SH-60型機綜合診斷系統（HIDS）的診斷和預測能力開發

中國直升機設計研究所 高銘澤 陳圣斌

為診斷直升機健康和跟蹤部件的使用壽命，美國海軍空戰中心飛機部等多個單位共同啟動了直升機綜合診斷系統（HIDS）計劃，對一個原理樣機自動化系統進行了開發和試驗。HIDS 系統通過精確跟蹤直升機結構、動力傳動系統部件壽命和預測早期故障，可提高直升機的可靠性，提升維修效率，大幅降低壽命周期費用。同時，HIDS 系統產生的系統信息能用來指導基于狀態的維修工作，縮短排故時間并針對影響飛行安全的狀態向駕駛員發出告警。

該項目經過供應商競標和綜合技術選擇，最終確定了2 個非生產型的技術綜合驗證系統。第一個是把可用的低風險監控技術綜合成一個獨立的綜合機載系統，在帕塔克森特河海軍航空基地進行飛行評估和演示/驗證。第二個是使用新澤西州的特倫頓空軍基地獨有的，由T700 發動機、主傳動、減速器和全功率傳動軸構成的SH-60 機的傳動系統實驗室，通過非常密集地植入故障試驗記錄來評估系統部件診斷故障的能力。減速器的振動監控是直升機監控功能中最重要的部分，因此這些故障試驗主要集中于減速器的振動診斷。SH-60 直升機HIDS 系統提供了發動機監控，主傳動和減速器的振動和滑油監控、軸和支撐軸承振動監控，飛行中的旋翼跟蹤和平衡能力。同時，HIDS 有飛行階段識別運算律，雖然該功能不是計劃的一部分，但是有利于監控機體結構壽命。另外，HIDS 系統結構還包括先進的滑油金屬屑監控和發動機氣路靜電監控能力。

早在1995年，帕塔克森特河的海軍航空基地便在SH-60 平臺上開始了HIDS 的使用飛行試驗。為提高飛機安全性，還在海軍空戰中心飛機部的直升機傳動實驗室（HTTF）用第二個系統對故障部件進行了試驗和特性分析。在地面實驗室試驗的同時，SH-60 飛行試驗的飛機提供了獨有的飛機機械系統診斷試驗室，以便試驗現有和未來出現的技術和方法，其中包括幾項小型企業創新研究（SBIR）診斷技術工作。HIDS計劃作為海軍基礎性工作，用于開發、評估和驗證直升機綜合診斷能力和提供高質量的技術數據，從而支持H-53 機綜合機械診斷健康和使用監控系統（IHD HDMS）和V-22 機的振動結構壽命和發動機診斷（VSLED）計劃。

一、數據收集和分析

數據采集系統由百路馳公司研發，可以并行32個通道的數字化的振動和轉速表傳感器數據，利用MATLAB 的計算和可視化功能對齒輪、軸和軸承數據開展高質量分析。每一次實驗室運行持續約1h，在輸入扭矩為25%～110%進行6 次采集。

所有的振動數據，利用百路馳公司的Auto-HUMS和Tren-HUMS 診斷程序自動地進行分析。Auto-HUMS將診斷算法的全部結果儲存到狀態指示數據庫中，通過Tren-HUMS 系統能給出狀態隨時間的發展趨勢，這一診斷系統可以報告齒輪、軸和軸承分析的大量健康指標。軸承算法包括了基于原始和包絡振動數據的指標。同時，系統對所有原始數據進行實時數據校驗。

二、植入故障和診斷實例

HIDS 計劃曾進行了大量的植入故障試驗，特別是關于可靠性和安全性領域的問題。此外，還成功進行了重大故障擴展試驗，試驗中使用了一個小的放電機械切口作為齒根的一個應力口，裂紋從切口增長直到在根部產生彎曲疲勞。該試驗采集了從裂紋萌生到故障發生的完整數據集。故障擴展試驗使人們了解了故障擴展的動態過程，消除了其他植入故障試驗的離散躍變特性，試驗效果顯著。

三、基于振動的預測

預測是一種能對故障征兆提供早期檢測對失效狀態擴展為部件故障進行管理和預測，并對檢測出來的早期失效進行監控和跟蹤。通過對早期失效擴展的及時檢測和監控管理，人們在任何時間都能知道部件的健康狀態，并且能及時且安全地預測未來的故障事件防止其發生。

故障預測的常用方法有外推振動頻率數據的參數統計和診斷指標的趨勢分析。計劃中能夠實現故障預測的關鍵是使用的傳感器、算法和診斷指標具有足夠高的敏感度和精度，能夠識別出部件的故障征兆或早期的“小”故障。另外，為了了解故障擴展率，還必須具有可靠的相似失效類型的經驗數據庫。只有利用經驗數據庫內容和掌握的各種故障擴展類型，才能科學地設置告警閾值，對于之后的故障事件預測和診斷很重要。

