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摘?要：本文綜合考慮了發(fā)動機服役過程中的任務(wù)情況、使用環(huán)境、維修操作等影響因素，提出了基于使用工況的發(fā)動機壽命消耗折算模型，并通過案例分析介紹了模型的使用方法。本文的研究思路和成果為實現(xiàn)發(fā)動機由定時維修向視情維修的轉(zhuǎn)型提供了技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：健康管理；視情維修；壽命消耗；使用工況

中圖分類號：TH1  文獻標識碼：B  文章編號：1671-2064(2023)03-0064-04

  航空發(fā)動機健康管理是確保飛行安全，降低維修保障費用的重要手段，通過采取積極主動的措施監(jiān)視發(fā)動機的健康狀態(tài)、預測性能變化趨勢、預測部件故障發(fā)生的時機及剩余使用壽命，以減少人力、備件等運營成本，實現(xiàn)維修制度由定期預防性維修向視情維護的轉(zhuǎn)型^[1]。

  壽命管理是先進航空發(fā)動機健康管理系統(tǒng)的重要功能，發(fā)動機壽命消耗及剩余使用壽命是發(fā)動機視情維修的重要參考指標。飛機發(fā)動機由多個部件組成，存在磨損、疲勞、氣路性能衰退、腐蝕等多種影響壽命消耗的因素，目前，多數(shù)方法采用的思路是依據(jù)設(shè)計參數(shù)定壽，很少有綜合了可靠性、狀態(tài)和故障數(shù)據(jù)來動態(tài)地預測發(fā)動機的整機、單元體或部件的壽命，且預測結(jié)果對維修決策的支持也不夠^[2]。作為視情維修的高級階段，基于使用狀態(tài)的壽命消耗方面的研究有技術(shù)，也有理論，但是定性分析較多，理論建模分析較少。

  本文從任務(wù)情況、使用環(huán)境、維修操作等角度對發(fā)動機壽命消耗特點進行綜合分析，探究實際使用中發(fā)動機壽命消耗的規(guī)律，根據(jù)發(fā)動機壽命消耗特點，參考國內(nèi)外典型壽命管理技術(shù)方法建立發(fā)動機壽命消耗綜合折算模型，從而根據(jù)實際使用工況計算發(fā)動機壽命消耗及預測剩余壽命。

1. 發(fā)動機壽命消耗特點分析

  任務(wù)情況、使用環(huán)境、維修操作等方面因素均會影響發(fā)動機的壽命消耗情況，本文探究各因素與發(fā)動機壽命消耗的關(guān)系，定性分析發(fā)動機壽命消耗特點。發(fā)動機壽命消耗特點分析步驟如圖1所示。

圖1 發(fā)動機壽命消耗特點分析

1.1 確定影響類型

  影響航空發(fā)動機零部件使用壽命的因素有很多，從能否預測事件發(fā)生可能性的角度來看，可以分為以下兩種。

  第一種是按照預定的原因破壞，即失效模式與發(fā)動機的使用壽命消耗有內(nèi)在的聯(lián)系，這種因素通常是可以預測并能定量分析的，其影響的最終結(jié)果即使用壽命也可以給出量化指標，該類因素有：高循環(huán)疲勞、低循環(huán)疲勞、蠕變疲勞及熱疲勞等^[3]。在復雜任務(wù)下，發(fā)動機所受載荷更加復雜，長期高強度、高應(yīng)力的條件下，就會造成各種疲勞損傷和蠕變。在任務(wù)執(zhí)行前，能通過將要執(zhí)行的任務(wù)剖面來分析飛機發(fā)動機的損傷及消耗。

  第二種是不可預測的，帶有很大的隨機性和偶發(fā)性，并與外界使用環(huán)境因素密切相關(guān)。實踐表明，影響航空發(fā)動機零部件使用安全性和可靠性往往與下列因素有關(guān)：外來物損傷、腐蝕、機械磨蝕、微動損傷、碰摩、維修人員人為損傷、違規(guī)維修、工作環(huán)境、零部件加工或使用過程中形成的殘余應(yīng)力等^[4]。這類因素可統(tǒng)一為使用環(huán)境影響、維修操作影響以及其他影響。

1.2 選定表征參數(shù)

