（航空宇航推进理论与工程专业论文）航空发动机状态评估系统开发.pdf

中国民用航窄学院硕上学位论文捅璺本文概要地说明了近几年来世界航空公司在发动机维护方面发展的历程，指出了对发动机进行定期维护的弊病，分析了航空发动机视情维护的重要性。进一步阐述了在视情维护的基础上发展起来的航空发动机状态评估系统在整个发动机机群管理方面的意义，并介绍了以发动机健康监控为总体目标，以机群管理为技术基础而开发的发动机全寿命管理系统。分析了现阶段发动机状态评估方法所普遍存在的缺点，从而提出利用系统工程的理论。结合模糊数学的知识，用模糊层次分析法建立发动机状态评估体系，并围绕此体系对各个准则和参与评估的指标逐一进行了分析，较好的处理了定性指标和定量指标相统一的问题，同时对每种参评指标建立了其自身的隶属函数和极限值。通过使用模糊层次分析法，将来自航线、车间、车台的大量宝贵的发动机数据融合在一起分析处理，最终提取出一个综合指数来表征发动机的健康状态，并利用这个综合指数对发动机按机群进行状态排队，为工程师评估发动机状态提供有力帮助。以0 r a c l e 数据库作为数据管理平台，对发动机数据的入库、提取、计算以及存储进行自动化处理，实现了发动机数据的即时更新和共享，使发动机状态评估工作可以实时和远程开展。最后以发动机全寿命管理系统数据库为基础，进行了以综合权值排队为主体的发动机状态评估软件的开发。关键词全寿命管理、层次分析法、隶属函数、状态评估中国民用航空学院硕士学位论文a b s t r a c tw i t ht l l er 印i dd e v e l o p m e n to fi n f b h n a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h ea p p l i c a t i o no fm a n a g e r i a lt e c h n i q u eo fa e r o e n g i n en e c t ，t l l em a i n t e n 柚c em o d eo fa e r o e n g i n eh a sc h a n g e d 伊e a t l y n o w a d a y s ，出eo l dm a i m e n a i l c em o d ew h i c hm a i n t a i n sa e r o e n g i n e sa c c o r d i n gt ot h eh a r dt i m ei sc o m i n gt ot l l ee n df o r 旭e x 扛r l o r d i n a r yl o s sb o 血i ne c o n o m ya n dt i m e m e a l l 、h i l e ，an e w l yd e v e l o p e dm a i n t e n a n c em o d eh a sb e e ni m p k m e t 埔e do na e r o e n 西n e s ，w h i c hb r i n gf o n v a r d st l l a tt h ea e r o e n g i n e ss h o m db em a i n t a i n e da c c o r d i n gt oi t sr e a lc i r c u m s t a n c e t ol e a r nt l l eh e a l t l ls t a t eo fa e m - e n g i n e se x a c t l ya i l dq u i c k l y ，w en e e dag o o da s s e s s m e n tm e t h o dt h r o u g hw h i c hw ec a i la p p o i n t 出eo p t i m u mt i r l l ef o ft h ef e m o v a lo fa e r o - e n g i n e sa n dd r a wu pt h er a t i o n a lm a i m e n a n c ep l 砌n g 0 nm eb a s i so fa n a l y z i n gt h ed i 船d m t a g eo fs e v e r a lc u r r e n ta s s e s s m e n tm e t h o d so fa e r o e n g i n e ，t l l eh e a l t i la s s e s s m e n ts y s t e mo f a e r o e n g i n e i sc o n s t r u c t c d w i t h a h p ( 组a l ”i c a lh i e r a r c h yp m c e s s ) t l l e o r ya i l df u z 巧m a m t h i sa s s e s s m e n ts y s t e mc a nc o m b i n eq u a l i t a t i v ed a t aw i 血q u a n t i t a t i v ed a t ab yu s i n gsu _ b j e c t i o nn n c t i o na n dc a nb eu s e di nw e i g h t i n ga s s e s s m c n to f 也eh c a l t l ls 诅t eo fa 咖e n 百n ew ec a i lt h i sm c t h o df a h p ( f u z z ya n a l ”i c a lh i e r a r c h yp m c e s s ) e v e r ya e r o - e n g i n ep r o d u c e sa 孽e a td e a lo fd a 诅i ni t sd a i l y 、o r h n gp r o c e s s ，t h e s ed a t u r nc o m e 矗o mn i g h tc o u r s e ，w o r k s h o p ，t e s tc e l l a 1 1 de t c b yu s i n gf a h p lw ec a i le 瓶c i e n t l yi n t e g r a t ea l lv a l u a b l ei n f b n n a t i o no fa na c r o - e n g i n et oa 1 1i n d e x 、v h i c he m b o d i e st h eh e a l 也s t a t eo f 血ea e r o e n 垂n e t h er e s u no fq u e u i n ga e r o - e n g i 工1 en e e ta c c o r d i n gt ot l l eh c a l 也i n d e xw i l lb ev e r yh e i p f u lf o re n g i i l e e r st om a n a g et h ea e r o e n g i n en e e tm o r ec o n v 商e n t b 趾dc 伍d e n t l y w i 也恤s u p p o r to fa e r 0 - e n g 岫a l ll i f em a n a g e m 咖d 撕b a s e ，w h i c hi sb a s e do no m c l ed a t a b 髂e ，也ca c r o e n g mi n t e g r a t e dw e i g h tq u e u i n gs y s t e mi sd e v e l o p e d n l i ss y s t e mc a nd e a lw 烛a l lh n do f d a m mo fa e m - e n g i n ea u t o m 鲥c a l l y ，q u i c k l ya n dp r e c i s e l y j t sa p p l i c a t i o nr e a l i z e st 1 1 ed a t au p d a t ca i l dd a t as h a r e w h i c h 删sm a i l ya d v a n t a g e sf o r t h ed e v e l o p m e mo fl o n g d i s t a n c ea n dr e “t i m ea s s e s s m e n to fa c r o - e n g i n e k e yw o r d s ：e n g i n ca l l l i f em a n a g e m e n t ；a h p ( a n a l 蛳ch i e r a r c h yp r o c e s s ) ；s u b j e c t l o nf h n c t i o n ：h e a l ma s s e s s m e n tl i中国民用航空学院学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导f 进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国民用航空学院或其它教育机构的学位或证书而使用过的利料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名：垒! ! 土日期0 室中国民用航空学院学位论文使用授权声明中国民用航空学院、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印仲和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权中国民用航空学院研究生部办理，研究生签名：垒垃导师签名逊未生日期：生至：垒中国民用航空学院硕上学位论文第一章绪论1 1 发动机维修管理技术的重要性早在2 0 0 0 年1 1 月第三届中国航展上，民航总局副局长鲍培德曾说过，廿一世纪前十五年，是中国迈向世界航空强国的重要时期，我国将从民航大国迈向民航强国。为此，将大力开拓航空运输市场和提高技术管理水平。预计未来二十年中国的民航运输量将以平均8 6 左右的速度增长，需要1 5 0 0 多架飞机，总价值将超过1 0 0 0 亿美元。