直升機振動健康監測指南-CAP753

朱桂芳

(中國直升機設計研究所，江西 景德鎮 333001)

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直升機振動健康監測指南-CAP753

朱桂芳

(中國直升機設計研究所，江西 景德鎮 333001)

直升機振動健康監測指南(CAP753)是直升機HUMS系統設計與使用的重要技術標準。CAP753對HUMS系統的安裝、系統的能力，地面站系統的能力，交付系統性能的修改與確認，系統的服務支持和系統的使用等方面，都給出了詳細的建議。文章從產生背景，特定的技術術語，指南主要內容等方面詳細介紹了CAP753，希望能對我國自主HUMS系統的研制有一定的啟示作用。

直升機；振動；振動健康監測；VHM；健康狀態與使用監測系統；HUMS；CAP753

0 引言

隨著我國低空領域的開放，民用直升機必將大量使用。與軍用直升機關注機動性、隱身能力、電子對抗和作戰性能不同，民用直升機更注重安全性、可靠性、經濟性、舒適性和環保性。

我國民用直升機的研制已成系列化發展，已成功推出AC系列直升機，包括：AC310、AC311、AC312、AC313等。

直升機HUMS系統對于提高直升機安全性、減少維護費用、提高出勤率的重要作用，已得到廣泛認可和驗證，而VHM是HUMS的核心內容。

自從1991年第一套HUMS系統裝備在北海油田直升機以來，HUMS技術得到了持續的發展，HUMS產品廣泛應用于軍民用直升機(據主要供應商資料統計，HUMS裝機量超過6000套)。同時，也制定了各類技術標準，主要包括：英國CAA制定的直升機振動健康監測指南(CAP753)，美國FAA制定的AC29 M15旋翼航空器健康狀態和使用監視系統(HUMS)的適航批準，美國旋翼機工業技術協會(RITA，Rotorcraft Industry Technology Association)制定的AS539X系列標準。

CAP753規定了HUMS系統(VHM)的設計和使用。

AC29 M15規定了HUMS系統的安裝、驗證和整個使用周期內的持續適航指令(ICA)的適航批準流程和方法。

AS539X技術規范是為實現通用性、減少維護工作量、降低HUMS購買成本而制定的HUMS傳感器和數據接口規范，包括：AS5391加速度計接口規范，該規范定義了HUMS常用的三種加速度計的電氣和機械性能，即機身加速度計、傳動系統加速度計、發動機加速度計；AS5392旋轉系統方位傳感器規范，該文件定義了每次旋轉產生脈沖的傳感器的電氣和機械規范，通常用于RT&B、發動機和傳動系統振動監控；AS5393槳葉軌跡儀(數字式)接口規范，該規范適用于槳葉軌跡儀(數字式)與機載HUMS之間的電氣和數據接口；AS5394先進多點數據接口規范，先進多點傳感器網絡與傳統的星形構型相比，重量、體積、成本以及復雜程度都有所降低，這個連續的網絡協議管理費用較低、效率和通用性高；AS5395 HUMS數據交換規范(DIS)5.0版，從各個角度(如數據定義和類別、數據結構、數據文件)定義了HUMS數據。

但是，由于英國CAA強制規定“在英國注冊的，9座以上的運營直升機必需安裝VHM系統(即HUMS系統)”，使得“直升機振動健康監測指南(CAP753)”變得與眾不同，成為了各HUMS廠商均遵循的標準。

本文主要介紹該技術標準，希望能對我國自主HUMS系統研制有一定的啟示作用。

1 CAP753的產生背景及版本信息

20世紀90年代，HUMS系統開始裝備在英國北海油氣公司的大型直升機上。由于其對直升機安全性的獨特作用，裝備HUMS系統成為了直升機運營公司的自覺行為。

隨后，英國CAA認可了HUMS系統在直升機安全方面的作用。1999年6月1日，CAA頒布了額外耐飛性指南ADD 001-05-99，規定“在英國注冊的，9座以上的運營直升機必需安裝VHM系統(即HUMS系統)”。

2003年，EASA成立，認可了CAA頒布的額外耐飛性指南ADD 001-05-99，因此，該技術規范也就成為了EASA的技術規范。

之后，英國CAA出版了CAP693，對直升機HUMS系統的監控范圍進行了界定，給出了HUMS系統的詳細設計指南，以確保HUMS系統能被正確使用。

2006年，英國CAA對CAP693進行了升級，形成了CAP753。該技術指南不僅對HUMS的設計進行了詳細規定，對HUMS系統的使用也進行了詳細規定，即形成了HUMS系統設計與使用指南。

