基于WQAR数据的飞机整体驱动发电机预防性监控研究

曾 康 顾杨波

（浙江长龙航空有限公司，杭州 311215）

整体驱动发电机（Integrated Drive Generator，IDG）是航空发动机上的重要组件，为飞机各系统提供电源支持。IDG长期工作于高振动载荷工况下，导致其内部的高速旋转轴等部件的剩余寿命逐步下降，增加了发生故障的潜在可能性。一旦发生故障，会造成巨大的经济损失，甚至会引发飞机安全事故。目前，传统事后维修模式无法及时发现IDG性能衰减趋势，一经发现故障，便需要执行大修。因此，应用大数据分析技术来预测IDG性能状态衰减趋势[1]，以提高提升IDG可靠性，降低维护成本。

1 IDG常见故障现象分析

IDG主要由液压恒速驱动装置（Constant Speed Drive，CSD）、滑油冷却器以及无刷交流发电机3部分组成[2]。恒速驱动装置主要由差动游星齿轮系、液压马达组件、滑油系统、调速系统以及保护系统5部分组成。发动机齿轮箱转动带动IDG主轴转动。CSD将发动机提供的可变输入转速转换为恒定的转速，以驱动其内部交流发电机的转子转动，并通过发电机控制组件（Generator Control Unit，GCU）实现发电控制，从而给飞机各系统供电。

IDG内主轴等高速旋转部件的机械性能受金属材料的蠕变、转动部件的磨损与疲劳、冷却滑油的特性等因素影响，性能逐步衰减，最终表现出的常见故障现象种类包括以下几种。第一，滑油出口温度超温。IDG滑油出口温度正常为40～105 ℃。第二，IDG滑油进出口温度差超限制。第三，滑油耗量不正常。机务检查发现存在IDG滑油渗漏、ECAM警告低油压或滑油消耗量不正常等现象。第四，IDG滑油滤堵塞。常见现象为压差指示器跳出，执行维修工作时发现滑油滤存在大量的污染物。第五，输出频率不正常。GCU监控永磁发电机（Permanent Magnet Generator，PMG）的频率，正常的发电机频率是400 Hz，稳定工作的频率为390～410 Hz。如果GCU检测到PMG的频率低于375 Hz、持续时间超过1.5 s或低于355 Hz、持续时间超过150 ms，判断为欠频故障。如果4 s内频率超过（435±1）Hz或者频率高于452 Hz，且持续至少160 ms，即判断为过频故障。第六，超压或欠压故障。当发电机控制组件（GCU）监控到调节点处的相电压超过（130±1.5）V时，GCU进行超压保护，即判断为超压故障。当发电机控制组件（GCU）监控到调节点处的最低电压低于101 V、持续时间超过7 s时，进行欠压保护，即判断为欠压故障。第七，IDG冷却器故障。第八，IDG油液面过高。第九，IDG线路故障。第十，IDG故障。

分析2016—2020年某航司A320机队真实存在故障的IDG在拆下送修前表征出的故障现象数据，发现IDG滑油出口温度超温现象占比最高为34.88%，滑油进出口温度差超限现象占比为20.93%，详情如图1所示。

综上所述，滑油温度数据变化是IDG发生前故障的显著特征之一[3]。因此，本文基于无线快速存取记录器（WiressQuick Access Recorder，WQAR）数据译码获取IDG的滑油进出口温度等数据进行数据分析，以捕捉IDG性能衰减前滑油温度特征变化的趋势，建立IDG预防性监控模型。

2 基于大数据的IDG预防性监控模型搭建过程

2.1 数据获取方案简介

飞行数据记录通过飞机状态监控系统（Aircraft Condition Monitoring System，ACMS）和机载电子设备，将飞机飞行时的主要参数记录到机载存储设备。机载飞行数据传输和储存设备主要包括数字式飞行数据记录器（Flight Data Recorder，FDR）、无线快速读取记录器（WQAR）以及航空器寻址通信和报告系统（Aircraft Communication Addressing and Reporting System，ACARS）3种。其中，基于ACARS的数据传输方式的优点是数据实时性高，缺点是数据传输成本高、数据获得量较小；WQAR采用蜂窝网络传输方式，具有传输成本低、数据获取量大、传输稳定以及数据参数类型全的特点。数据分析需要大量级的数据，因而选取WQAR数据作为性能趋势监控的数据源。WQAR数据获取和译码流程，如图2所示。