  在確定影響類型之后，研究該影響類型下的表征參數(shù)，并根據(jù)發(fā)動機的具體情況以及參數(shù)特性，選定典型表征參數(shù)，并大致了解參數(shù)數(shù)值范圍，為后文的數(shù)據(jù)篩選做準備。

  在第一種因素中，發(fā)動機的損傷和消耗與飛機所執(zhí)行的任務(wù)有著直接關(guān)聯(lián)。考慮到任務(wù)執(zhí)行前發(fā)動機運行信息有限，同時影響發(fā)動機壽命的主要還是最大狀態(tài)工作時間，故本研究主要通過分析執(zhí)行的任務(wù)剖面，通過最大狀態(tài)工作時間分析對發(fā)動機壽命的影響。其中包括任務(wù)單次執(zhí)行的時長以及任務(wù)剖面各組成部分的時長。

  在第二種因素中，主要考慮腐蝕、磨損以及一些其他人為損傷，在任務(wù)中直接與這些因素關(guān)聯(lián)的是任務(wù)執(zhí)行時周圍環(huán)境，通過任務(wù)執(zhí)行時的飛行高度（海拔）、環(huán)境溫度、濕度以及其他人為因素影響來量化描述。考慮到在實際任務(wù)運行中，溫度和濕度預測困難，本研究通過任務(wù)執(zhí)行地域和季節(jié)的組合方式來推算出溫度和濕度的影響程度。

1.3 確定影響來源

  針對不同的影響類型，信息采集來源也不一樣。根據(jù)飛機設(shè)計特性確定影響因素的信息來源。在任務(wù)前進行發(fā)動機壽命預測，主要的輸入信息為任務(wù)執(zhí)行時的環(huán)境信息，以及飛機飛行任務(wù)剖面等信息。

1.4 建立影響關(guān)系

  根據(jù)相關(guān)理論知識及歷史經(jīng)驗，初步探究影響因素和壽命消耗之間的關(guān)系。

  在執(zhí)行不同任務(wù)時，飛行任務(wù)剖面的構(gòu)成將會發(fā)生變化，發(fā)動機處于不同運行狀態(tài)（慢車狀態(tài)、最大狀態(tài)等）的工作時間占比也不一樣；而在不同的狀態(tài)下，發(fā)動機的運行功率、轉(zhuǎn)速將會直接影響到發(fā)動機所受載荷，從而對發(fā)動機壽命產(chǎn)生直接的影響，比如最大狀態(tài)時間占比越大，發(fā)動機壽命消耗越劇烈。

  在不同的飛行高度下，發(fā)動機所處的大氣壓會發(fā)生變化，進而對發(fā)動機零部件的運行產(chǎn)生影響，可能加速發(fā)動機壽命消耗；溫度和濕度主要是產(chǎn)生腐蝕和機械磨蝕，加大發(fā)動機壽命消耗，并且長期在非標定溫度下運行，實際壽命會低于設(shè)計壽命；其他人為因素主要是對除上述因素外的其他因素以及一些人為造成的損傷，需要考慮其對發(fā)動機壽命的影響，通過修正系數(shù)對發(fā)動機壽命進行修正。

2. 發(fā)動機壽命消耗折算模型

  如圖2所示，根據(jù)發(fā)動機壽命消耗特點的分析，不同類型的影響因素對應(yīng)著不同的影響關(guān)系，代表著不同的發(fā)動機壽命消耗折算。對于任務(wù)影響因素，考慮不同狀態(tài)下的工作時間，建立基于定壽載荷譜的發(fā)動機壽命消耗折算模型，從而得到基底壽命；再考慮使用環(huán)境、維修操作對壽命消耗的影響，考慮環(huán)境、維修因素的發(fā)動機壽命綜合折算模型，最終折算出發(fā)動機的壽命消耗。

圖2 基于發(fā)動機使用工況的壽命消耗折算模型研究

           （1）

  其中t_c^*表示發(fā)動機相對于基準飛行剖面的壽命消耗，令

     （2）

  即目標任務(wù)剖面工作時間表示為典型剖面的線性組合形式，l_i表示剖面合成權(quán)重系數(shù)，K表示飛行剖面折合系數(shù)，A_fk表示環(huán)境類影響折合系數(shù)。

  下文將對模型中的具體參數(shù)的來源及計算方式進行詳細描述。

2.1 剖面合成權(quán)重系數(shù)

