大数据背景下航空发动机失效案例库管理系统的研究与设计

大数据背景下航空发动机失效案例库管理系统的研究与设计

梁鑫阳，牛西茜，曹灿，薛阳，乔泽，李德鑫

沈阳航空航天大学，沈阳 110136

摘要：大数据等新兴技术的飞速发展，为航空发动机的失效分析管理带来了新契机。本文以大数据等为背景，归纳分析了航空发动机的失效特点和失效分析程序，在此基础上设计实现了一种基于大数据的航空发动机失效案例库管理系统。

关键词：大数据；航空发动机；失效案例；管理系统

1 引言

航空发动机是由各种类型零部件组成的复杂系统，需要在高温，高压和高转速等恶劣环境中长时间工作，负载变化频繁且幅度很大。这种严苛的工作条件，要求航空发动机重量轻、推力大、耗油低、工作可靠、寿命长，其结构必须根据发展需求不断改进，维修服务极为重要[1]。

随着传感器技术、数字化技术的不断发展，航空发动机可测量数据类型越来越多，数据量越来越大，当航空发动机发生故障时，尽管各维修单位都收集和整理了大量的实效案例，但如何在技术和管理等层面上实现其有效利用，仍是一个亟需解决的难题。由于涉及到的产品种类繁杂，其研制、生产、使用和维修单位往往互不相同，加之产品的失效类型也多种多样，因此在遇到失效问题时，不但原因复杂，还牵扯到许多单位。面对大量需要整理和归类的失效案例，人工整理和归类不仅任务繁重、效率低下，而且容易出现差错，积累的案例库也难以被查询利用。

目前大数据分析技术在航空领域已经引起了广泛关注。大数据分析技术对航空产品设备进行故障管控与预测是提高飞机安全性、可靠性和保障性的重要措施，也是未来航空产品设备管控的发展趋势与关键技术[2]。信息技术的发展，尤其是数据库技术的不断突破，使得可以通过构建失效案例库的方式，收集不同渠道的失效案例并统一管理，有利于资源的充分利用、查询和统计失效分析案例，同类原因的失效件经过归纳总结都可以用数据库系统来存储，通过数据挖掘技术提取到具有分析和决策性质的信息，可以积累失效分析经验，弥补失效信息带来的不确定性和不完整性，提高失效分析的效率[3]，也更好地继承和管理失效分析知识，这对于航空装备修理失效分析的研究具有重要意义。

2 航空发动机失效分析

2.1航空发动机失效特点

航空发动机质量和可靠性保证不仅涉及发动机的设计技术，而且包括了材料和工艺以及制造技术的质量与可靠性基于大数据对我国近年处理的航空发动机构件失效案例进行统计分析，然后分别同期不同案例下对失效件分布、主要故障模式以及影响因素的分布情况。根据故障模式，失效主要分为渗漏油故障、性能故障、机械故障及其它故障四种类型。有统计显示[4]，与加工制造相关的失效占36%、装配失效占12%、使用修理失效占18%，设计引起的失效占16%，振动和环境引起的失效占18%。排除其他因素，涉及装在使用修理中的失效在统计样本中占案例总数的18%，可见运用大数据分析技术建立维修失效案例库管理系统，可以有效提高失效分析的效率，可以为航空发动机设计维修和安全运行提供重要参考，减少失效事故的发生。

2.2 航空发动机失效分析程序

航空发动机失效通常是多个零件共同失效所导致的，当失效事故发生之后，可能会有大量的零件在事故中受到破坏，所形成的情况往往非常复杂，一般需要建立一套程序以便在正确的分析思路的指导下来进行失效分析[5]，航空发动机维修过程中开展失效分析的基本程序如图1所示。

图1 航空发动机失效分析基本程序

从图1中可以看出，航空发动机零组件的失效分析与排故就是一项系统工程，包含失效史分析、失效现场调研、综合评定结果、案例统计、维修排故、信息反馈等多过程，涉及到发动机生产厂家、飞机制造商、航空公司、维修部门等多单位，有着严密的科学性、现实性、实用性与经济性,就是可靠性、安全性分析中的重要环节之一。

3大数据背景下失效案例库管理系统的设计

通过大数据支持，根据航空发动机维修特点，可以对发动机进行失效分析，进而有针对性地开展航空发动机的视情维修，同时还可以根据大数据对发动机的的使用状进行预判、对产品的故障实现预警以及对发动机使用寿命进行预测。基于以上信息，对航空发动机失效案例库管理系统的由3大功能模块组成:基础数据库管理模块、失效案例库管理模块、系统管理模块，如图2所示。

图2 航空发动机失效案例库管理系统框架

    （1）数据管理模块

基础数据是失效案例管理系统的基础，主要包括发动机模块及失效分析模块。其中发动机模块是最基础的信息，发动机型号、附件类型来源于发动机制造厂家，使用情况来源于航空公司部门根据实际使用录入，失效类型来源于大数据收集；失效分析模块包括失效原因管理模块和失效分析模式管理，数据主要来源于失效分析部门。

（2）失效案例库管理模块

失效案例管理库是失效案例管理系统的核心，主要包括内部案例库和失效分析知识库。内部案例库主要包括失效案例录入模块、部件失效历史统计模块、案例检索模块，失效案例分类统计模块，失效案例录入模块包括部件名称、型号、类别、失效环境、失效阶段、失效率、失效现象、失效模式分类、失效模式描述、失效原因分类、失效原因描述、预防/纠正措施等信息，每个失效案例还包括相关照片、检测报告等附件，同时系统可以根据录入分析信息进行案例分类，以便实现案例的检索及部件失效历史统计；失效分析知识库由失效分析图谱、失效结果分类、常用失效分析资料查询、法规标准等模块组成，这些模块的信息来源于大数据的收集以及相关人员的录入，可以实现阅读和下载。

（3）系统管理模块

失效案例管理库是失效案例管理系统的支撑，主要包括用户管理和权限控制。管理人员登录服务器对客户端的账号密码以及各使用人员权限进行管理，同时发动机的设计生产厂商、使用人员和失效分析人员可通过系统查询不同部件失效分析的各种相关信息，包括基本信息、失效分析信息和失效分析案例等。

4 结论

本文首先对航空发动机失效特点和失效分析程序进行了分析，其次基于大数据背景对航空发动机失效案例库管理系统进行了框架设计系统提供了失效案例相关信息，可以给予设计和生产商、用户及相关技术人员直观和有效的参考，为发动机乃至飞机的质量体系建设奠定基础，对快速准确地分析航空发动机的失效模式，客观公正地判断失效原因，科学有效提出预防与改进措施，防止同类事故的再次发生也有着重要的意义。

参考文献

[1]郭利军.航空机械类部附件基于大数据技术的视情维修初探[J].航空维修与工程,2021(04):118-120.

[2]熊斌华,赵红华,程伟.大数据分析在A320液压系统预测性维修中的研究与应用[J].航空维修与工程,2021(03):38-42.

[3]兰晶,张兵.失效分析案例管理系统的设计与实现[J].失效分析与预防,2012,7(04):267-270.

[4]姜涛,刘建平,张兵.航空发动机与装配维修有关的失效问题初探[J].失效分析与预防,2013,8(05):316-319.

[5]洪力.航空发动机维修失效分析及管理系统研究[D].国防科技大学,2019.