核查飞机原始标准飞机综合数据系统（AIDS）内是否记录所需数据，若未记录，则使用AGS（Advanced Ground Station）软件进行机载AIDS软件编程直至记录所需数据。WQAR记录完飞机各系统传感器的数据后，通过移动蜂窝网络将数据传输回维修大数据服务器，使用译码软件结合译码数据库解析原始数据，将原始二进制数据转化为工程值。工程值转换过程：根据飞机制造商提供的参数记录规范获取每个参数的工程值转换信息，然后利用AirFase等译码软件在译码时调用对应机型译码参数库文件中对应的参数信息，完成译码后的数据储存在大数据分析平台，以便进行数据分析。

2.2 数据获取与译码流程

为实现IDG温度性能趋势监控，需先获取IDG温度相关数据，核查飞机原始标准AIDS软件数据库，发现未记录IDG进出口温度参数。因此，参考空客QAR参数记录规范AIPL，使用AGS软件（版本号BG）完成AIDS软件修订，实现记录IDG出口温度参数。首先，定义参数采集信息，从相应的飞机总线上采集IDG出口温度参数。经查询，IDG出口温度参数ID为D40A03。根据AIPL，该参数在SDAC1（2）总线上的标识码（Label）为106，数据区位于BIT 21～BIT 29，定义从SDAC1总线上采集速率为每次1 s，如图3所示。

图1 2016年至2020年某航司机队IDG故障现象占比

图2 飞行数据译码流程

其次，定义参数记录信息，将采集到的IDG出口温度参数记录到QAR数据，将从总线上采集的BIT 21～BIT 29信息分别存至第627个字槽的BIT 4～BIT 12位，其中BIT29位代表符号位。

图3 AGS软件参数采集定义图

图4 AGS软件参数记录定义图

其次，根据AIDS数据库中参数记录规范修订译码数据库。为实现飞机原始参数从原始二进制数转化为工程值，在译码软件内完成定义该参数的参数类型（Param Type）、记录参数的起止位（Bits Locations）、记录参数频率（Subfram）和位数（Bits）等，如图5所示。飞机落地后，WQAR通过蜂窝数据将IDG进出口温度等参数传输返回译码服务器。完成解码的IDG出口温度等数据通过数据管理平台进行数据清洗、数据分类储存，作为预防性监控模型搭建的数据基础。

2.3 监控模型搭建

通过查阅手册分析IDG滑油冷却与监控原理，并结合分析真实存在故障的IDG及正常运行IDG的滑油温度数据，设定预防性维修预警逻辑，同时在持续运行中通过不断记录预警结果持续优化预警逻辑，以提高预测成功率。

图5 AGS软件定义译码转换参数图

正常情况下，IDG滑油出口温度为40～105 ℃。超过142 ℃时，则在下ECAM界面跳出咨询信息；超过185 ℃，则MASTER CAUTION灯亮；超过200 ℃时，会自动热脱开保护IDG。需要注意，热脱开后必须更换IDG。IDG温度控制原理，如图6所示。

图6 IDG滑油温度监控原理图

分析2016—2020年某航司A320机队正常IDG数据和真实存在故障的IDG在拆下送修前表征出的滑油温度故障现象数据，发现在某航段飞行中，IDG最大滑油出口温度处于40～125 ℃的情况占比为97%以上，此正常温度范围内，IDG历史故障的发生概率低于2%，且发生的故障均为偶发性随机故障，难以实现预测。若设定的预警值低于125 ℃，则预警信息通知过多，容易干扰维修工程师正常工作，导致预测成功率过低，失去监控的意义。此外，最大滑油出口温度大于125 ℃的情况占比不到3%，如图7所示。但大多数性能衰减故障件送修前均表现出该温度特性。

图7 IDG最大滑油出口温度占比图

此外，分析正常IDG进出口温度差，发现IDG滑油进出口温度差的最大值处于10～25 ℃，如图8所示。研究通过监控进出口温度差值，一定程度上表征IDG冷却器的性能状态。

