新型民航客机电气故障诊治方法研究

中国民航大学硕士学位论文I中国民航大学硕士学位论文11绪论1.1研究背景在国民经济与现代化建设迅猛发展的背景下，中国民航运输行业在通用航空、航线布局、航空运输、机队规模与运送保障等多个方面获得了不菲的成绩，基础设施方面的能力也得到了迅速的提高，航空业务的规模呈现出迅速递增的态势，国内已变为当下全球的航空运送大国。客机电气系统是机载设施的一个关键组成，主要包括供电系统与用电设施2类。其中，后者的核心组成为客机的发动机控制、电动机械、照明与信号、旅客生活服务、飞行操纵、航空电子、生命保障与防冰保温等。前者的主要部分为飞机电源体系与飞机输配电体系，飞机电源体系主要应用在电能的产生与调节方面，飞机输配电体系主要应用在电能的传递与分配方面。飞机供电体系的功能主要在于确保可靠而又持续地替用电设施，特别是和安全飞行直接相关的关键性用电设施提供与要求相吻合的电能。GJB181-86《客机供电特性及对用电设备的要求》等条例特别地针对机载设施的供电类型及其特点以及对新型民航客机在用电设施方面提出了相应的要求。基于直流用电设施与交流用电设施对电能种类与用电量的相关要求，认为客机中存在着直流供电体系与交流供电体系2种，同时能够提供直流电与交流电2类模式的电能。[1]在现代科学与航空技术日益发达，客机相关的用电设备日益增多，无论是用电的数目与质量都呈现出日趋强化，无论就客机电气输配电体系的可检测性、可靠性与可维护性等方面均提出了更为严格的要求。民航检测维修的导线在整个客机的输配电系统中是基本器件，是在绝缘层中把数股铜线或是镀银铜丝或是铝丝扭合起来，是各类飞机用电设施内部的连接线路与传递动力电源的关键设备，大多数布局在客机的不同部位，凸显出用途广、用量大、种类多以及工作环境复杂化等特点。由驾驶舱至机尾，客机导线的用量非常地可观，比如，将波音737客机的全部导线连接后，全部的长度约为280km，其中，DC-10客机导线的全部质量是机载电子设施与电气设施整体质量的60%。而协和号的导线整体质量几乎为1500kg。[2]因为客机自身构造的特征缘故，不单单导线在体积与重量方面受到一定的约束，同时导线能够安装的空间并不大，大部分导线基于种类通过成捆的方式敷设于各类机载用电设施内部或是其中夹壁内，造成长期在污染、外力、潮湿、振动、摩擦、冷热与辐射等环境中工作，从而造成导线极为容易地出现故障的后果，连带性地造成指示仪表指针摇晃、信号非正常化、供电中断、操控机械终止工作与导线短路，最终导致火灾等后果，从而对客机的安全飞行产生影响，同时导致了不少机毁人亡的后果，从而造成客导线的故障诊治和定位问题，是全球民航界急需解决的一个重要问题。中国民航大学硕士学位论文21.2研究意义在全球化的大时代环境下，飞机的便捷性及其所产生的重要影响不言而喻。其中，民航客机便是其中主要的一种飞机类型，它在人们的日常生活中所起到的作用日益凸显出来。当然，民航客机的安全性更加备受民众所关注。当下，在评价一个国家民族地区的航空飞行情况安全性的标准，主要有2个数据尺度：每百万飞行小时出现的空难次数以及每百万离场出现的空难次数。根据民航客机最为先进的波音公司的相关统计数据资料可知，早在上个世纪的50年代-70年代，航空航天技术飞速发展，以西方发达国家为主要代表的民航商用型飞机（质量超过60000磅）的空难失事率明显降低，然而，上个世纪的70年代末，失事率的减小走势愈来愈趋于缓和。同时，根据相关的资料还可推知，在这段时间内，由于飞机失事率所导致的死亡人数并未因为飞机事故的减小而减少。和航机失事率相异的是，国际每年在总航班以及总离场的数量则与航空事业的迅猛发展而呈现出同步发展、递增的趋势。例如，波音公司在2012年所公布的统计数据资料如下：国际民航机的总量将由2011年末的19890架递增到2031年末的近39790架，而这个阶段内，国际收益旅客的公里数（RPK）将会以年约5%的增长率递增。