因此在这种大形势下，我国的航空公司每年都要从国外购入相当数量的飞机。其中航空发动机在航空公司的整个经营成本中，无论在最初的购买费用还是以后的日常维护中都占有极其重要的地位。依据美国普惠公司的观点，在航空公司的摧体经营成本中，与发动机有关的就占到3 2 ，接近1 3 ，通常发动机的一次非计划返厂会损失5 0 1 4 0 万美元，困发动机原因造成的一次飞机延误取消会损失2 5 万美元。由此可见，说发动机维修管理的完善程度是检验一个航空公司运营是否良好的标志之一并不为过。随着更先进制造技术的采用和设计概念的更新，发动机的维修管理技术得到了进一步的发展，发动机的可靠性水平离低成为了维修技术管理水平高低的体现。目前，对于拥有较大机群和选用新型发动机的公司来说，要想保持较高的使用可靠性水平和较低的维修费用投入，就必须使用全新的适合航空公司自身特点的发动机维修工程管理技术，于是发动机的机群管理技术应运而生。这种管理技术摒弃了以往使用定时维修方式和使用固定维修成本来保持发动机的安全性、可靠性，而导致维修成本居高不下的技术，雨是采用一种根据航空公司自身的机群维护使用经验建立的，以降低维修成本、提高可靠性为中心的主动式维修管理模式。航空发动机因其复杂的结构及高温、高转速的恶劣工作环境，时刻都可能发生故障。作为飞机的心脏，发动机的健康状况将直接影响飞机的安全飞行和按时出勤。在造成各类飞行事故的诸机械因素中，发动机是关键，因此对民用航空发动机进行准确的状态评估是保证飞行安全的根本途径。状态评估是以先进的状态监控手段、可靠的评估方法和寿命预测措施来判断发动机当前实际工作状况，并以有效的故障诊断方法来判断故障的部位、严重程度、发展趋势，识别故障的早期征兆。把发动机的状态评估技术引入航空公司的维修管理中是十分必要的。一方面它是实现先进的维修思想( 从“预防为主”的维修思想转变为“全面考虑可靠、安全、经济为目标”的维修理念) 和维修方式( 从单纯的定时方式转向定时维修、视情维修和状态监控三种方式) 的必要手段与前提条件；另一方面，它又可以迅速而准确地确定故障部位及故障严重程度，有利于确保飞行安全以及减少维修人力物力的投入，减少各发，缩短飞机的停场时间，提高飞机利用率，因而也是降低直接使用成本的重要技术手段。要实现航空发动机的主动式维修管理，做到对发动机的状态评估直接化、准确化，应从提高航空公司和维修公司的发动机使用管理和维修技术水平的角度出发，建设+ 个中犀民用航空学院硕士学位论文适应现代民航技术发展要求的发动机管理系统，以保持发动机机队健康状态，提高发动机可靠性，降低发动机使用维修成本，保证飞行安全。这种系统应能做到将发动机机群管理思想与现代信息技术相结合，并利用人工智能技术和产品数据管理技术，实现数据管理与分析的自动化，发动机性能监控的图形亿，机队多方资源利用的最优化和发动机工程管理的科学化，以适应航空公司集团化带来的机队规模扩大，飞机发动机机载数据电子化发展和全球航空公司竞争日益加剧的客观要求。于是在该管理系统上发展一种发动机数据综合分析系统，将大量宝贵的数据融合，从而实现对发动机状态的科学评估就成为需要解决的问题。1 2 发动机状态评估国内外研究现状和发展趋势1 2 ，l 一般的系统评估理论发动枫的状态评估是一个系统评估过程，是一个科学的定性分析与量化表示的论证工作。目前国内外使用的评估方法很多，主要有以下几种：1 t 0 p s i s 法t o p s i s 是多目标决策分析中的一类决策方法：即逼近理想解的排序方法( t e c i u l i q u ef o ro r d e rp r e f e r e n c eb vs i m i l a r i t vt o1 d e a ls o l u t i o n ) 。它是借助于多目标决策的“理想解”和“负理想解”去排序。所谓理想解是一设想的最好解( 最好方案) ，它的各个属性值都达到各候选方案中的最好值。而负理想解是设想的最坏解，它的各个属性值都达到各候选方案中最坏的值。尽管原有的方案集中没有这样的理想解和负理想解，但是当我们把每个实际解和理想解作比较，如其中有一个解最靠近理想解，同时又最远离负理想解，我们可以认为这个解是所有方案中最好的。2 熵值法设有m 个评估方案，n 项评估指标，形成原始指标数据矩阵z = ( x ，) 。对于某项指标x ，指标值x ，的差距越大，则该指标在综合评估中所起的作用越大。如果某项指标的指标值全部相等，则该指标在综合评估中不起作用。在信息论中，信息熵nh ( z ) = 一p ( x 。) l n p ( x ，) 是系统无序程度的度量，信息是系统有序程度的度量，二者绝i对值相等，符号相反。3 。某项指标的指标值变异程度越大，信息熵越小，浚指标提供的信息量越大，该指标的权重也应最大；反之，若某项指标的指标值变异程度越小，信息熵越大，该指标提供的信息量越小，该指标的权重也应越小。所以可以根据各项指标值的变异程度，利用信息熵这个工具计算出各指标的权重，为多指标综合评估提供依据。3 灰色决策法灰色系统理论是我国控制论专家邓聚龙教授于1 9 8 2 年创建的一门新理论。该理论用颜色的深浅来描述信息的完备程度，将内部信息部分已知的系统称为灰色系统。中国民用航卒学院硕士学位论文灰色决策是指在事件、对策、目标、效果统一的前提下，对明显含有扶元和灰信息的系统进行决策”3 。