SH-60型机综合诊断系统（HIDS）的诊断和预测能力开发

中国直升机 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 研究所 高铭泽 陈圣斌

为诊断直升机健康和跟踪部件的使用寿命，美国海军空战中心飞机部等多个单位共同启动了直升机综合诊断系统（HIDS）计划，对一个原理样机自动化系统进行了开发和试验。HIDS 系统通过精确跟踪直升机结构、动力传动系统部件寿命和预测早期故障，可提高直升机的可靠性，提升维修效率，大幅降低寿命周期费用。同时，HIDS 系统产生的系统信息能用来指导基于状态的维修工作，缩短排故时间并针对影响飞行安全的状态向驾驶员发出告警。

该项目经过供应商竞标和综合技术选择，最终确定了2 个非生产型的技术综合验证系统。第一个是把可用的低风险监控技术综合成一个独立的综合机载系统，在帕塔克森特河海军航空基地进行飞行评估和演示/验证。第二个是使用新泽西州的特伦顿空军基地独有的，由T700 发动机、主传动、减速器和全功率传动轴构成的SH-60 机的传动系统实验室，通过非常密集地植入故障试验记录来评估系统部件诊断故障的能力。减速器的振动监控是直升机监控功能中最重要的部分，因此这些故障试验主要集中于减速器的振动诊断。SH-60 直升机HIDS 系统提供了发动机监控，主传动和减速器的振动和滑油监控、轴和支撑轴承振动监控，飞行中的旋翼跟踪和平衡能力。同时，HIDS 有飞行阶段识别运算律，虽然该功能不是计划的一部分，但是有利于监控机体结构寿命。另外，HIDS 系统结构还包括先进的滑油金属屑监控和发动机气路静电监控能力。

早在1995年，帕塔克森特河的海军航空基地便在SH-60 平台上开始了HIDS 的使用飞行试验。为提高飞机安全性，还在海军空战中心飞机部的直升机传动实验室（HTTF）用第二个系统对故障部件进行了试验和特性分析。在地面实验室试验的同时，SH-60 飞行试验的飞机提供了独有的飞机机械系统诊断试验室，以便试验现有和未来出现的技术和方法，其中包括几项小型企业创新研究（SBIR）诊断技术工作。HIDS计划作为海军基础性工作，用于开发、评估和验证直升机综合诊断能力和提供高质量的技术数据，从而支持H-53 机综合机械诊断健康和使用监控系统（IHD HDMS）和V-22 机的振动结构寿命和发动机诊断（VSLED）计划。

一、数据收集和分析

数据采集系统由百路驰公司研发，可以并行32个通道的数字化的振动和转速表传感器数据，利用MATLAB 的计算和可视化功能对齿轮、轴和轴承数据开展高质量分析。每一次实验室运行持续约1h，在输入扭矩为25%～110%进行6 次采集。

所有的振动数据，利用百路驰公司的Auto-HUMS和Tren-HUMS 诊断程序自动地进行分析。Auto-HUMS将诊断算法的全部结果储存到状态指示数据库中，通过Tren-HUMS 系统能给出状态随时间的发展趋势，这一诊断系统可以报告齿轮、轴和轴承分析的大量健康指标。轴承算法包括了基于原始和包络振动数据的指标。同时，系统对所有原始数据进行实时数据校验。

二、植入故障和诊断实例

HIDS 计划曾进行了大量的植入故障试验，特别是关于可靠性和安全性领域的问题。此外，还成功进行了重大故障扩展试验，试验中使用了一个小的放电机械切口作为齿根的一个应力口，裂纹从切口增长直到在根部产生弯曲疲劳。该试验采集了从裂纹萌生到故障发生的完整数据集。故障扩展试验使人们了解了故障扩展的动态过程，消除了其他植入故障试验的离散跃变特性，试验效果显著。

三、基于振动的预测

预测是一种能对故障征兆提供早期检测对失效状态扩展为部件故障进行管理和预测，并对检测出来的早期失效进行监控和跟踪。通过对早期失效扩展的及时检测和监控管理，人们在任何时间都能知道部件的健康状态，并且能及时且安全地预测未来的故障事件防止其发生。

故障预测的常用方法有外推振动频率数据的参数统计和诊断指标的趋势分析。计划中能够实现故障预测的关键是使用的传感器、算法和诊断指标具有足够高的敏感度和精度，能够识别出部件的故障征兆或早期的“小”故障。另外，为了了解故障扩展率，还必须具有可靠的相似失效类型的经验数据库。只有利用经验数据库 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 和掌握的各种故障扩展类型，才能科学地设置告警阈值，对于之后的故障事件预测和诊断很重要。