四、預測實現的手段

要實現對裝備狀態的精確預測，可靠、可重現、高質量的故障擴展數據非常重要。該數據隨著部件故障產生但不危及安全，能夠讓人們對故障模式和特征有更深入的了解。部署健康監控系統時，通常是按隨機準則收集所部署系統的故障數據。這種方法的缺點很明顯，失效數據是多年累計的結果，安全性只會根據實際災難性事故數據逐步增大，由于受到機載系統的限制。為了縮短這一周期，人們設想在直升機傳動試驗臺進行試驗，相比其他實現的方法，這有利于提高安全性且減少誤告警。這種預先投資進行試驗，將節省大量時間而且提高了系統的有效性，防止災難性事件發生。

五、診斷/預測實例

SH-60 機主傳動模塊的輸入游星齒輪（P/N 70351-38104-102）是一個復雜部件，由套筒軸內花鍵、21 齒的螺旋錐形游星齒輪和整體式滾動軸承內座圈組成，如圖1所示，軸承SB2205 整體滾道內帶有散裂損傷的輸入游星齒輪。滾柱軸承SB2205 受到螺旋傘形游星齒輪徑向載荷的反作用，這一滾柱軸承有30 個滾柱，直徑為1.6cm 和節圓直徑為18.99cm 的滾柱單元。整體式座圈散裂故障是SH-60 機群中減速器動部件拆卸最常見的原因。這一故障非常復雜且具有挑戰性，因為這一部件故障位置處于減速器的內部深處，并且難以檢測，如圖2所示。SH-60 機主傳動模塊上的傳感器位置見圖3。

圖1 機群拆卸下來的主傳動模塊示意圖

圖2 軸承SB2205在SH-60機主傳動模塊中的位置圖

圖3 SH-60機主傳動模塊上的傳感器位置圖

右側主傳感器的指示狀態在植入故障時便告警，故障消除時便恢復到正常狀態。左側主傳感器對這一故障敏感，因為左傳感器位于相同的結構箱體上，即從右側主傳感器位置繞箱體旋轉90°所在的位置。左側主傳感器作用是對右側的指示狀態進行確認。

統計參數時包絡線峰值是用于評估軸承這一失效狀態的主要指標。影響評估結果的關鍵參數是其對應的頻率范圍，這一頻率范圍需要通過分析和試驗確定。在這個過程中，統計參數是傳感器的指示值，這不同于部件的實際值，即這些統計參數在軸承之間是不區分的。但是因為右側主傳感器的權值要高于左側主傳感器，因此人們能夠確定這一失效的位置是在右側。

在HIDS 計劃中，對軸承實施診斷的目的是識別早期發生的失效。試驗中機群拆卸下來的失效軸承都是處于晚期階段，其散裂故障部位占整個部件約1/3。因為大多數軸承故障的健康指標都是用來檢測已確定的失效，所以它們沒有對這一分布缺陷產生告警。

HIDS 計劃采用的有效方法是同時采集和分析2 個不同傳感器的信號。這種高質量數據和高可信度的測量分析的目的是提高診斷和降低誤告警。在試驗之前，右側主傳感器被認定為主傳感器，右側的輸入是輔助的，右側的輸入傳感器無法檢測這一失效。左側加速度計是分析定位的輔助傳感器，它能產生較好的結果。此時左側主加速度計和右側輸入與這一失效部位具有相似距離，且左側主加速度計與失效都在相同箱體位置上，那么左側主傳感器對這一特定的軸是一個好的傳感器定位，這一試驗表明余度傳感器分析的實用性，同時表明所有通道原始振動數據并行采集和儲存對于處理結果的價值。通過分析得出，對于一個特定的故障，最合適的加速度傳感器能優化最終的診斷系統。

動部件是SH-60 機群主減拆卸最常見的原因，只有確認故障模式，這一部件的故障才能得以有效地診斷。SB2205 的故障從散裂失效慢慢擴展為散裂損傷，最終將影響到內滾道直徑完好部分。在這一過程中，金屬屑探測器只能檢測到減速器某個地方的故障并實現故障告警，但不能給出故障的位置或故障的嚴重性。然而基于模型的軸承指示將識別這一過程中存在的早期失效，人們能觀測到內滾道缺陷的具體指標值。隨著失效（損傷）的逐漸加大，統計指標能識別出性能退化狀態。根據振動幅值及指標的變化對這一失效過程進行跟蹤，人們便能進行有效地維修和任務規劃，從而能減少非計劃停飛時間。

按照目前的使用頻率，診斷能有效地管理機群的重要航材，如SB2205 在一段時間里發生性能退化，那么可以采取定時維修的方式。這樣能夠使二次損傷減到最小，降低了修理的復雜性和費用。這一主傳動的特殊部件在拆下輸入模塊后很易于維修，如果具有早期檢測能力，便可以在機上通過減速器進行修理，這就避免了拆卸主旋翼轂和主傳動，確保旋翼跟蹤和平衡的進行。如果它是飛機的關鍵部件，在確定維修前的使用過程中要密切監控故障擴展以確保飛機安全。故障擴展試驗可以讓人們深入理解故障擴展的動態過程，并且消除其他植入故障試驗的離散階躍特性。

此外，基于模型的分析、數據融合和其他先進技術需進一步開發和驗證，以降低或消除誤告警，并完全實現全面的診斷能力。