对于决策集具有模糊性的灰色系统，可以针对不同的目标，构造不同的隶属函数，使事件与对策组成的局势集通过映射获得效果测度。从而在各种可能的对策方案中，挑选出一个效果最佳的方案。4 加权评分法加权评分法是一种定量和定性相结合的研究方法，即将各对象的定量指标和定性指标逐个转换成相对等级分数。并按其相对重要性加权转换成加权等级分数，然后按加权等级的总分排列各对象的优劣顺序，以达到对比的目的”3 。加权评分法可表示为”e ：y 口，s ，冒其中e 加权后的总分数s 第i 个评估因素的得分q 第i 个评估因素所占的权重，一般要求巩= 15 层次分析法层次分析法( a h p ：a n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s ) 是美国著名的运筹学家t - l _ s a a c y 在2 0 世纪7 0 年代中期创立的一种多目标决策方法，其本质是试图使人的思维条理化、层次化0 1 。它充分利用人的经验和判断，对决策方案优劣进行排序。该方法具有实用性、系统性、简洁性等优点，是处理某些难以完全用定量方法分析的复杂问题的有力手段。层次分析法的基本思想是先按问题要求建立一个描述系统功能或特征的内部独立的递阶层次结构。通过两两比较因素( 或目标、准则、方案) 的相对重要性，构造上层某元素对下层相关元素的权重判断矩阵，以给出相关元素对某元素的相对重要序列”。a h p 的核心问题是排序问题，包括递阶层次结构原理、标度原理和排序原理。6 模糊评判法1 9 6 5 年美国著名的工程控制和系统论专家、加利福尼亚大学教授l a z e d e h 发表了著名的论文模糊集合，给出了模糊性现象的定量描述和分析运算的方法，标志着模糊数学这门新科学的诞生。模糊评判法是对受多个因素影响的事物做出全面、有效评估的一种方法。它突破了精确数学的逻辑和语言，强调了影响事物的因素的模糊性，较为深入地刻画了事物的客观属性”1 。应用模糊评判法首先要确定评估参数，不同评估参数在评估中起的作用不同，需要分别确定各参数的权重因子大小。随后要根据不屈参数的特点给出拟舍的隶属函数，结合评判标准，经模糊变换给出隶属度值，完成模糊综合评判。1 2 。2 现行的一些发动机状态评估方法发动机状态评估手段和寿命预测方法是以发动机状态监控手段为基础的，因此作为中国民用航空学院硕士学位论文评估发动机状态的重要组成部分，发动机状态监控与故障诊断拥有重要意义。现代民用航空发动机的状态监控，一般包括对发动机机械参数和性能变化监控两方面。机械参数的监控主要包括对发动机转子振动的监控和滑油监控( 包括滑油消耗量及磁性堵塞的检查，光谱分析和滑油理化性能检测) 以及孔探检查来反映发动机内部零部件的机械状态；对发动机性能变化的监控，则是通过对发动机主要参数如：转予转速、发动机排气温度、燃油流量、起飞裕度、转速裕度和主要站位性能参数等的监控，来反映发动机性能衰退情况、发动机有无故障及部件有无损伤。发动机状态监控是实现视情维修的关键技术和必要手段，是对发动机实施机群管理的基础，对保障飞行安全、提高飞机发动机的利用率、减少燃油消耗、降低维修成本等方面均具有重大的经济意义和社会效益。目前，利用状态监控来进行发动机机群管理，帮助做出维修决策的方法得到了广泛的应用。从国外来看，有代表性的例子是美国普惠公司。该公司认为实现最好的机群管理维修决策应考虑五大方面，它们分别为e c m i i 或e h m 监控数据、试车数据、航线维护、工程管理及飞行使用数据等资料。如图1 1 所示：图1 1影响机群管理维修决策的因素从国内来看，北京飞机维修工程有限公司在发动机的机群管理方面走在了国内飞机维修公司前列。该公司于1 9 9 9 年完成了普惠发动机机群管理研究，提出了以发动机机型可靠性为中心，针对发动机的各个维修管理环节，对楚个机群实行有效的维修管理措施，进行全方位管理，从而达到保持最佳发动机固有可靠性，降低维修费用的目的。其管理方式如图1 2 所示中国民用航空学院硕士学位论文图1 2 影响发动机状态评估的因素图可以看出，要想实现发动机机群的科学管理，必须考虑大量的发动机数据，并用一套科学完善的方法加以系统分析、评估。对发动机状态进行综合评估就是以发动机为参照对象，建立合理的评估指标体系，采用正确的评估方法，求出该发动机的综合评估分值，判断该发动机的健康状况，做出合理的维修检查计划。发动机状态评估即按发动机的某一健康指数将同种型号的发动机做健康排队，排队中名次靠前的发动机为状态较差的发动机，应对这些发动机实行重点监控、分析，必要时做出拆发或换发决定，以此来对整个发动机机群实行管理。现行的发动机健康状态评估方法区别于不同的公司而略有不同。现以北京飞机维修工程公司( a m e c o ) 和北方航空公司为例进行说明。a m e c o 的机队排队主要是根据e h m ( e c m h ) 软件，e h m 提供了反映燃油流量和排气指数的e g ti n d e x 即e g t 指数，b g t 指数越大，表示发动机性能越差。e g t指数相对于不同的发动机有不同的计算公式，如表1 1 “”所示：表1 1发动机机型e g t 指数计算表发动机型号e g t矾d e x的计算公式j t 9 d 7 r 47 5 e g t 十2 5 ( 6 5 f f )p w 4 0 0 07 5 e g t + 2 5 ( 6 _ 8 f f )这种排队方法的缺点是只考虑到了发动机性能方面的因素，反映的情况不够全面，排队结果可信程度不高。