发动机大修方案的制定与优化

发动机大修方案的制定与优化

孟丽莎

天津莱普航空科技有限公司   天津  300000

摘要：发动机运行很长一段时间后，需要返厂进行不同级别的维修。合理地规划发动机的返厂大修方案，不仅可以为航空公司节约大量的维修成本，还可以提高发动机的可靠性和稳定性，延长发动机在翼使用时间。本文就发动机送修方案的制定和优化展开，得到最优修理方案。

关键词：发动机大修；方案制定；方案优化

1  前言

发动机大修除了更换变形、到寿、报废等零部件，修理恢复相关部件的尺寸、几何形状和力学性能外，还对其余零部件进行清洗，大修后基本可以恢复发动机出厂性能。航空发动机的维修成本很高，通常占到飞机维修总成本35% -40%。制定一个更好的大修方案势在必行，建立以送修时间间隔为优化变量，以单位飞行小时送修成本最小为优化目标的发动机大修成本优化模型。

2  发动机维修

发动机的大修主要包括发动机的分解装配、试车、零件清洗、故障检测和修理。航空公司在购买某一款发动机后，发动机制造商会提供一份大修范围计划指导手册，航空公司在制定发动机送修方案时，一般将其作为参考。如果完全按其制定送修方案，并不能够完全符合航空公司对发动机送修方案经济性和可靠性的要求，所以在实际工作时，还会更多依赖于工程师的维修经验。因此，有必要对航空发动机的送修方案进行研究。

2.1  发动机维修原因

民用航空发动机在服役的过程中，常常会由于性能衰退、叶片裂纹、适航指令/服务通告、时寿件到寿、外来物损伤等各种原因返厂大修。

2.2  发动机维修工作分类

为保证民用航空发动机的可靠性和适航性，在每次执行飞行任务的前后，都必须对发动机进行不同类别的维修工作。根据维修内容的不同，维修工作主要可以分为三大类：

(1)航线维护：航线维护包括了航前维护、航后维护和过站维护三种。航前维护指的是在执行飞行任务前，对发动机进行的维护工作。航后维护指的是在执行完飞行任务后，对发动机进行的维护工作。过站维护指的是在执行一次飞行任务过站中转时，对发动机进行的维护工作。

(2)定期检修：航空发动机在运行一段时间后，可能会由于叶片的磨损、腐蚀和老化等原因，需要进行一次细致的检查和维修，常见的操作如发动机叶片润滑、压气机及涡轮叶片孔探等，同时还需要对发动机的各个系统进行例行常规的测试，以检验本次维修的质量以及排除未发现的故障，提高发动机的可靠性，延长发动机的在翼时间。

(3)返厂大修：当航空发动机工作很长一段时间后，其在翼时间已经很接近规定的最大使用时间。发动机的性能大幅度下降，或是发动机遇到外来物损伤，航空公司没有相关的维修能力，需将发动机送回大修厂或制造商进行全面的分解检查和维修工作。航空公司和维修厂家会根据发动机的实际情况，制定一份详细的返厂大修方案。

2.3  发动机主要维修方式

发动机的维修方式从 20 世纪 50 年代以前的修复性维修方式，发展到单一部件的定时维修方式，又发展到多个部件的视情维修方式，再发展到现在多种维修方式相结合的维修方式。

修复性维修，也称排故维修，指的是只有当设备发生故障后，才对其进行维修，而在发生故障之前不会进行维修。修复性维修包括故障的定位和隔离、拆解、损伤件的修复、更换以及装配等维修内容。定时维修适用于故障的产生和发展过程与使用时间之间有明确关系的零部件，可以根据相关的函数关系预测其发生故障的时间点，及时进行维修。定时维修通常可以分为定时拆修和定时更换两类。视情维修指的是根据发动机的一些状态参数的监控结果所实施的预防性维修。由于故障从开始产生到最终暴露出来，一定会有一段异常运行的情况可以被监控出来，通过对单元体相关性能状态参数的密切监控，可以预防故障的发生。