2012年，CAA對CAP753(2006版)進行了再次修訂，形成了目前使用的CAP753(2012版)。

2 CAP753特定術語

在CAP753中，對HUMS常用的24個技術術語進行了定義，本文在剔除通用術語的基礎上，主要介紹以下11個關鍵術語：

1) 緊密監測(Close Monitoring)：是指當VHM狀態指示器超限或其他要求需要增加監控時進行的監測行為。

2) 數據下載流程(Data Download Process)：是指VHM從機上下載數據到地面站的過程。要求每次飛行后下載，下載設備可為儲存卡或便攜設備。

3) 數據管理(Data Management)：是指從機上下載數據到地面站時，為保證數據的完整性而進行的工作。

4) 地面站(Ground Station)：是指一種訪問VHM數據的方法，包括告警以及地勤人員航后故障診斷。地面站可查看機隊的歷史數據和相關健康狀態，通過對比分析，確定超限和故障診斷。地面站可以由第三方提供。

5) 傳感器(Sensors)：是指測量振動的硬件。要求應能適合機載環境，且具有CBIT/IBIT的功能。

6) 信號采樣率(Signal Sampling Rate)：是指信號記錄的頻率。信號采樣率應滿足一定的帶寬，供數據分析，應滿足振動信號反混疊要求。

7) 振動健康監測(Vibration Health Monitoring - VHM)：是指利用振動信號處理的結果，診斷機械系統的故障或性能降級的行為。

8) VHM應用(VHM Application)：是指用VHM狀態指示器表征部件特定故障的行為，如用SO1(shaft order one，軸1階幅值)來表征尾槳軸動平衡情況。

9) VHM狀態指示器(VHM Indicator)：是指基于某種特定算法進行數據處理而得到的一個結果。該結果與特定部件的特定故障模式相對應。VHM狀態指示器分為初級狀態指示器，中級狀態指示器和未來狀態指示器。初級狀態指示器是指能直接產生告警的指示器，中級狀態指示器是指需要進行一定故障算法處理之后產生告警的指示器。

10) VHM狀態指示器產生速率(VHM Indicator Generation Rate)：通常包括：數據記錄/處理速度、VHM指示器數量、每次采樣要求的數據量等。

11) VHM系統(VHM System)：典型的系統包括：振動傳感器及線纜，數據采集與處理硬件，從機上下載數據的方法，地面站和支持所有操作相關資料的系統。

3 CAP753指南主要內容

CAP753主要從五個方面對HUMS系統的設計和使用進行了規定，包括：系統安裝、系統能力、地面站系統能力、交付系統性能修改與確認、系統服務支持和系統使用。

3.1 系統安裝

HUMS的安裝與其他電子產品的安裝相同，應遵循EASA CS/FAR/JAR 27 /29和 BCAR 29；

必需有明確的直升機型號；

必需得到權威部門的認可(批準)；

安裝與設備可分開論證；

軟件標準為RTCA/DO-178/EUROCAE ED-12。若沒有改變維修慣例或飛行操作，其失效不會嚴重影響飛行的可用RTCA/DO-178B D級(或更高)；

