CN111080838B - 一种机载发动机健康管理系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于航空发动机健康管理技术领域，涉及一种机载发动机健康管理系统及方法，解决传统的航空发动机维护方法中存在的耗时、成本高及无法对发动机工况状态进行监控的问题。该系统由机载健康管理计算机与地面站组成，EMU实时监测发动机状态参数以及关键部件的健康参数，经过处理的振动、滑油金属屑参数给飞行员告警，并将故障时刻前后时间段内的数据进行记录；地面站通过以太网下载EMU电子盘记录数据，对数据进行分析，实现故障的判断和定位，给出维修建议，地勤人员根据提示信息进行视情维修。本发明为工程师排故和故障预测提供大量可分析数据，验证并逐步完善异常检测、故障诊断、趋势分析、寿命管理和维修建议算法。

Description

一种机载发动机健康管理系统及方法
技术领域
本发明属于航空发动机健康管理技术领域，具体的说是一种航空发动机完好性和使用状态的监控方法，用于航空发动机振动告警、滑油金属屑告警、发动机动平衡、性能评估和趋势预测等。
背景技术
飞机在飞行过程中，发动机作为旋转部件，转速频繁变换，传动部件多、架构复杂，振动较大，发动机工作环境复杂为发动机工作安全保证和日常使用维修增加了难度，使得安全性和维护性问题日益突出。传统的航空发动机维护方法是定时维修和事件触发维修相结合，这样做的结果是不仅耗时多、维护成本高，更重要的是无法对发动机工况状态进行监控，不能及时发现发动机关键部件的潜在安全隐患，对发动机的运行安全造成了威胁。
发明内容
本发明的目的是提供一种机载发动机健康管理系统及方法，解决传统的航空发动机维护方法中存在的耗时、成本高及无法对发动机工况状态进行监控的问题。包括机载发动机振动检测单元与地面站；机载发动机振动检测单元被称为发动机状态监测单元(EMU)，能够实时对发动机的振动、滑油品质、气路压力、温度等工作状态相关量进行监视，配合机载软件实时判断故障的出现并对故障进行定位；实时向机组进行故障告警，提示机组及时采取措施保证安全；记录飞行过程中的各种数据，尤其是故障相关数据。为工程师排故和故障预测提供大量可分析数据，验证并逐步完善异常检测、故障诊断、趋势分析、寿命管理和维修建议算法。地面站，配备强大的数据库系统，具有很强的运算和存储能力，能够对EMU飞行过程中产生的数据进一步处理，完成更为复杂的故障分析、趋势分析、寿命预测，并给出视情维修建议。地面站获取EMU数据的方式有两种：通过便携式维护终端设备(PMAT)下载EMU数据；接受飞机传送给地面的EMU记录数据。
解决本发明技术问题的技术方案如下：
一种发动机健康管理系统，其特殊之处在于：包括机载发动机振动检测单元与地面站；
所述机载发动机振动检测单元包括健康管理计算机；
所述健康管理计算机包括振动数据处理模块、转速数据处理模块、滑油金属屑信号处理模块及动平衡处理模块；
所述转速数据处理模块包括限幅电路、滤波电路、调理整形电路及转速处理单元；转速信号依次通过限幅电路、滤波电路、调理整形电路转化为方波信号，转速处理单元对方波信号使用“高频填充计数”方法获取发动机实时转速；使用峰值保持获取高齿信息；
