民航发动机性能可靠性评估与在翼寿命预测方法研究

【摘要】：作为飞机心脏的发动机,其健康状态对保证飞机安全和降低航空公司的运营成本具有重要意义。发动机的可靠性评估在发动机的整个设计、制造、使用、维护等各个阶段都非常重要,精确的可靠性评估可以有效的指导发动机的使用和维修管理任务,为提高飞机安全经济运营奠定基础。传统可靠性理论必须依据失效数据对产品进行可靠性评估,然而,对于发动机而言,在允许的时间内很难获取足够的失效数据。因此,极少失效甚至零失效下的发动机可靠性评估已成为航空领域所面临的关键问题。而上世纪末兴起的以性能退化数据为基础的性能可靠性分析理论和方法为解决上述问题提供了有效途径。本文以此为背景,结合航空发动机使用维护过程中所采集的性能数据,以性能可靠性分析理论为基础,深入研究了发动机的性能可靠性评估理论和方法。主要内容如下: (1)研究了基于性能数据的航空发动机机队可靠性评估方法,根据航空发动机使用过程中的性能退化信息,通过影响因素分析,结合随机过程理论,建立了基于带漂移的布朗运动的性能退化量模型。同时,通过分析性能退化过程与失效分布之间的关系,利用Kolmogorov向前方程以及布朗运动的性质,建立了布朗运动过程首达时间分布即航空发动机达到失效阈值的失效分布,从而可以对发动机机队的可靠性进行评估,而且获得了很高的评估精度,显示了极少失效情况下进行可靠性分析的优势。 (2)研究了单性能参数条件下航空发动机在翼寿命预测模型。传统的寿命预测方法都是建立在大量的寿命信息的基础上,而对于高可靠性的航空发动机,很难搜集到足够多的失效数据,然而发动机使用过程中的性能退化信息中包含大量与寿命紧密相关的信息。故本文以性能可靠性分析理论为基础,利用拟合优度检验得到模型的先验分布参数,然后分别通过贝叶斯更新方法和时间序列方法建立了航空发动机性能退化模型,从而获得了发动机在失效阈值下的单一在翼寿命预测数据;最后利用免疫粒子群组合预计方法(IA-PSO方法)对发动机的在翼寿命进行组合预测,并对结果进行了比较,组合预测精度明显提高。用此方法可以对投入使用但尚无寿命信息的产品寿命进行预测,具有广泛的适用性。 (3)航空发动机是非常复杂的机电液系统,其健康状态表现在多个性能参数上,而且各参数间具有复杂的相关性,为了全面评估发动机的可靠性,提高在翼寿命预测精度,提出了基于多性能参数的的航空发动机实时性能可靠性评估方法和寿命控制方法,利用状态空间方法,建立具有时变参数的多性能退化量模型,通过卡尔曼滤波进行性能趋势预测和模型参数实时更新估计。利用实时监测数据,分析了各性能参数间的相关性,根据多维随机变量的性质,建立了多参数性能可靠度联合概率分布,进而对发动机的性能可靠性进行实时评估,同时预测在翼寿命,其预测精度要高于单参数条件下的在翼寿命预测。较之传统可靠性评估方法仅能得到发动机机群平均可靠度水平而言,上述方法可以对单台发动机的性能可靠性进行实时评估,根据每台发动机不同的性能可靠度水平进行寿命控制。 (4)以上主要研究了航空发动机气路性能退化失效模式,然而航空发动机是具有多种失效模式的复杂系统,其失效是不同失效模式间竞争的结果,因此,本文研究建立了多失效模式共存的航空发动机可靠性评估模型。首先,对于气路性能退化失效部分,结合(3)介绍的方法建立了基于多参数的航空发动机退化失效模型;然后,对于其它典型失效模式,为了体现气路性能衰退对其的影响,我们利用比例危险模型分别建立了三类典型失效模式的失效分布函数;最后,结合可靠性分析理论,给出了多失效模式共存的航空发动机可靠性分析模型。该方法能够给出航空发动机在一定时期内哪种失效模式更容易引起失效或者某种失效模式出现的概率,为航空公司能够及时掌握发动机的健康状态,有针对性的进行发动机的维修计划安排以及更加灵活的机队管理提供了科学理论基础。 (5)结合航空公司实际工程需求,构建了民航发动机集成维修管理系统,实现民航发动机的状态监测、寿命控制、维修决策与资源调度。此系统也是上述可靠性评估与寿命预测方法的验证,正逐步应用于航空公司的发动机日常工程管理中,应用效果非常显著,有效的提高了发动机的维修管理水平。