航空發動機狀態維修技術研究

吳 超 李 雅 張聯禾

（中國飛行試驗研究院，陜西 西安710089）

1 國外狀態維修的發展趨勢

“基于狀態的維修”是美軍20世紀末提出并于21世紀初開始大力推行的一種維修思想，國際上對狀態維修（Condition Based Maintenance，CBM）的定義是：通過測量裝備的工作狀態，構建一套裝備的維修策略，以預計裝備在未來工作是否正常。狀態維修的目的是將以信息技術為代表的各種高新技術應用到維修的全過程，從而提高維修工作的效率與效益，實現維修方式的全面變革。近年來，狀態維修（CBM）是美國國防部近年來全面推行的維修策略，并加以擴展稱為CBM＋，在CBM的目標、環節、工作過程等方面美軍進行了系統的研究工作，并且在F－35、F－22等飛機上開展了“增強型基于狀態的維修”試點工作，同時，美軍各軍種都提出了狀態維修技術若干倡議，開展了若干項目，并取得了重大進展。美軍新一代戰斗機F－22的機載維修系統具備了狀態監控、預兆、故障診斷與隔離、故障恢復、故障評估與報告等功能，可在飛行過程中精確定位故障，科學評估故障對當前飛行任務的影響，并能通過改變路徑、降低功能等方式減少故障的影響。同時，該系統還能將評估結果傳送給地面的自動化維修保障系統，并通過聯合分布式信息系統傳輸給工業部門、裝備管理機構和維修中心，由后者共同協商并做出維修決策，進而在故障發生之前排除故障。

隨著裝備日趨復雜，信息化程度不斷提高，維修工作重點已由傳統以機械修復為主逐步轉變為從信息（裝備狀態監控信息，故障檢測、隔離和預測信息，維修資源信息等）的獲取、處理和傳輸并做出維修決策為主。從CBM在美軍裝備維修中的應用情況看，CBM大大提高了裝備的戰備完好性，顯著降低了維修費用，是實現武器裝備精確維修的重要途徑。

2 航空發動機狀態維修介紹

任何裝備發生故障前均有征兆，對航空發動機而言，如發動機啟動聲音異常、滑油金屬屑異常變化、軸承振動值偏離正常區間等。航空發動機由正常到發生故障的時間區間內，其狀態信號有一個發展變化的過程，這種潛在的過程如圖1所示。

圖1 發動機故障過程狀態變化示意圖

航空發動機基于狀態的維修工作流程如圖2所示。狀態監測階段主要對發動機部件的狀態信號進行采集、處理和特征量提取與處理，并判斷特征值是否超出門檻值，若未超出，則繼續進行信號采集，若超出則直接進入下一階段；故障診斷與預測階段主要判斷故障類型，若為潛在故障，則預測剩余可用壽命，否則即為功能故障；維修決策階段，根據狀態信息和壽命預測確定是否進行維修，何時進行維修，進行什么樣的維修。最后，制定維修計劃并實施維修活動。

圖2 狀態維修流程圖

3 航空發動機狀態維修平臺

目前，航空發動機試飛期間普遍依據預防性維修工作項目，在飛行前、飛行后、定檢等工作項目中實施維修工作，進行日常維護保障。發動機如果試飛或地面試車過程中出現故障，保障人員依據技術資料、維修經驗等進行系統或部件的修復，或直接更換故障部件進行相應的修復性維修工作，發動機一旦出現較大故障，故障無法定位、難以修復則會延誤飛行計劃，影響型號飛機、發動機的定型鑒定工作，從而會增加型號的研制周期。因此，航空發動機試飛階段迫切需要建立狀態維修平臺，CBM系統平臺主要包括：發動機狀態數據監測、飛行后數據處理工作站、地面維修工作站、CBM數據庫、工程分析技術中心5個部分。航空發動機CBM系統平臺如圖3所示。

圖3 航空發動機CBM系統平臺

型號定型／鑒定試飛階段，建立航空發動機狀態維修系統平臺，主要進行發動機狀態數據采集、數據傳輸、數據處理與分析、維修決策活動等工作。

（1）數據監測與采集。CBM系統平臺主要數據來源包括：飛參數據，發參數據，飛行中遙測與監控數據，發動機運行中EICAS數據，發動機地面試車、定檢數據，飛行后滑油油液檢查信息，啟動聲音信息，振動信息等。試飛期間發動機主要監測油門桿角度、發動機高低壓轉子轉速、發動機排氣溫度、發動機進口溫度、燃燒室出口溫度、發動機機匣振動、發動機滑油壓差、加力信號、渦輪冷卻系統接通信號、防冰信號、起動信號、訓練與狀態信號，同時監測發動機的重要故障信號，如發動機振動故障、燃油滑油系統故障、調節器故障、停車、發動機火警、高低壓壓氣機導向葉片調節故障等。

（2）數據傳輸。數據傳輸的渠道包括IETM（交互式電子技術手冊）、PMA（便攜式維修輔助裝置）、ATE（自動檢測設備），與機上接口進行數據傳輸，同時可利用商業衛星、無線網絡傳輸，GDAS、ADAS、TDAS遙測數據，遙測車監控，無線電臺等。

（3）數據處理與分析。數據提供給CBM數據庫，供試驗與鑒定單位、設計單位、制造單位的工程技術人員進行分析和處理。同時，數據提供給保障資源管理中心、地面維修工作站等，以方便不同的部門預先進行維修與保障資源規劃。接收數據的有關部門進行數據分析，主要包括疑難故障問題的技術分析、備件保障分析、維修保障人員人力分析、維修方案分析以及其他方面的分析等。

（4）維修決策活動。主要包括：維修方案制定、模擬維修訓練、保障資源預先準備、針對零部件缺陷的設計更改、備件儲存與供應等。

4 結語

國內目前主要從事狀態維修相關的理論研究，在后續型號研制中提出了基于PHM的自主保障系統，為航空發動機狀態維修的工程應用提供了技術條件，從我國航空裝備的發展來看，實施狀態維修是裝備維修技術發展的必然趨勢。航空發動機作為飛機的心臟，其可靠性水平較高。開展航空發動機狀態維修技術研究，一方面可以為型號發動機外場維護工作提供一定的技術支持，從而大大縮短發動機外場維護的工作量；另一方面根據發動機外場實際的故障發生規律，可以形成相應的發動機維修策略，為型號交付部隊后發動機的外場維護提供一定的參考。同時，航空發動機狀態維修相關技術可以應用于飛機整機及其他系統，從而極大地提高飛機整機的戰備完好性。

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