  飛行任務(wù)剖面是由若干任務(wù)段組成的，通過對剖面進行分析，可以將目標任務(wù)剖面處理為由典型任務(wù)剖面中任務(wù)段合成的剖面。假定任務(wù)剖面由n個任務(wù)段組成。若記飛機在剖面x_i下的飛行任務(wù)時間為t_i，其中第j個任務(wù)段時間為t_ij（如果飛行剖面x_i不包含第j個任務(wù)段，則記t_ij=0）。則在目標任務(wù)剖面x_s下的飛行任務(wù)時間為t_s，第j個任務(wù)段時間為t_sj^[5]。假設(shè)目標任務(wù)剖面x_s由q個剖面（x₁,x₂,…,x_q）^T合成，其中具體典型剖面數(shù)由用戶輸入的飛機設(shè)計數(shù)據(jù)確定。合成的原則為剖面X=(x₁,x₂,…,x_q)^T中各任務(wù)段時間的加權(quán)線性組合分別等于目標任務(wù)剖面x_s中相應(yīng)任務(wù)段的時間，則有

 

  其中，l₁,l₂,…,l_q為加權(quán)系數(shù)，令L=(l₁,l₂,…,l_q)^T，T_s= (t_s1,t_s2,…,t_sn)^T, ，則上式可表示為如下矩陣形式：

P^T L=T_s

則

PP^T L=PT_s

求得

L=(PP^T)^-1 PT_s              （3）

2.2 飛行剖面折合系數(shù)

  飛行剖面是指為完成某一特定飛行任務(wù)而繪制的飛機航跡圖形，是飛機戰(zhàn)術(shù)技術(shù)要求的組成部分和重要設(shè)計依據(jù)，也是形象地表達飛行任務(wù)的一種形式。與一般飛機裝備不同，根據(jù)任務(wù)的需要，作戰(zhàn)飛機的飛行典型剖面主要分為截擊、戰(zhàn)斗巡邏、戰(zhàn)斗偵察、訓練等．飛行剖面以起飛基地為原點，由若干種任務(wù)段組成，包括起飛、巡航、降落等。在每個任務(wù)段上，一般都標明飛行速度、高度、飛行時間等。

  為了綜合利用不同飛行剖面下對壽命消耗的影響，可參照環(huán)境折合系數(shù)的概念，定義飛行剖面折合系數(shù)，飛行剖面折合參數(shù)指的是，將不同類型的剖面任務(wù)段時間，通過折合系數(shù)，換算成同一剖面任務(wù)段時間，可類比環(huán)境折合系數(shù)．假設(shè)產(chǎn)品在環(huán)境條件I和II下分布類型相同，則k=t₂/t₁，t₁表示在環(huán)境條件I下的壽命消耗，t₂表示在環(huán)境條件II下的壽命消耗，則產(chǎn)品在環(huán)境條件I 下的壽命消耗t₁相當于在環(huán)境條件II下的壽命消耗kt₁。

  在確定了任務(wù)剖面合成的權(quán)重系數(shù)后，結(jié)合飛行剖面折合系數(shù)即可得到在目標任務(wù)剖面x_s下的壽命消耗。假設(shè)飛機在q個剖面（x₁,x₂,…,x_q）^T的設(shè)計壽命為（T₁,T₂,…,T_q）^T,以第一個剖面為基準，得到比例系數(shù)（k₁,k₂,…,k_q）^T，其中k_i=T_i/T₁，對應(yīng)的壽命消耗折合系數(shù)定義為K。

                                                       （4）

2.3 環(huán)境、維修因素折合系數(shù)

  針對使用環(huán)境和維修操作因素，結(jié)合比例風險法，將使用環(huán)境和維修操作對壽命消耗的影響系數(shù)化，通過比例系數(shù)對基底壽命進行修正，最終得到實際壽命。應(yīng)用比例風險模型的好處在于對于考慮的因素不會對對象壽命產(chǎn)生非常劇烈的影響，而地域、氣候、環(huán)境等因素在發(fā)動機實際的使用過程中也非常符合上述特點。本研究中采用的比例風險模型形式如下式所示。

                                                       （5）

  公式中，t_c*是最終折算得到的壽命消耗，t_c是基底壽命消耗，也就是通過前面幾步分析得到的發(fā)動機壽命消耗；A_fk為第k個影響因素折合成的比例系數(shù)，表征發(fā)動機在使用過程中所遭受的地域、氣候、環(huán)境因素的特征量，它們是影響發(fā)動機壽命行為的伴隨因素。