所述振动数据处理模块包括电荷放大电路、带通滤波电路、积分电路、模数转换电路及振动处理单元；振动信号依次通过电荷放大电路、带通滤波电路、积分电路及模数转换电路后转换为振动数字信号；振动处理单元将振动数字信号再经过转速跟踪滤波方法，获取转速相关频率振动幅值特征值；振动数字信号再经过绝对值加滤波方法获取频带范围内振动总量特征值；当振动幅值特征值、振动总量特征值分别大于对应的设定阈值时，即振动超标时刻，存储振动超标时刻前后设定时间段内振动数字信号及转速信号，并发送告警指示提醒驾驶员保证飞行安全；
滑油金属屑信号处理模块包括放大电路、滤波电路、调制解调电路、模数转换电路及滑油金属屑信号处理单元；滑油金属屑信号依次通过放大、滤波、调制解调器及模数转换器转化为数字信号，滑油金属屑信号处理单元对数字信号经过稀疏变化方法分析滑油颗粒特征值，识别出铁磁颗粒和非铁磁金属颗粒大小和数量；当铁磁颗粒和非铁磁金属颗粒总量超过设定阈值时，即滑油颗粒超标时刻，存储滑油颗粒超标时刻前后设定时间段内振动数字信号、转速数字信号及铁磁颗粒和非铁磁金属颗粒总量，并发送告警指示提醒驾驶员保证飞行安全；
动平衡处理模块接收振动数字信号、实时转速及高齿信息，将高齿时刻作为振动数字信号起始点，选择“时域同步平均方法”求取振动幅值和相位；在一段时间内幅值和相位信息稳定性满足一定门限，以此结果结合影响系数法计算发动机需要调整的平衡钉位置和重量；
地面站接收振动超标时刻前后设定时间段内的振动数字信号及转速数字信号、滑油颗粒超标时刻前后设定时间段内振动数字信号、转速数字信号及铁磁颗粒和非铁磁金属颗粒总量；将获取的发动机信息进行处理分析，并生成数据报表。
进一步地，所述压电振动传感器分别设置在发动机低压压气机轴承座、涡轮后机匣、中介机匣，通过各自位置上的压电振动传感器导线与EMU的相应接口连通。
进一步地，所述转速传感器分别设置在发动机低压转子转速、发动机高压转子转速、发动机其他转动部件转速，通过各自位置上的转速传感器导线与EMU的相应接口连通。
进一步地，所述滑油金属屑传感器设置在滑油总回油路，通过传感器导线与EMU的相应接口连通。
本发明还提供一种机载发动机健康管理计算机系统的检测方法，包括如下步骤：
步骤1.通过压电振动传感器获取发动机关键位置的振动状态；通过转速传感器获取发动机转动部件的转速；通过滑油金属屑传感器获取滑油回路滑油含有金属屑信息，并将获取的信息传送给健康管理计算机；
步骤2.健康管理计算机对转速信号依次限幅、滤波、调理整形后转化为方波信号，对方波信号使用“高频填充计数”方法获取发动机实时转速；使用峰值保持方法获取高齿信息；
对振动信号依次放大、滤波、积分及模数转换后转换为振动数字信号；将振动数字信号再经过转速跟踪滤波方法，获取转速相关频率振动幅值特征值；振动数字信号再经过绝对值加滤波方法获取频带范围内振动总量特征值；当振动幅值特征值、振动总量特征值分别大于对应的设定阈值时，即振动超标时刻，存储振动超标时刻前后设定时间段内振动数字信号及转速信号，并发送告警指示提醒驾驶员保证飞行安全；
对滑油金属屑信号依次通过放大、滤波、调制解调及模数转换转化为数字信号，对数字信号经过稀疏变化方法分析滑油颗粒特征值，识别出铁磁颗粒和非铁磁金属颗粒大小和数量；当铁磁颗粒和非铁磁金属颗粒总量超过设定阈值时，即滑油颗粒超标时刻，存储滑油颗粒超标时刻前后设定时间段内振动数字信号、转速数字信号及铁磁颗粒和非铁磁金属颗粒总量，并发送告警指示提醒驾驶员保证飞行安全；
将高齿时刻作为振动数字信号起始点，选择“时域同步平均方法”求取振动幅值和相位；在一段时间内幅值和相位信息稳定性满足一定门限，以此结果结合影响系数法计算发动机需要调整的平衡钉位置和重量；