四、预测实现的手段

要实现对装备状态的精确预测，可靠、可重现、高质量的故障扩展数据非常重要。该数据随着部件故障产生但不危及安全，能够让人们对故障模式和特征有更深入的了解。部署健康监控系统时，通常是按随机 准则 租赁准则应用指南下载租赁准则应用指南下载租赁准则应用指南下载租赁准则应用指南下载租赁准则应用指南下载 收集所部署系统的故障数据。这种方法的缺点很明显，失效数据是多年累计的结果，安全性只会根据实际灾难性事故数据逐步增大，由于受到机载系统的限制。为了缩短这一周期，人们设想在直升机传动试验台进行试验，相比其他实现的方法，这有利于提高安全性且减少误告警。这种预先投资进行试验，将节省大量时间而且提高了系统的有效性，防止灾难性事件发生。

五、诊断/预测实例

SH-60 机主传动模块的输入游星齿轮（P/N 70351-38104-102）是一个复杂部件，由套筒轴内花键、21 齿的螺旋锥形游星齿轮和整体式滚动轴承内座圈组成，如图1所示，轴承SB2205 整体滚道内带有散裂损伤的输入游星齿轮。滚柱轴承SB2205 受到螺旋伞形游星齿轮径向载荷的反作用，这一滚柱轴承有30 个滚柱，直径为1.6cm 和节圆直径为18.99cm 的滚柱单元。整体式座圈散裂故障是SH-60 机群中减速器动部件拆卸最常见的原因。这一故障非常复杂且具有挑战性，因为这一部件故障位置处于减速器的内部深处，并且难以检测，如图2所示。SH-60 机主传动模块上的传感器位置见图3。

图1 机群拆卸下来的主传动模块示意图

图2 轴承SB2205在SH-60机主传动模块中的位置图

图3 SH-60机主传动模块上的传感器位置图

右侧主传感器的指示状态在植入故障时便告警，故障消除时便恢复到正常状态。左侧主传感器对这一故障敏感，因为左传感器位于相同的结构箱体上，即从右侧主传感器位置绕箱体旋转90°所在的位置。左侧主传感器作用是对右侧的指示状态进行确认。

统计参数时包络线峰值是用于评估轴承这一失效状态的主要指标。影响评估结果的关键参数是其对应的频率范围，这一频率范围需要通过分析和试验确定。在这个过程中，统计参数是传感器的指示值，这不同于部件的实际值，即这些统计参数在轴承之间是不区分的。但是因为右侧主传感器的权值要高于左侧主传感器，因此人们能够确定这一失效的位置是在右侧。

在HIDS 计划中，对轴承实施诊断的目的是识别早期发生的失效。试验中机群拆卸下来的失效轴承都是处于晚期阶段，其散裂故障部位占整个部件约1/3。因为大多数轴承故障的健康指标都是用来检测已确定的失效，所以它们没有对这一分布缺陷产生告警。

HIDS 计划采用的有效方法是同时采集和分析2 个不同传感器的信号。这种高质量数据和高可信度的测量分析的目的是提高诊断和降低误告警。在试验之前，右侧主传感器被认定为主传感器，右侧的输入是辅助的，右侧的输入传感器无法检测这一失效。左侧加速度计是分析定位的辅助传感器，它能产生较好的结果。此时左侧主加速度计和右侧输入与这一失效部位具有相似距离，且左侧主加速度计与失效都在相同箱体位置上，那么左侧主传感器对这一特定的轴是一个好的传感器定位，这一试验表明余度传感器分析的实用性，同时表明所有通道原始振动数据并行采集和储存对于处理结果的价值。通过分析得出，对于一个特定的故障，最合适的加速度传感器能优化最终的诊断系统。

动部件是SH-60 机群主减拆卸最常见的原因，只有确认故障模式，这一部件的故障才能得以有效地诊断。SB2205 的故障从散裂失效慢慢扩展为散裂损伤，最终将影响到内滚道直径完好部分。在这一过程中，金属屑探测器只能检测到减速器某个地方的故障并实现故障告警，但不能给出故障的位置或故障的严重性。然而基于模型的轴承指示将识别这一过程中存在的早期失效，人们能观测到内滚道缺陷的具体指标值。随着失效（损伤）的逐渐加大，统计指标能识别出性能退化状态。根据振动幅值及指标的变化对这一失效过程进行跟踪，人们便能进行有效地维修和任务规划，从而能减少非计划停飞时间。

按照目前的使用频率，诊断能有效地管理机群的重要航材，如SB2205 在一段时间里发生性能退化，那么可以采取定时维修的方式。这样能够使二次损伤减到最小，降低了修理的复杂性和费用。这一主传动的特殊部件在拆下输入模块后很易于维修，如果具有早期检测能力，便可以在机上通过减速器进行修理，这就避免了拆卸主旋翼毂和主传动，确保旋翼跟踪和平衡的进行。如果它是飞机的关键部件，在确定维修前的使用过程中要密切监控故障扩展以确保飞机安全。故障扩展试验可以让人们深入理解故障扩展的动态过程，并且消除其他植入故障试验的离散阶跃特性。

此外，基于模型的分析、数据融合和其他先进技术需进一步开发和验证，以降低或消除误告警，并完全实现全面的诊断能力。

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