北方航空公司的机队排序主要是根据发动机的剩余e g t 裕度( o n w i n ge g r m ) 剩余e g t 裕度越小表征发动机性能状况越差。这种排队方法的缺点也是参与考虑的指标较少。中国民用航字学院硕士学位论文中国民航学院的许春生教授等人曾提出用加权方法对发动机的不同数据给予不同权重，从而实现对发动机的综合评估。此种方法大大扩充了参与发动机状态评估的数据指标，并在评估过程中加入了工程师的实际经验，在如何综合发动机数据的问题上提供了很好的思路。1 2 3 发动机全寿命管理系统产品生命周期管理( p r o d u c tl i f e c y c l em a j l a g e m e n t ，p l m ) 是近年来提出的一种产品管理理念，它准确地描述产品的“从摇篮到坟墓”的全生命周期管理，这种管理理念可以为企业争取到最大的经济利润。航空发动机维修是一个技术高度密集的产业，在发动机的寿命周期中，发动机的使用、维修阶段是时间最长的阶段，也是最重要的阶段。在实际生产中，从发动机选型、采购，到发动机进厂并安装运行，发动机管理部门面临的最多的和最重要的工作就是维修工作。所以，维修工作是发动机管理中的一个极为重要的环节，对于航空公司和发动机维修公司来说，改善飞机发动机的维修技术、加快维修数据的分析过程、提高工作效率、获取最大的经济效益是在当今世界竞争激烈的经济大潮中站稳脚跟的关键。因此，用全寿命管理的理念来进行发动机维修管理势在必行。近年来航空公司逐渐意识到传统定期维护发动机方式已经跟不上经济时代，飞机维修公司也急需一套更合理的数据管理方案来提高自身的维修水平。经过航空业的各方面专家、工程师共同努力总结，逐渐形成一个新的概念“视情维修”。视情维修的核心思想是：对发动机机群进行可靠性分析，通过发动机履历数据判断单台发动机在机群中的健康状态来预测发动机的拆发时间。因此建立一个全方位的发动机信息分析处理系统已是中国国际航空公司从领导到各级工程师的共识。课题“发动机全寿命管理系统”就是该公司在以上的大背景下，总结前人经验的基础上应运而生的新的航空发动机管理模式。以发动机健康监控为总体目标，以机群管理为技术基础，开发发动机全寿命管理系统，实现发动机航线数据、车间数据和车台数据管理和处理的自动化和智能亿，提高发动机状态评估的科学化和决策的量化支持程度。整个系统将包括航线数据处理分系统、车间数据处理分系统、车台数据处理分系统、系统管理分系统和发动机数据管理分系统五个分系统组成。其中航线系统、车间系统、车台系统涵盖了发动机生命周期的各个环节，这三个主要系统相辅相成，是一个有机整体。同时，还将开展发动机维修工程的技术研究，主要是致力于总结发动机维修的知识和模型，并应用到系统中。这一管理系统的成功建立，不仅为大量宝贵的发动机数据的保存提供了载体，更具意义的是为进行发动机的监控、评估并做迸一步深入研究提供了基础。发动机全寿命管理系统体系如图1 3 1 1 所示：6中国民用航空学院硕士学位论文图1 3 发动机全寿命管理系统体系1 3 基于模糊层次分析法的发动机状态评估由上可知，传统的发动机健康状态评估方法所依据的指标过于单一化，不能有效利用发动机监控软件、试车台数据、车间数据、航线维护记录等信息，无法反映各种指标的相对重要性，更无法加入发动机工程师许多宝贵的判断经验，从而很难表达发动机的综合健康状况。若能给出一种评估方法，将影响发动机状态的各种因素综合考虑进来，计算出相应的综合健康指数，再按此指数把同种型号的发动机进行排队，这对于评估发动机机队的健康状况，及时做出与发动机有关的决策和计划来说是非常重要的。一个合适的评估体系和方法不仅会影响评估结果的准确性，而且会由此影响航空公司及发动机维修厂家的生产计划、维修计划的制定。因此，经过到生产第一线北京e 机维修工程有限公司( a m e c o ) 的多次调研，了解了实际工作中的需求，分析了发动机数据信息的特征，再对几种系统评估方法进行比较，提出了用模糊层次分析法对同型号发动机机群进行综合健康状态排队并进行状态评估。模糊层次分析法是一种将层次分析法和模糊评判法相结合的方法。之所以选择这种方法是因为：发动机的健康状态具有明显的层次性，可以采用层次分析法：发动机的数据信息中除了包含定量成分外还包含了许多定性的成分，单纯用层次分析法很难对定性成份进行描述，而模糊评判法中的隶属度和隶属函数概念正是用精确数学语言描述定性因素和不确定因素的方法，它可以有效统一各因素指标的量纲。因此，将层次分析法和模糊评判法相结合可以取长补短。其过程如图1 4 所示：中国民用航空学院硬二i + 学位论文发动机机群上上分析发动机特征获取发动机评估指标上上建立发动机健康状态评估指标体系上上构造健康状态评估递阶层次模型上上建立同一层次指标的权重判断矩阵上上建立最底层指标的隶属函数，计算隶属度u计算综合权值并按发动机机群排队上上对发动机机群进行综合评估上上做出发动机决策，制定监控或维修方案图1 4 发动机健康状态评估过程1 4 主要研究内容本文的研究工作主要针对中航集团国际航空公司机务维修的实际需求，围绕航空发动机全寿命管理系统中发动机综合权值排队的关键技术和系统开发展开。