反观我国民航领域，随着生产力的解放与不断地发展，科学技术日新月异，我国的国民经济及其现代化建设步入到迅速发展的阶段，民航运输事业也呈现出欣欣向荣的发展局面。无论是航空运输、机队规模，还是运输保障、通用航空与航线布局等领域，都有了长足的进步，在此方面的基础设施能力也相应地得到了加强。因为航空航天业务规模的飞速递增，中国业已成为全球航空运输领域内的大国。根据相关的资料统计表明，我国在2010年正式投入运营的航空企业达112家，已经注册并使用的大型、小型以及通用运输航空器的数量分别约为1400架、74架以及650架，其中，波音飞机与空客飞机几乎各占据了半壁江山（分别占据的比例为48%、44%）。[3]运输机场的数量约为175个，在旅客的航载量方面，其数量高达2.68亿人，在近5年中将保持着每年约14.1%的递增率增长。在整个综合化的交通运输系统中，航空运输旅客周转量的递增比例约为2.7%。通用型航空机队的规模比以前翻了一番，数量增至1010架，新型客机类型与业务层出不穷，整体上呈现出纵深的发展趋势。然而，我国民航业在较长的时期中还是以成长期为主，当下，无论是民航机的数量、质量以及故障诊断维修等方面都和发达国家存在着一定的距离。尤其在航机的故障诊断与维护等方面还有许多的薄弱地方。与全球航空业的发展走向相一致，整合民航产业的内部结构，强化飞机故障的诊断与维修，更好地推动民航业的健康快速发展，是国内民航业未来的重要课题。事实上，无论就国外还是国内的民航业的发展情况来看，都必须确保民航客机的安全性，加强飞机的故障诊断。虽然全球飞机的失事率处于平缓的趋势，但中国民航大学硕士学位论文3因为国际的航班总量仍旧保持着每年递增的趋势，因而，民航的载客数递增，相应的飞机事故及其死亡人数的增加还是可能的。根据Rose与Hasson等学者的分析观点，即使失事率基本保持不变，仅仅是运量递增，航机所出现的事故数量还是难以让民众与民航的管理部门难以接受的。当然，要减少失事率，首先必须保证飞机的质量，即尽量在源头上消除由于材料、技术上所导致的飞机事故，借助于先进的科学技术来生产制造飞机是我国民航业发展的关键项目，学习掌握现代化的飞机故障诊断方法，提高维修的技术技能，实现高性能、现代化、国产化的航机，也是我国民航维修业长期发展的题中之义。上述的分析正是本选题的意义所在。1.3国内外研究现状就国内外目前所获悉的文献资料而言，在研究飞机电气系统故障诊断方面，主要有传统的分析方法以及现代的研究方法。在传统分析飞机电气系统故障诊断方法时，由于飞机电气系统在运行过程中所受到的干扰因子不一而足，既有飞机之外的因素，包括外来不明飞行物、大气压力与温度以及恶劣天气等；也有飞机自身的原因，包括负荷性能、产品质量、电网电压以及安装环境等，在糟糕的环境以及超技术领域中飞行。上述情况均是造成飞机系统故障的几个常见缘由。表征机体中精致复杂的电气系统的参量出现故障之后，原先所具有的功能逐渐丧失，飞机自然无法正常运行。及时地实施行之有效的检测方式与信息研究理论，找出非正常状态下的信号信息，排除故障潜在的隐患，这样才能够确保飞机处于安全飞行的状态之中，同时规避不必要维修，提高工作效率。[3]具体而言，传统飞机电气系统故障诊断的方法有如下的几点：（1）人体感官诊断法。一般情况下，飞机的电气系统出现故障时，会出现一些比较明显的情况，主要有：生烟、机械设施工况异变、非正常性发热、出现火花等。对于这些故障的诊断，一般无需其他精密仪器设备而只须通过该行业的专家学者的人体的视觉、听觉、触觉以及嗅觉等人体感觉方式即能够找出飞机所出现故障的具体部位。（2）借助于测试实验设备测量法。具体而言，主要的检测方式包括带电温度计、超声波检测、新型漏电流表测试、绝缘实验、接地实验与X射线测试等。当下，飞机电气系统故障诊断法包括离线诊断与在线诊断2类。一旦找出了飞机故障之处后，更加倾向于采用离线诊断法，但这所产生的不良影响与经济损失也是不小的。在线诊断可以同步展开，因而可以及早地找出安全故障的隐患。