在实际生产中，IDG滑油系统可能因IDG加油工具管控不到位或加油口盖未盖紧等原因，导致IDG滑油含水量过高。IDG滑油系统中若滑油中混入水分过多，将易产生泡沫而堵塞油道，还会提高润滑油的凝点，不利于低温流动性能，也会减弱油膜的强度，降低润滑功能，导致金属零件表面锈蚀，加快基础油氧化速度，使其出现乳化现象。滑油中的添加剂也会因为表面活性剂的成分而变成胶状，影响其性能发挥。水分会与落入润滑油中的铁屑等发生作用生成铁皂，而铁皂与润滑油中的污染物混合生成油泥聚积在润滑系统油道及各种滤网内[4]，造成各摩擦表面供油不足，增加了耦合部件间的摩擦因数，从而在IDG内发生连锁反应，会加速机件的磨损，同时降低滑油系统与燃油进行热交换的效率，引发IDG出口温度超温[5]。

综合IDG原理、IDG运行数据分析以及历史维护经验，设置预警逻辑1——在某航段飞行中，IDG最大滑油出口温度大于125 ℃为黄色预警；设定预警逻辑2——任意连续4个航段内，出现任意两次IDG最大滑油出口温度大于125 ℃为红色警告；设定预警逻辑3——任意航段内出现IDG滑油进出口温度差的最大值小于10 ℃或大于25 ℃则为黄色警告；设定预警逻辑4——自执行MPD项目“排放IDG滑油系统报废滤芯并加注滑油”后，连续3个飞行日内出现最大滑油出口温度大于125 ℃为红色警告。结合软件系统开发，最终完成基于大数据的IDG温度监控模型，实现监控机队任一航段内IDG出口最大温度和 IDG进出口温度差值最大值，如图9和图10所示。

3 预防性监控模型验证

将IDG预防性维修平台与机务维修管理平台中IDG的MPD项目执行记录相关联。系统监控发现，某飞机执行MPD项目“排放IDG滑油系统报废滤芯并加注滑油”，而后连续多日系统发出IDG出口温度超过预警的警告，如图11所示。

图8 IDG滑油进出口温度差的最大值图

图9 机队IDG出口温度最大值监控图

综合推测，执行IDG滑油工作时，由于加油工具受到污染或没有清洗擦拭加油口等，IDG滑油品质出现问题，导致在IDG内部产生连锁反应，发生IDG出口温度超温现象。

最终处置措施为清洁加油工具，并执行排放IDG滑油系统报废滤芯并加注滑油工作。后续1月内，持续监控IDG出口温度，整体趋势正常，未出现超温现象。执行滑油更换后，IDG出口温度趋势如图12所示。

此IDG部件滑油通过油样理化分析获取检测数据。查阅空客A320飞机维护手册，可知IDG滑油污染限制标准，如表1所示。

分析比较油液检测数据和IDG滑油污染限制标准，发现IDG滑油含水量为0.21%超过厂家污染限制标准0.10%的要求，且每100 mL滑油最大不溶物重量为4.8 mg接近指标污染限制的最高标准，如表2所示，与本次预防性监控模型预警结果相吻合。目前该预防性监控模型已试运行2年，期间该系统有效监控到30次性能衰减预测报警，IDG拆下送修报告显示，送修IDG存在输入碳封严磨损、高速旋转件磨损等问题，均处于失效边缘，此监控模型在一定场景下，有效的预防了飞机运行期间IDG失效故障，提升机队IDG可靠性。

图10 机队IDG进出口温度差值最大值监控图

图11 故障IDG出口温度监控图

图12 执行滑油更换后IDG出口温度趋势图

表1 IDG滑油污染限制标准

表2 受污染的IDG滑油取样检测报告

4 结语

传统事后维修方式无法在IDG性能衰减早期检测并修复潜在的故障，一般在IDG故障后才进行送修处理。大多数情况下，IDG内部已经严重损伤，不仅会造成巨大的经济损失，还会导致飞机安全事故。本文通过研究IDG工作原理、挖掘IDG运行数据价值以及搭建IDG预防性维修模型，不断积累IDG故障特征数据，从而逐步优化IDG预防性监控逻辑，提高IDG性能衰减预测的准确度。