本文将作以下几个方面的研究：1 以发动机综合权值排队系统为主体，进行发动机健康状态评估系统总体方案设计，并与发动机全寿命管理系统相匹配。2 研究航空发动机综合评估体系制定原则，建立发动机健康状态综合评估层次模型，应用模糊层次分析法对发动机进行健康状态评估，给出评估指标缀合权重，建立最底层指标的隶属函数和隶属阈值。3 分析影响发动机寿命的因素，对比国内外的一些研究成果，提出更实际、有效的发动机寿命预测方法。4 开发以综合权值排队为主体的发动机状态评估系统软件，使发动机工程师及管理人员能够简易、方便地获知发动机机群的健康状况，从而做出正确的决策。中国民用航空学院 西l 七学位论文第二章发动机状态评估指标体系2 1 评估指标体系理论所谓评估，一般是指按照明确目标测定对象属性，并把它变成主观效应的行为。由于评估对象涉及的因素较多、复杂程度较高，以此，要按照严格、精确方法进行还有不少困难。系统工程方法指的是应当把研究的对象作为系统来分析，对分析结果加以综合后得到所要的有价值信息。在系统评估中，首先要熟悉评估方案和确定评估指标。熟悉评估方案是通过大量的调查研究，了解系统不同侧面的功用和要求。评估指标是评估条目和要求，是方案期望达到的指标。然后根据方案情况，综合评估指标，应用合适的方法，先对系统做单项评估，再做综合评估。由于发动机的类型多种多样，不同类型的发动机又有不同的设计、使用要求，因此制订全面、合理的评估指标体系是对发动机做综合评估首先要解决的问题。发动机健康状态评估体系的制定必须遵循科学性与实用性、完整性与可操作性、系统性与不相容性、定型指标与定量指标相结合的原则“，概括起来有以f 几个方面：1 综合性原则。指标体系应能反映待评估的发动机的综合情况，包括发动机日常维护数据、修理数据、试车数据等多方面信息，以保证评估结果的全面与可靠。2 科学性原则。力求客观、真实、准确地反映被评估的发动机的健康状况。有些指标可能目前尚无法获得，但若与综合评估关系较大，也可作为建议指标列出。3 可行性原则。评估指标应有明确的含义，要有一定的现实统计作为基础，可以根据数值或描述进行数学计算与分析。同时，指标要适量，内容耍实际，方法要可行。在满足有效性的前提下，尽可能清晰简便。4 定性评估与定量评估相结合的原则。在评估中，既要把握被评估发动机“质”一面，对其进行定性分析，又要把握被评估发动机“量”的一面，对其进行定量分析，即评估指标要尽可能量化。如果对某些指标量化难度较大，有时也可用定性指标来描述，以便从质和量的角度，对发动机得出科学的评估结论。5 不相容性原则。由于评估项目繁多，应尽可能避免含义相同或相近的指标重复出现，做到指标简洁、概括并具有代表性。2 2 影响发动机状态的因素作为“发动机全寿命管理系统”的重要部分，发动机状态评估的进行是围绕发动机的航线运行维护、拆发并返厂修理、试车这一系列过程展开的，因此时发动机进行健康状态评估的参考信息应来源于这些过程。经过归纳可以把这些信息分为四个部分。即航线部分、车间部分、试车部分以及其他数据来源，每一部分又包含了许多数据指标。如图2 1 所示为发动机状态评估的主要数据来源。9中国民用航空学院硕士学位论文图2 1 发动机状态评估主要数据来源2 2 1 航线维护信息2 2 1 1 监控软件报告目前各个发动机厂家都为其生产的发动机编制了相应的监控软件，并提供给用户，( 如普惠公司的e h m 、罗罗公司的c o m p a s s 、通用电气公司的s a g e ) 以实现对发动机的状态监控。作为用户，需要充分利用这些工具来评估发动机状态，使其发挥出喧有的效益，也就是要充分地利用发动机厂家监控软件的输出结果。同时，航空公司又要考虑自己公司的实际情况，综合考虑机队中所有发动机的总体形势，制定出发动机换发和维修计划等，以降低发动机寿命期内运营成本。因为发动机生产厂家拥有设计资料，也就能够最大限度地给出自己发动机精确的数学模型，而这也是通过他们编制的软件体现出来的，所以我们应当充分利用发动机厂家监控软件给出的各种结果，并综合考虑多方面的信息，以实现发动机的机群管理，做出有效的维修决策。美国普惠公司的e h m 报告是发动机监控软件中极具代表性的例子。e h m 是用于p w 系列发动机的监控软件，这一系列发动机的性能监控工作主要利用e h m 进行：e h m是从普惠公司早期的监控软件e c m 和e c m i i 发展而来的，它提供了起飞和巡航两个飞行阶段的发动机运行性能状况，列出了初始化后的性能趋势图表和未经初始化的原始数据。它不仅可以及时地反映发动机健康状况，还用于发动机的故障分析，并对发动机性能发展进行初步地预测。例如，北京飞机维修工程公司( a m e c o ) 每天对发动机的运行数据进行下载，及时分析处理，对于发现的问题按照相关程序，通知相关部门采取相应的措施。通过分析发动机性能状况及趋势，对发动机状态进行排队，制定出合理的维护工作安排和长期的大修计划安排。普惠公司e 幢报告的样式见附录。由上述分析可知，无论对哪种型号的发动机进行状态评估，其对应的监控软件报告都是一个非常重要的信息来源。2 2 1 2 发动机外场维护信息正常的航线维护检查主要是根据维修计划所规定的项目，对发动机的各个系统部件进行功能性检查，以检测系统部件是否具备满足安全飞行所需要的功能。r 常的航线维护工作包括以下几个重要方面：1 孔探检查。