  其中，A_f1為平均飛行高度（海拔）影響系數(shù)，A_f2為季節(jié)溫度影響系數(shù)，A_f3為濕度影響系數(shù)，A_f4為除以上環(huán)境影響因素外的人為影響因素的修正系數(shù)。海拔系數(shù)折合規(guī)則；在海拔0m的基礎(chǔ)上，每上升1000m，系數(shù)增加0.1。考慮到實際任務(wù)執(zhí)行信息中溫度和濕度信息獲取困難，故通過任務(wù)執(zhí)行地域和季節(jié)的組合方式，根據(jù)歷史大數(shù)據(jù)得到各時期、地點、任務(wù)等影響因素的附件故障數(shù)，建立統(tǒng)計擬合模型，利用最小二乘法、最大似然法等求解^[6]，或在數(shù)據(jù)缺乏情況下由相關(guān)專業(yè)人士根據(jù)經(jīng)驗確定，如表1所示。

  其中：

                                                            （6）

2.4 案例分析

  本模型功能實現(xiàn)經(jīng)過抽象和簡化需要三張表的輸入，如表2典型剖面信息表、表3最小剖面信息表、表4裝備任務(wù)表。

表2 典型剖面信息表

典型剖面	起飛爬升/min	巡航/min	降落/min	任務(wù)總時間/min	設(shè)計壽命/h
剖面1	5	200	5	210	10000
剖面2	10	100	5	115	8000
剖面3	20	300	3	323	6000

表3 最小剖面信息表（這里只羅列所用到的字段列）

任務(wù)名稱	起飛爬升/min	巡航/min	降落/min	剖面總時間/min
任務(wù)1	7	150	5	162

表4 裝備任務(wù)表

任務(wù)名稱	海拔/m	任務(wù)執(zhí)行地域	季節(jié)	人因影響系數(shù)
任務(wù)1	1000	海南島	夏	1.1

  壽命消耗折算：

  海拔折合系數(shù)為1.1；溫度折合系數(shù)為1；濕度折合系數(shù)為1.1；

基于式（3）：

 

基于式（2）：

 

基于式（4）：

 

則基于式（1）、（5）、（6）：

 

=(114.692,53.519,-6.212)×(1,1.25,1.667)^T×(1.1×1×1.1×1.1)=171.24×(1.1×1×1.1×1.1)=227.92min

  故在目標任務(wù)剖面下，相當于在典型剖面1總壽命為10000h情況時，壽命消耗約228min。通過計算過程分析，在不考慮環(huán)境、維修因素影響下，相當于典型剖面1壽命消耗171.24min，大于實際目標任務(wù)時間162min，經(jīng)過剖面特點分析，在實際目標任務(wù)剖面中，起飛爬升時間更長，致使壽命消耗比例增加。再考慮環(huán)境、維修因素影響，最終求得相對于典型剖面1壽命消耗227.92min。

3. 結(jié)論

  本文提出的基于使用工況的發(fā)動機壽命消耗折算模型，綜合考慮了任務(wù)、環(huán)境、維修等影響因素。實際上協(xié)變量選取越全面模型的效果會越好，未來的研究中可進一步加入更多反映發(fā)動機故障狀態(tài)、運行環(huán)境的協(xié)變量，對發(fā)動機及其相關(guān)零部件故障率進行評估，以得到更為精確的結(jié)果，并在不斷的試驗和驗證積累中，使模型得以優(yōu)化和完善，為實現(xiàn)航空發(fā)動機先進健康管理系統(tǒng)的研發(fā)以及基于視情維修的維護保障決策研究提供技術(shù)參考。

參考文獻

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Engine Life Consumption Conversion Model Based on Working Conditions

WANG Qilin

(AECC Hunan Aviation Powerplant Research Institute, Zhuzhou  Hunan  412002)

Abstract:This paper comprehensively considers the task situation, working environment, maintenance operation and other influencing factors in the process of engine service, puts forward an engine life consumption conversion model, and introduces the use method of the model through case analysis. The research ideas and achievements of this paper provide a technical reference for the transformation of the engine from timing maintenance to conditional maintenance.

Key words:health management;repairs as appropriate;life consumption;working conditions