以上的2种方法相较而言，感官诊断法基本上无需投资，但一般局限于程度不大且故障比较明显的场合，超出了一定的限度，那么此法便不怎么科学了。借助于测试实验设备测量法所配备的测试设施不一而足，但就某个具体的监视体系而言，则存在着投资与体系本身比较复杂等情况，在具体操作过程中并不简单。中国民航大学硕士学位论文4因而，诊断飞机电气系统故障的又一个关键点是怎样从诸如电压、电流等信息数据来推断故障。可见，借助于精密的仪器设备、离线诊断、丰富的专业知识等比较复杂的条件，并不适合设备并不大且需要在线检测的场合，造成的资源浪费是显而易见的。因此，检测设施少、迅速诊断、科学有效的综合诊断方法呼之欲出。（3）综合诊断方法。在传统的检测电气系统故障诊断方法中，存在着功能简单化、智能化程度不高以及效率低下等问题。在科学技术日新月异的环境背景下，机械设施的构造日益精细化，原先纯粹地借助于单一化的诊断方法自然难以准确地推断出电气系统中所存在的故障，误报与漏报也并不少见。须将传统的几种检测电气系统故障方法结合在一起，吸取各个方法的精髓，综合地加以运用，提高检测故障的准确性。借助于计算机设备进行监测控制能够在软硬件设备的作用下，智能化地对故障进行诊断，同时搜集有关发电机的转动速度、输出电压与电流以及激磁电流等数据信息，经由串行总线通道传递至主控计算机，再进行有关的演算、处理以及数据的融合等步骤，为下一步的故障定位与诊断提供重要的信息。现代的检测飞机电气系统故障诊断方法，自然和传统的方法有很大的不同。特别是在线性系统的故障诊断方法的研究日渐完善。特别是在基于解析冗余为前提的线性系统故障诊断领域更受到专家学者们的关注，理论硕果累累。但该领域明显的不足之处在于实际的运用方法尚需强化。而针对非线性系统的故障诊断方法也是风生水起，特别是信号处理、模式识别、控制理论以及人工智能等理论发展迅速，为深入地研究非线性系统的故障诊断方法提供了不可或缺的重要理论内容。采用解析模型理论来分析飞机电气系统故障的诊断方法大多数体现在线性系统领域。因此，分析非线性系统的故障诊断方法的意义非凡，尤其是在鲁棒性方面所出现的故障进行诊断，可以说是分析的关键。采用信号处理的故障诊断方法起点早，然而具体应用在非线性系统的故障诊断中并非为主流。在信号处理方法中，小波变换技术是焦点。采用知识方法来分析电气系统的故障诊断方法不要求系统化的定量数学模型，因而，非常适合飞机这样比较复杂化的实际应用。同时，采用定性模型法也逐步进入到专家学者们的研究视域中。[4]此外，人工智能技术迅速发展，采用专家系统以及神经网络的理论来进行电气系统设备的故障诊断，也变得日益频繁化。故障诊断理论在系统对象已经给定的前提下进行预报技术日益完善，具体有以下2点：系统的内在结构与参量确定，在推断并预报故障所使用的方法主要有控制理论体系中的等价空间方法、极大似然方法、序列概率方法、广义似然方法以及状态观测器与滤波器方法,且广义似然方法以及状态观测器与滤波器方法应用的范围集中在非线性系统。由于系统对象的构造及其参数均处于空白或半空白的状态，因此，采用知识方法进行推理以及人工神经网络方法比较地多，同时考中国民航大学硕士学位论文5虑到残差情况展开故障诊断的分析与模式的识别等内容。当找出电气系统中的故障之后，然后须对故障加以定位，而此点亦为诊断和检测技术之间的一个关键不同。当下的故障定位技术主要有采用知识理论、控制理论等，并借助于这些理论来对相应的模式加以识别或模糊识别。此外，电气系统故障的诊断方法和普通智能化测试系统与故障检测设备的又一个重要不同在于它可以完成电气系统故障的机理判断及其评断，而当下仍旧以基于知识理论为前提的专家系统为主体。在确定故障部位时，主要的理论有人工神经网络技术、控制理论以及模糊模式识别技术等。整体而言，国内外在研究电气系统故障诊断领域内还是以知识推理方法最为常用，特别是人工神经网络方法可以深入地描绘电气系统的内部结构、参量与特点，且对于那些非确定化的对象以及非线性的对象可以给出更为科学合理的解释。在神经网络