孔探检查工作要由专业人员完成。经过系统的培训，严格掌握标准，不断积累总结经验，对每台发动机建立历史档案，密切监视发动机的本体损伤发展趋势，1 0中国民用航空学院硕士学位论文根据检查和分析结果，提出合理的发动机使用维护建议和发动机拆下时间。2 磁性堵塞和滑油滤的检查。检查目的在于监控发动机轴承组件及滑油系统的部件状况。发动机的多起空中停车都是由于发动机轴承损坏造成，而发动机磁堵检查是监控发动机轴承状况的非常重要的手段，它能及早发现轴承组件故障，避免严重影响飞行安全的事故发生。3 燃油滤检查在监控发动机燃油系统部件状况方面，也发挥着重要的作用。曾经出现过因燃油滤中存在大量金属屑，引起燃油泵严重损坏，导致整个燃油系统受到污染的情况。因此，燃油率检查在航线维护工作中是必不可少的。4 建立开包皮检查制度可以及早地发现安装部件的状况，防止因部件松动、损坏而引起故障。另外发动机清洗对恢复发动机性能有着很好的效果，但清洗工作应寻求最佳的方法，才能取得所期望的效果。2 2 2 车间修理信息机群管理的核心是可靠性的管理，从根本上讲，固有可靠性是发动机设计制造过程形成的，而固有可靠性恢复的高低则直接来源于在车间修理的结果。因此，作为发动机机群管理的熏要一环，如何更好地利用所积累的维修、维护经验来恢复并提高发动机可靠性，降低维修成本，建立适合航空公司自身特点的车间维修管理计划就尤为重要。车间发动机修理工作通常包括以下四个部分：1 综合检蠢。综合检查包括对滑油燃油系统、发动机控制电子系统，放气系统，压气机调节系统，涡轮冷却空气系统，涡轮机匣冷却系统、点火系统、反推系统以及发动机外部件和内部可视零件的一般检查。2 发动机，单元体的检查。一般把进场维修的发动机归为两大类：发动机修理和发动机大修，进一步可以分为单元体修理和单元体大修，这样发动机的车间修理就有了明确定义和最低限度的要求。对于进厂修理的发动机，按最低限度维修，通常要完成以下工作： 所有与适航指令和紧急服务通告有关的工程指令( e 0 ) 。 更换或报废达到零部件使用和存储时限( c o s l ) 和发动机手册( e m ) 0 5 章节时限要求的零件或附件。 找到并纠正故障原因。 检查到零件、组件、附件的不合格情况必须进行修理或更换。对于已达到零部件使用和存储时限( c o s l ) 中要求的单元体时间循环的时限( 软时限或硬时限) ，或超出发动机修理工作要求的发动机的修理应按大修要求来实施工作。3 附件，q e c 部件发动机外部管路的检查和修理。这一部分主要根据不同维修级别的规定，对一些易发生问题的部件检查来完善系统部件的可靠性”。| 。如，对于e e c导线束，e g t 探头等电气部件，检查的重点是导通性和绝缘性；对于修理发动机，如果燃油喷嘴未到达修理间隔，则只执行目视检查而不做荧光探伤检查和功能检查，而对于大修发动机，为保证可靠性的恢复，即使燃油喷嘴未达到修理间隔，也要进行功能捡中国民用航空学院硕士学位论文查。4 试车前准备。这一部分主要对修理或大修后的发动机进行最后的检查。对仅做过部分修理的发动机在试车前应进行气流通道清洗，以提高压气机叶片光洁度，提高压气机效率，降低燃油消耗，降低排气温度。试车合格后的发动机还要再次进行气流通道的孔探检查、发动机磁性堵塞检查及外部件的最终检查，通过这些措旅确保发动机无故障装机使用n 。车间修理是发动机维护中最核心的一个过程，在此发动机每次进厂修理时产生的大量宝贵数据信息都代表了该发动机在整个寿命循环中某一时刻健康状态，因此应该注重积累和有效利用。2 2 3 试车信息每一个发动机大修厂都应该建有自己的试车台，对经过大修或修理后的发动机进行试车，以保证和证实发动机是可用的。通过车台测量得到的试车数据，与手册中的各项极限标准进行比较，合格的出厂。在发动机机群管理出现以前，试车台的数据以单台形式存在，数据分析简单。试车的目的只是为了检验修理后的单台发动机是否满足手册要求的最低标准。试车台的一般意义是只注重产品的合格性，而不研究产品的品质：只关心试车台的标准对发动机进行参数测量，而没有手段对试车台本身测量参数的准确一致性进行监督。在发动机性能参数分析全寿命分析中，对试车台试车性能参数的分析是其中关键的一环，它起着承上启下的作用。对修后出厂的发动机来说，它的试车性能就代表着装机后该发动机的固有可靠性，一个试车性能不好的发动机，是不可能具有很高的装机使用可靠性的。对因性能衰退原因拆换下的发动机来说，如果做了进厂试车，则它的试车参数分析不仅对制定车间工作范围非常有意义，而且更决定了机群装机性能可以使用到的最大的衰退程度，这也是机群管理为达到装机发动机视情使用所必须建立的一些健康指标。从机群管理的角度出发，我们对大量试车数据进行分析，总结出对机群有指导意义的规律和探索蹦可视、量化的各项机群性能指标，不仅为车间制定工作范围提供数据，还将车间和航线联系起来，充分开发利用试车台数据，使试车数据分析成为机群管理中发动机性能参数分析的基础。国外在航空发动机试车数据处理领域做的最好，有代表性的是普惠公司。普惠公司开发的m a p n e t ( m o d m e a n a l y s i s p r o 冒锄n e t 、v o r k ) 试车数据处理软件是适用于网络的单元体分析程序，它的核心是对于特定的基线来修正和分析发动机在车台的气路性能数据。