步骤3.地面站接收振动超标时刻前后设定时间段内的振动数字信号及转速信号、滑油颗粒超标时刻前后设定时间段内振动数字信号、转速信号及铁磁颗粒和非铁磁金属颗粒总量；将获取的发动机信息进行处理分析，并生成数据报表。
进一步地，步骤3中前后设定时间段为15S。
本发明的有益效果是：
1、通过使用发动机健康管理系统，能增加发动机工作安全保证，减小日常使用维修难度，经过大数据处理使得安全性和维护性问题日益提高。
2、将航空发动机定时维修和事件触发维修转变为视情维修，这降低维护成本高，及时发现发动机关键部件的潜在安全隐患。
附图说明
图1是本发明发动机健康管理系统交联示意图；
图2是主处理模块架构示意图；
图3是振动数据处理模块与转速数据处理模块结构框图；
图4是低压转子转速信号及高齿信号示意图；
图5是电源模块架构示意图；
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明：
如图1，本实施例发动机健康管理系统，主要包括机载发动机振动检测单元与地面站；如图2，机载发动机振动检测单元分为2个主要模块：电源模块(PSB)和主处理模块(MPB)；主处理模块(MPB)包括振动数据处理模块、转速数据处理模块、滑油金属屑信号处理模块及动平衡处理模块；主处理模块(MPB)主要用于接收压电振动传感器、转速传感器、滑油金属屑传感器的数据，并对数据进行分析处理，经过处理的振动、滑油金属屑参数给飞行员告警，并将故障时刻前后时间段内的数据进行记录。
具体包括下述过程：
步骤1.通过压电振动传感器获取发动机关键位置的振动状态，压电振动传感器分别设置在发动机低压压气机轴承座、涡轮后机匣、中介机匣，通过各自位置上的压电振动传感器导线与主处理模块的相应接口连通；通过转速传感器获取发动机转动部件的转速；转速传感器分别设置在发动机低压转子转速、发动机高压转子转速、发动机其他转动部件转速，通过各自位置上的转速传感器导线与主处理模块相应接口连通；通过滑油金属屑传感器获取滑油回路滑油含有金属屑信息，并将获取的信息传送给主处理模块，滑油金属屑传感器设置在滑油总回油路，通过传感器导线与主处理模块相应接口连通。
步骤2.主处理模块(MPB)对转速信号依次限幅、滤波、调理整形后转化为方波信号，对方波信号使用“高频填充计数”方法获取发动机实时转速；使用峰值保持方法获取高齿信息；
对振动信号依次放大、滤波、积分及模数转换后转换为振动数字信号；将振动数字信号再经过转速跟踪滤波方法，获取转速相关频率振动幅值特征值，见图3；振动数字信号再经过绝对值加滤波方法获取频带范围内振动总量特征值；当振动幅值特征值、振动总量特征值分别大于对应的设定阈值时，即振动超标时刻，存储振动超标时刻前后设定时间段内振动数字信号及转速信号，并发送告警指示提醒驾驶员保证飞行安全；
对滑油金属屑信号依次通过放大、滤波、调制解调及模数转换转化为数字信号，对数字信号经过稀疏变化方法分析滑油颗粒特征值，识别出铁磁颗粒和非铁磁金属颗粒大小和数量；当铁磁颗粒和非铁磁金属颗粒总量超过设定阈值时，即滑油颗粒超标时刻，存储滑油颗粒超标时刻前后设定时间段内振动数字信号、转速数字信号及铁磁颗粒和非铁磁金属颗粒总量，并发送告警指示提醒驾驶员保证飞行安全；
如图4，将高齿时刻作为振动数字信号起始点，选择“时域同步平均方法”求取振动幅值和相位；在一段时间内幅值和相位信息稳定性满足一定门限，以此结果结合影响系数法计算发动机需要调整的平衡钉位置和重量；
