智能人工故障诊断发展过程中将从模拟人的神经元网络系统，在模糊理论的基础上建立智能人工诊断。人工神经元网络是利用信息技术处理方式，模拟人的学习、记忆方式，对数据信息实施处理、存储、检索、分析等，实现智能信息搜集和问题判断。此外，智能人工诊断技术的发展能够从信息技术和人工智能化2方面满足当前市场技术发展需求。在强化航空发动机故障诊断技术准确性的同时，实现故障诊断的全智能化，节约故障诊断时间，提高故障诊断的准确性。因此，智能人工故障诊断技术是未来航空发动机故障诊断的主要发展方向之一[2]。

根据对当前我国航空发动机故障诊断技术现状分析，在其应用上主要包含IMOS-ELM诊断技术、油液分析诊断技术、解析模型诊断技术和信号处理诊断技术。为进一步实现航空发动机的便携性、安全性和可靠性未来需从便携诊断技术、嵌入式诊断技术和智能人工诊断技术3个方向发展，实现我国航空发动机故障诊断技术的创新。

【1】马安祥，李艳军，曹愈远，等.基于免疫理论的航空发动机磨损故障智能诊断[J].航空学报，2015,6(7)∶1896-1904.

【2】杨东山，寇应展，田海宁.齿轮箱系统故障诊断技术的现状及发展简述[J].机械工程与自动化，2014,2(1)∶223-224.

Status and Development of Fault Diagnosis Technology for the Aeroengine

DONG Chao
(Beijing Branch Aircraft Maintenance Factory of China Southern Airlines Co.Ltd.,Beijing 100621,China)

In recent years,along with the improvement of the national defense science and technology,China has made great progress in developing device independence.The aeroengine is an important part of the aviation equipment,as the source of its power.As a result, aeroengine fault will seriously affect the performance and security of aviation equipment.From the fault diagnosis technology for the aeroengine,its application status is analyzed,and the future development direction and trend are studied to lay the basis for further improvement of the aeroengine security and stability in China.

aeroengine;fault diagnosis technology;development

V263.6

A

1007-9467（2016）09-0073-03

2016-08-12

董超（1987～），男，天津人，工程师，从事飞机的航线维护及技术维修研究。