直升机振动健康监测指南-CAP753

朱桂芳

(中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333001)



直升机振动健康监测指南-CAP753

朱桂芳

(中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333001)

直升机振动健康监测指南(CAP753)是直升机HUMS系统设计与使用的重要技术标准。CAP753对HUMS系统的安装、系统的能力，地面站系统的能力，交付系统性能的修改与确认，系统的服务支持和系统的使用等方面，都给出了详细的建议。文章从产生背景，特定的技术术语，指南主要内容等方面详细介绍了CAP753，希望能对我国自主HUMS系统的研制有一定的启示作用。

直升机；振动；振动健康监测；VHM；健康状态与使用监测系统；HUMS；CAP753

0 引言

随着我国低空领域的开放，民用直升机必将大量使用。与军用直升机关注机动性、隐身能力、电子对抗和作战性能不同，民用直升机更注重安全性、可靠性、经济性、舒适性和环保性。

我国民用直升机的研制已成系列化发展，已成功推出AC系列直升机，包括：AC310、AC311、AC312、AC313等。

直升机HUMS系统对于提高直升机安全性、减少维护费用、提高出勤率的重要作用，已得到广泛认可和验证，而VHM是HUMS的核心内容。

自从1991年第一套HUMS系统装备在北海油田直升机以来，HUMS技术得到了持续的发展，HUMS产品广泛应用于军民用直升机(据主要供应商资料统计，HUMS装机量超过6000套)。同时，也制定了各类技术标准，主要包括：英国CAA制定的直升机振动健康监测指南(CAP753)，美国FAA制定的AC29 M15旋翼航空器健康状态和使用监视系统(HUMS)的适航批准，美国旋翼机工业技术协会(RITA，Rotorcraft Industry Technology Association)制定的AS539X系列标准。

CAP753规定了HUMS系统(VHM)的设计和使用。

AC29 M15规定了HUMS系统的安装、验证和整个使用周期内的持续适航指令(ICA)的适航批准流程和方法。

AS539X技术规范是为实现通用性、减少维护工作量、降低HUMS购买成本而制定的HUMS传感器和数据接口规范，包括：AS5391加速度计接口规范，该规范定义了HUMS常用的三种加速度计的电气和机械性能，即机身加速度计、传动系统加速度计、发动机加速度计；AS5392旋转系统方位传感器规范，该文件定义了每次旋转产生脉冲的传感器的电气和机械规范，通常用于RT&B、发动机和传动系统振动监控；AS5393桨叶轨迹仪(数字式)接口规范，该规范适用于桨叶轨迹仪(数字式)与机载HUMS之间的电气和数据接口；AS5394先进多点数据接口规范，先进多点传感器网络与传统的星形构型相比，重量、体积、成本以及复杂程度都有所降低，这个连续的网络协议管理费用较低、效率和通用性高；AS5395 HUMS数据交换规范(DIS)5.0版，从各个角度(如数据定义和类别、数据结构、数据文件)定义了HUMS数据。

但是，由于英国CAA强制规定“在英国注册的，9座以上的运营直升机必需安装VHM系统(即HUMS系统)”，使得“直升机振动健康监测指南(CAP753)”变得与众不同，成为了各HUMS厂商均遵循的标准。

本文主要介绍该技术标准，希望能对我国自主HUMS系统研制有一定的启示作用。

1 CAP753的产生背景及版本信息

20世纪90年代，HUMS系统开始装备在英国北海油气公司的大型直升机上。由于其对直升机安全性的独特作用，装备HUMS系统成为了直升机运营公司的自觉行为。

随后，英国CAA认可了HUMS系统在直升机安全方面的作用。1999年6月1日，CAA颁布了额外耐飞性指南ADD 001-05-99，规定“在英国注册的，9座以上的运营直升机必需安装VHM系统(即HUMS系统)”。

2003年，EASA成立，认可了CAA颁布的额外耐飞性指南ADD 001-05-99，因此，该技术规范也就成为了EASA的技术规范。

之后，英国CAA出版了CAP693，对直升机HUMS系统的监控范围进行了界定，给出了HUMS系统的详细设计指南，以确保HUMS系统能被正确使用。

2006年，英国CAA对CAP693进行了升级，形成了CAP753。该技术指南不仅对HUMS的设计进行了详细规定，对HUMS系统的使用也进行了详细规定，即形成了HUMS系统设计与使用指南。

2012年，CAA对CAP753(2006版)进行了再次修订，形成了目前使用的CAP753(2012版)。

2 CAP753特定术语

在CAP753中，对HUMS常用的24个技术术语进行了定义，本文在剔除通用术语的基础上，主要介绍以下11个关键术语：

1) 紧密监测(Close Monitoring)：是指当VHM状态指示器超限或其他要求需要增加监控时进行的监测行为。

2) 数据下载流程(Data Download Process)：是指VHM从机上下载数据到地面站的过程。要求每次飞行后下载，下载设备可为储存卡或便携设备。

3) 数据管理(Data Management)：是指从机上下载数据到地面站时，为保证数据的完整性而进行的工作。

4) 地面站(Ground Station)：是指一种访问VHM数据的方法，包括告警以及地勤人员航后故障诊断。地面站可查看机队的历史数据和相关健康状态，通过对比分析，确定超限和故障诊断。地面站可以由第三方提供。