步骤3.地面站接收振动超标时刻前后15S内的振动数字信号及转速信号、滑油颗粒超标时刻前后设定时间段内振动数字信号、转速信号及铁磁颗粒和非铁磁金属颗粒总量；结合历史数据可以进行发动机性能评估和趋势分析。发动机性能评估主要使用发动机基频振动幅值变化来评估。发动机趋势分析通常都使用滑油金属屑信号作为一个重要依据，根据滑油金属屑量值和大小进行发动机趋势的评估，也可以将转子基频振动和滑油金属屑信号结合分析发动机运转趋势。
主处理模块可以分为振动监控处理单元VCB与健康管理单元EHB，振动监控处理单元VCB完成压电振动传感器、转速传感器、滑油金属屑传感器的数据，分析处理，经过处理的振动、滑油金属屑参数给飞行员告警，并给出风扇转子动平衡建议；健康管理单元EHB完成发动机健康管理功能，具体包括发动机大数据量记录、故障诊断、性能评估和趋势分析。振动监控处理单元VCB与健康管理单元EHB采用ZYNQ7000的以太网控制器和接口芯片实现以太网接口，支持1000Mbps速率，RS-422接口通过ZYNQ7000中的PL构造的UART控制器和接口芯片实现，支持1Mbps\2Mbps，9.6Kbps/115.2Kbps/921.6Kbps的传输速率要求。
为了满足大容量存储和高速读写要求，采用SATA接口的NAND Flash组成存储阵列。为了充分利用ZYNQ7000处理器资源，提高访问速度，通过EHB上的ZYNQ7000处理器USB接口，转换为SATA接口完成对存储阵列的地址、数据、控制的传递和处理。
图2中，接口保护单元完成电源、通信、模拟量离散量信号的雷电、静电防护和电磁兼容防护。它的功能由连接器所在连接板、各功能电路所在电路板和整机电磁屏蔽设计保证。实现电源、通信信号和传感器信号的隔离，并方便调试，电源输入，振动信号，转速信号，通信信号，其它通信信号和离散量、模拟电压信号，滑油金属屑传感器信号分别采用独立航插。
供电模块PSB提供对各模块数字电路的+5V供电和模拟电路的±15V供电，保证外部电源50ms中断时VCB模块、EHB模块的+5V供电和振动信号调理、A/D转换电路的±5V供电正常，以保证振动信号处理和指示功能正常，并不引起CPU重启。PSB模块完成电源滤波、尖峰浪涌防护等功能，如图5。

Claims (6)

1.一种机载发动机健康管理系统，其特征在于：包括机载发动机振动检测单元与地面站；
所述机载发动机振动检测单元包括健康管理计算机；
所述健康管理计算机包括振动数据处理模块、转速数据处理模块、滑油金属屑信号处理模块及动平衡处理模块；
所述转速数据处理模块包括限幅电路、滤波电路、调理整形电路及转速处理单元；转速信号依次通过限幅电路、滤波电路、调理整形电路转化为方波信号，转速处理单元对方波信号使用“高频填充计数”方法获取发动机实时转速；使用峰值保持获取高齿信息；
所述振动数据处理模块包括电荷放大电路、带通滤波电路、积分电路、模数转换电路及振动处理单元；振动信号依次通过电荷放大电路、带通滤波电路、积分电路及模数转换电路后转换为振动数字信号；振动处理单元将振动数字信号再经过转速跟踪滤波方法，获取转速相关频率振动幅值特征值；振动数字信号再经过绝对值加滤波方法获取频带范围内振动总量特征值；当振动幅值特征值、振动总量特征值分别大于对应的设定阈值时，即振动超标时刻，存储振动超标时刻前后设定时间段内振动数字信号及转速信号，并发送告警指示提醒驾驶员保证飞行安全；