3  维修方案的制定

目前工厂依靠维修经验的排故方法已经不能满足发动机的修理技术要求，基于故障检测的维修决策技术为解决这些难题提供了可能。实现基于故障检测的维修决策技术的关键是依据对发动机各部件监视信息，利用相关技术和维修经验加以综合分析，对发动机各部件的工作状态及其状态发展趋势得出合理的结论，为其维修提供可靠的依据，指导发动机维修。

3.1  基于故障树的专家系统推理诊断

专家系统是一个交互式的计算机决策工具，利用专家经验知识来解决复杂问题的决策专家，其基本原理是将专家拥有的知识存储为计算机中的知识，模拟专家的思维方式，通过一系列推理得到决策结论，并给出每一个推理过程的正确解释。

3.2 基于故障检测的维修流程改进

基于故障检测的修理模式是依托先进的测量检测仪器、设备、工装，运用各种检测技术和分析方法，监测发动机的潜在故障，有针对性的进行装备修理，最终实现发动机全寿命、全要素、全状态、精准高效的修理保障。而发动机的维修流程是其修理模式的具体体现，基于故障检测的维修流程是以故障检测为基础，依据发动机大修手册和工艺规程制定的整套维修过程环节，包含发动机送修进厂到修理合格出厂所有维修过程，所有流程都是闭环的，有利于发动机返厂检查时发现问题，进而及时整改问题，保证发动机的维修质量可控。维修流程如图3.2所示。

图3.1  改进的发动机故障检测维修流程

4  维修优化

动态规划算法是一种用来求解决策过程最优化的数学方法。20世纪50年代初，在研究多阶段决策过程的优化问题时，美国数学家 R.E. Bellman等人提出了著名的最优化原理。1957年，他总结研究成果并出版了该领域的第一本著作-《Dynamic Programming》，正式提出了动态规划算法的名称，标志了一类解决过程优化问题的新方法的诞生。

动态规划算法的使用有一定的模式和步骤，首先，将问题划分为若干个有序或者可排序的阶段，无序或未排序的阶段则是无法求解的。然后，选择不同阶段下可优化的状态参数，根据上一阶段的状态和不同的决策来推导出下一阶段的状态，再根据相邻两个阶段状态参数之间的关系来确定状态转移方程，并给出一个递推的终止条件，由初始状态开始，最终达到结束状态，形成一个决策序列。

设定单元体软时限和时寿件寿命的恢复值为研究的状态参数，不同的送修级别为决策，而状态转移方程指的是在不同送修级别下相邻两个阶段的单元体软时限或时寿件寿命的恢复值，则该问题可以描述为在满足发动机可靠性的前提下，单位飞行小时送修成本最小的决策序列，如式(4.1)-(4.3)所示。

                                          (4.1)

                                   (4.2)

                        (4.3)

其中，k表示为阶段编号，Xk表示决策变量，Sk表示状态变量，表示从初始阶段到k 阶段单元体软时限或时寿件寿命的恢复值，表示在k 阶段执行Xk决策时改变的状态变量，表示所求单位飞行小时送修成本最小值的表达式。

用Matlab进行仿真分析，即可得出最优化的发动机维修方案。

5  结论

与传统依靠维修经验的维修方法相比，本文提出的维修决策方法制定了针对性较强的维修措施，减少不必要的维修环节，达到了缩短发动机的大修周期，降低维修成本的目的；基于故障检测的维修决策方法可推广应用于其他型号发动机的维修领域，具有良好的工程应用前景。基于动态算法的发动机维修方案，其仿真结果与实际情况相比较，从而推出最佳的优化方案。

参考文献

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[2] 戎翔.民航发动机健康管理中的寿命预测与维修决策方法研究[D].南京:南京航空航天大学,2008.

[3] 蔡景,左洪福,王华伟.基于成本的民用航空发动机维修方案优化研究[J].机械科学与技术,2007,02:167-171.