全面的安裝還應考慮：最小化，電源，環境條件(含電磁兼容)，系統不沖突，人機功效等；

設備應遵循RTCA/DO-160/EUROCAE ED 14(包括：強輻射(HIRF)和閃電保護)。

3.2 VHM系統能力

3.2.1 監控范圍

VHM的監控范圍如表1所示。

表1 VHM監控范圍

3.2.2 傳感器能力、位置與安裝

應滿足機載環境適航要求，具有CBIT/IBIT能力；

傳感器安裝位置和安裝方法對結果有很大的影響，應保證有足夠信噪比，適合故障診斷；

維護應確保傳感器功能；

校準/安裝應被監控。

3.2.3 信號采集與處理

數據采集應與直升機的狀態相關，采集應自動進行；

一些疲勞失效有可能在幾小時前被診斷，因此應縮短采集周期，以適應此診斷；

采樣率應滿足采樣帶寬和反混疊要求；

采樣率應適合產生VHM狀態指標，應清楚監控部件特性。

3.2.4 飛行員接口

飛行員不參與日常VHM的數據采集；

飛行員可能要執行采集特殊事件數據，輸入直升機重量，下載數據等工作；

帶有EPC(發電機功率檢查)功能時，需要進行相應的操作。

3.2.5 下載與儲存能力

非成功下載數據，應有指示；

防止周圍環境對數據下載的影響。

3.2.6 故障診斷性能確認

可用多種方法確認故障診斷性能；

部件的振動監控很少能直接給出，提高信噪比能增強其靈敏度，使用、部件變化和維修會對其產生影響。

3.2.7 告警產生與管理

門限來自于振動水平，振動水平依賴于機隊的經驗或單架直升機的振動學習；

初始門限值應由設計部門推薦，門限值的修改應得到設計部門的認可；

在20世紀90年代中期對VHM進行性能評估時，VHM的故障診斷率為70%；

應周期性地對VHM的診斷能力進行評估。

3.2.8 數據管理

地面站應能顯示VHM數據的狀態，確定是否超限；

超限的顯示應采用圖形等友好的方式；

應能進行機隊的平均門限值顯示和趨勢分析。

3.2.9 持續使用

所有的告警事件在維護手冊應有指示；

VHM的例行檢查應包括振動傳感器的性能；

VHM維護人員應有操作指南；

應有飛行員操作指南。

3.2.10 培訓

使用和維護VHM必需經過培訓。

3.2.11 最小設備列表

最小設備列表應包括機上設備，地面設備和數據傳輸設備。

3.3 VHM地面站能力

用于處理與顯示機載數據，處理結果用于維護；

地面站包括：地面站硬件、軟件；

地面站硬件為COTS產品，軟件分兩部分，操作系統為COTS產品，VHM特定軟件應符合DO178，若涉及到危險部件評估，其標準應與機載系統相同；

若應用網絡，則應考慮數據通訊和防病毒問題。

3.4 交付系統性能修改與確認

一些服務在開發期間已被批準，大部分的應用在CSI期間持續發展，包括：服務經驗、確認服務依靠、服務失敗、錯誤告警、門限的變化、持續支持流程等，這些也應受控；

錯誤告警不影響維護行為，不會產生無法完成或不可接受的情況；

CSI期間，設計者/用戶應依CSI標準進行評審；

CSI期間應提供門限值，且應及時更新。

3.5 服務支持

應定期開會確定狀態指示器的效果，診斷的門限和告警效果評估；

應提供意外事故的額外技術支持；

若非TCH支持，應包括：評估診斷類型和設置，評估診斷工作開發與改進，培訓，VHM數據的解釋與診斷；

為了避免性能退化，確保COTS軟硬件的有效性；

應確保VHM狀態指示器性能的有效性。

3.6 VHM的使用

確保VHM系統符合3.1，3.2，3.3要求，確保系統受控。

3.6.1 VHM支持安排

使用者必需確保設計部門有清晰的工作安排；

VHM應被批準；

應與設計部門有持續的聯系；

確保設計部門參與CSI和持續耐飛會議。

3.6.2 培訓

用戶應確保進行全員培訓。

3.6.3 使用程序

用戶必需確保VHM在其質量管理體系之中；

明確VHM人員的義務和責任；

特定的VHM處理程序，包括：下載規則，飛行后處理，診斷會商程序，緊密監控流程(CLOSE MONITORING)，事件報告制度；

門限設定與調整應適當；

最小設備列表；

培訓要求；

應將故障細節，拆卸、維修/檢查信息反饋給設計部門。

4 結束語

CAP753從HUMS系統安裝、系統能力、地面站系統能力、交付系統性能修改與確認和系統服務支持等方面對HUMS的設計進行了詳細描述，對于規范HUMS的設計起到重要的指導作用；同時，從支持安排、培訓和使用程序等方面對HUMS的使用進行了規范，對于促進HUMS在直升機的使用起到重要的作用。

目前主要的HUMS系統供應商均表示其系統符合CAP753技術標準，如：空直的MARMS系統，GE的Gen HUMS系統，GoodRich的IMD HUMS系統，HONEYWELL的Zing HUMS，Meggitt公司的IHUMS等。

我國正在自主開發HUMS系統，以前開發的系統并沒有完全遵循CAP753標準進行開發，目前正在開發的AC313 HUMS系統、AC352 HUMS系統均遵循該技術標準。希望本文能對我國自主HUMS系統的研制有一定的啟示作用。

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[10] New MSS Helicopter Capability MARCH 2015 ISZ[EB/OL].Meggitt,2015.

The Guidance Material of Helicopter Vibration Health Monitoring(CAP753)

ZHU Guifang

(China Helicopter Research and Development Institute, Jingdezhen 333001,China)

The Guidance Material of Helicopter Vibration Health Monitoring (CAP753) is an important technical standard for helicopter HUMS design and usage. Particular advices are described in CAP753 for the installation of HUMS, capability of HUMS system, capability of ground station, modification and acknowledgement of the system performance, system support service and usage of the system. The background, special glossary and main contents of the guidance CAP753 were introduced in this paper. This paper would give some help for Chinese HUMS system independent research.

helicopter; vibration; Vibration Health Monitoring; VHM Health and Usage Monitoring System ; HUMS; CAP753

2015-03-14

朱桂芳(1968-)，女，湖南常德人，碩士，高級工程師，研究方向：民用直升機管理。

1673-1220(2015)02-063-04

V267+.31

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