分析结果是以各单元体与基线发动机各参数的偏移量、与基线发动机的效率和流通能力的差别来评定的。使用m a p n e t 普通的做法是需要先把发动机性能原始数据通过a t & t 的e a s y l i i l k 网传送到普惠美国总部的主机上，然后再将计算报告接收回来。现在，普惠公司还提供给客户有别于a t t 的e a s y l i n k 网的另一种基于p & w 的电子商务客户端口的互联网络传输方法。它的特点是：在完成注册后，就可以方便地传递和接收文件，省却了以往昂贵的通讯费用；方便地存储和接收m a p n e t 报告；可以从客户的内部计1 2中国民用航空学院硕士学位论文算机系统的任何文件夹中上载文件；可以将下载的m a p n e t 报告存储到客户的内部计算机系统的任何文件夹中，可以随时随地查看m a p n e t 报告。国外大多数航空公司都借助于m a p n e t 数据建立自己的车台试车机群数据库，并在数据库的基础上建立了自己的机群基线。通过分析机群数据对发动机健康状况和修理质量进行评估，同时还对车台标定前后及使用中的数据一致性进行分析。而且国外大型航空公司还通过试车数据和装机数据，特别是拆换发动机的进厂试车数据，建立起车台起飞功率点下的e g t 裕度与装机e h m 上的巡航e g t 的关系，用于确定装机机群的性能状况分布和预测拆换发动机的起飞e g t 裕度，为车间制定工作范围提供发动机性能数据“”“。通过试车，可以知道经过修理的发动机的初始健康状况，打个比方，这就好比一个病人入院经医生治疗后出院时的状况，而了解这种状况对于检验发动机修理的优劣是很必要的。因此在试车台上获得的很多参数，包括工程师对这些参数的评估意见，都是对发动机进行状态评估所不可缺少的。2 2 4 其它信息除以上三个信息来源外，发动机的评估工作还会受其他一些因素的影响。如服务通告( s b ) 和适航指令( a d ) 以及工程师建议措施等。2 3 发动机状态综合评估指标体系的建立综上所分析，评估发动机健康状况的数据应来源于航线、车间、试车台这三个主要数据源，同时考虑其它一些因素影响，如发动机的适航性、服务通告等。通过分析研究，所有的这些数据我们可以归纳为以下五个方面：性能信息、故障信息、时间信息、试车信息以及寿命信息。据此建立发动机状态评估指标体系，如图2 2 “所示：中国民用航空学院硕士学位论文性能状态故障状态时间状态排气温度( e g t )燃油流量( f f )起飞裕度( e g t m )孔探检查振动监控滑油监控发动机大修后循环时寿件限制服务通告与适航指令进厂修理r 作范围初始权值卜_ 一单元体评估预计剩余寿命试车e g t 裕度( e g l m )图2 2 发动机状态评估指标体系低压轴振动( a v m l )高压轴振动( a v m h )风扇( f a n ) 评估低压压气机( l p c ) 评估高压压气机( h p c ) 评 卉高压涡轮( h p t ) 评估低压涡轮( l p t ) 评估2 4 综合权值排队所谓综合权值排队，即综合利用已知的发动机数据信息，对不同重要程度的数据信息采用加权处理，计算出一个总的加权值( 也可称为发动机健康指数) ，再按此指标值对发动机作排队，并规定排名越靠前的发动机为健康状况越差的发动机。经过排队，可以迅速、准确地了解发动机机群的整体健康状况，以此结果作为发动机状态评估的依据，实际上对发动机的排队过程亦即评估过程。在综合权值排队的下一层次，还可以分为性能分权值排队、故障分权值排队、时间分权值排队、初始分权值排队以及预计剩余寿命分权值排队五个部分，下面将分别讨论。2 4 1 性能分权值排队发动机性能分权值排队所采用的指标为排气温度( e g t ) 、燃油流量( f f ) 和起飞e g t 裕度( e g t m ) 。这三个指标为反映发动机气动性能的最重要的三个指标，也是发动机监控软件( e h m ) 重点监控的三个数据量。e g t 的高低，反映了发动机中最重要、最关键的参数一涡轮前燃气总温的高低，同时它决定了发动机性能的优劣和变化，决定了涡轮导向器工作的安全和寿命，对压气机和涡轮效率的下降极为敏感，对引气系统的故障也有很明显的反应。一般随着这些放障的出现，e o t 均有不同程度的升高。当发动机工作状态参数和飞行状态参数出现问1 4发动机健康状态综合评估中国民用航空学院颧士学位论文题时，e g t 随之而变化。正因为如此，e g t 是一个极为重要的监控参数。燃油流量是作为发动机的一个经济性能指标而被监控的。它与e g t 一样，随着发动机各部件效率的下降而增加当发动机工作状态参数和飞行参数发生变化时，燃油流量也随之而变化。起飞e g t 裕度表明了发动机起飞时e g t 距离稳定工作边晃的距离，其值越大，表明发动机的工作状态越稳定。2 4 2 故障分权值排队故障分权值排队所采用的指标为孔探检查结果、滑油耗量以及发动机转子的振动监控值( a v m ) 。这三个指标有来自航线的维护数据，也有来自发动监控软件的监控数据，它们主要代表了发动机机械方面的重要信息。孔探检查结果记录了发动机结构发面的故障信息，尤其对无法目视检查的构件，采用孔探检查并通过分析孔探照片，可以方便地判断发动枫机械故障的严熏程度，帮助工程师做出相应的维修决策。a v m 在监控排除发动机的振动故障方面起着非常大的作用，它提供了有关旋