滑油金属屑信号处理模块包括放大电路、滤波电路、调制解调电路、模数转换电路及滑油金属屑信号处理单元；滑油金属屑信号依次通过放大、滤波、调制解调器及模数转换器转化为数字信号，滑油金属屑信号处理单元对数字信号经过稀疏变化方法分析滑油颗粒特征值，识别出铁磁颗粒和非铁磁金属颗粒大小和数量；当铁磁颗粒和非铁磁金属颗粒总量超过设定阈值时，即滑油颗粒超标时刻，存储滑油颗粒超标时刻前后设定时间段内振动数字信号、转速数字信号及铁磁颗粒和非铁磁金属颗粒总量，并发送告警指示提醒驾驶员保证飞行安全；
动平衡处理模块接收振动数字信号、实时转速及高齿信息，将高齿时刻作为振动数字信号起始点，选择“时域同步平均方法”求取振动幅值和相位；结合影响系数法计算发动机需要调整的平衡钉位置和重量；
地面站接收振动超标时刻前后设定时间段内的振动数字信号及转速数字信号、滑油颗粒超标时刻前后设定时间段内振动数字信号、转速数字信号及铁磁颗粒和非铁磁金属颗粒总量；将获取的数据信息进行处理分析，并生成数据报表。
2.根据权利要求1所述的机载发动机健康管理系统，其特征在于：压电振动传感器通过导线与健康管理计算机的相应接口连通。
3.根据权利要求2所述的机载发动机健康管理系统，其特征在于：转速传感器通过各自位置上的导线与健康管理计算机的相应接口连通。
4.根据权利要求3所述的机载发动机健康管理系统，其特征在于：滑油金属屑传感器通过导线与健康管理计算机的相应接口连通。
5.一种机载发动机健康管理方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1.通过压电振动传感器获取发动机关键位置的振动状态；通过转速传感器获取发动机转动部件的转速；通过滑油金属屑传感器获取滑油回路滑油含有金属屑信息，并将获取的信息传送给健康管理计算机；
步骤2.健康管理计算机对转速信号依次限幅、滤波、调理整形后转化为方波信号，对方波信号使用“高频填充计数”方法获取发动机实时转速；使用峰值保持方法获取高齿信息；
对振动信号依次放大、滤波、积分及模数转换后转换为振动数字信号；将振动数字信号再经过转速跟踪滤波方法，获取转速相关频率振动幅值特征值；振动数字信号再经过绝对值加滤波方法获取频带范围内振动总量特征值；当振动幅值特征值、振动总量特征值分别大于对应的设定阈值时，即振动超标时刻，存储振动超标时刻前后设定时间段内振动数字信号及转速信号，并发送告警指示提醒驾驶员保证飞行安全；
对滑油金属屑信号依次通过放大、滤波、调制解调及模数转换转化为数字信号，对数字信号经过稀疏变化方法分析滑油颗粒特征值，识别出铁磁颗粒和非铁磁金属颗粒大小和数量；当铁磁颗粒和非铁磁金属颗粒总量超过设定阈值时，即滑油颗粒超标时刻，存储滑油颗粒超标时刻前后设定时间段内振动数字信号、转速数字信号及铁磁颗粒和非铁磁金属颗粒总量，并发送告警指示提醒驾驶员保证飞行安全；
将高齿时刻作为振动数字信号起始点，选择“时域同步平均方法”求取振动幅值和相位；在一段时间内幅值和相位信息稳定性满足一定门限，以此结果结合影响系数法计算发动机需要调整的平衡钉位置和重量；
步骤3.地面站接收振动超标时刻前后设定时间段内的振动数字信号及转速信号、滑油颗粒超标时刻前后设定时间段内振动数字信号、转速信号及铁磁颗粒和非铁磁金属颗粒总量；将获取的发动机信息进行处理分析，并生成数据报表。
6.根据权利要求5所述的一种机载发动机健康管理方法，其特征在于：步骤3中前后设定时间段为15S。
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