5) 传感器(Sensors)：是指测量振动的硬件。要求应能适合机载环境，且具有CBIT/IBIT的功能。

6) 信号采样率(Signal Sampling Rate)：是指信号记录的频率。信号采样率应满足一定的带宽，供数据分析，应满足振动信号反混叠要求。

7) 振动健康监测(Vibration Health Monitoring - VHM)：是指利用振动信号处理的结果，诊断机械系统的故障或性能降级的行为。

8) VHM应用(VHM Application)：是指用VHM状态指示器表征部件特定故障的行为，如用SO1(shaft order one，轴1阶幅值)来表征尾桨轴动平衡情况。

9) VHM状态指示器(VHM Indicator)：是指基于某种特定算法进行数据处理而得到的一个结果。该结果与特定部件的特定故障模式相对应。VHM状态指示器分为初级状态指示器，中级状态指示器和未来状态指示器。初级状态指示器是指能直接产生告警的指示器，中级状态指示器是指需要进行一定故障算法处理之后产生告警的指示器。

10) VHM状态指示器产生速率(VHM Indicator Generation Rate)：通常包括：数据记录/处理速度、VHM指示器数量、每次采样要求的数据量等。

11) VHM系统(VHM System)：典型的系统包括：振动传感器及线缆，数据采集与处理硬件，从机上下载数据的方法，地面站和支持所有操作相关资料的系统。

3 CAP753指南主要内容

CAP753主要从五个方面对HUMS系统的设计和使用进行了规定，包括：系统安装、系统能力、地面站系统能力、交付系统性能修改与确认、系统服务支持和系统使用。

3.1 系统安装

HUMS的安装与其他电子产品的安装相同，应遵循EASA CS/FAR/JAR 27 /29和 BCAR 29；

必需有明确的直升机型号；

必需得到权威部门的认可(批准)；

安装与设备可分开论证；

软件标准为RTCA/DO-178/EUROCAE ED-12。若没有改变维修惯例或飞行操作，其失效不会严重影响飞行的可用RTCA/DO-178B D级(或更高)；

全面的安装还应考虑：最小化，电源，环境条件(含电磁兼容)，系统不冲突，人机功效等；

设备应遵循RTCA/DO-160/EUROCAE ED 14(包括：强辐射(HIRF)和闪电保护)。

3.2 VHM系统能力

3.2.1 监控范围

VHM的监控范围如表1所示。

表1 VHM监控范围

3.2.2 传感器能力、位置与安装

应满足机载环境适航要求，具有CBIT/IBIT能力；

传感器安装位置和安装方法对结果有很大的影响，应保证有足够信噪比，适合故障诊断；

维护应确保传感器功能；

校准/安装应被监控。

3.2.3 信号采集与处理

数据采集应与直升机的状态相关，采集应自动进行；

一些疲劳失效有可能在几小时前被诊断，因此应缩短采集周期，以适应此诊断；

采样率应满足采样带宽和反混叠要求；

采样率应适合产生VHM状态指标，应清楚监控部件特性。

3.2.4 飞行员接口

飞行员不参与日常VHM的数据采集；

飞行员可能要执行采集特殊事件数据，输入直升机重量，下载数据等工作；

带有EPC(发电机功率检查)功能时，需要进行相应的操作。

3.2.5 下载与储存能力

非成功下载数据，应有指示；

防止周围环境对数据下载的影响。

3.2.6 故障诊断性能确认

可用多种方法确认故障诊断性能；

部件的振动监控很少能直接给出，提高信噪比能增强其灵敏度，使用、部件变化和维修会对其产生影响。

3.2.7 告警产生与管理

门限来自于振动水平，振动水平依赖于机队的经验或单架直升机的振动学习；

初始门限值应由设计部门推荐，门限值的修改应得到设计部门的认可；

在20世纪90年代中期对VHM进行性能评估时，VHM的故障诊断率为70%；

应周期性地对VHM的诊断能力进行评估。

3.2.8 数据管理

地面站应能显示VHM数据的状态，确定是否超限；

超限的显示应采用图形等友好的方式；

应能进行机队的平均门限值显示和趋势分析。

3.2.9 持续使用

所有的告警事件在维护手册应有指示；

VHM的例行检查应包括振动传感器的性能；

VHM维护人员应有操作指南；

应有飞行员操作指南。

3.2.10 培训

使用和维护VHM必需经过培训。

3.2.11 最小设备列表

最小设备列表应包括机上设备，地面设备和数据传输设备。

3.3 VHM地面站能力

用于处理与显示机载数据，处理结果用于维护；

地面站包括：地面站硬件、软件；

地面站硬件为COTS产品，软件分两部分，操作系统为COTS产品，VHM特定软件应符合DO178，若涉及到危险部件评估，其标准应与机载系统相同；

若应用网络，则应考虑数据通讯和防病毒问题。

3.4 交付系统性能修改与确认

一些服务在开发期间已被批准，大部分的应用在CSI期间持续发展，包括：服务经验、确认服务依靠、服务失败、错误告警、门限的变化、持续支持流程等，这些也应受控；

错误告警不影响维护行为，不会产生无法完成或不可接受的情况；

CSI期间，设计者/用户应依CSI标准进行评审；

CSI期间应提供门限值，且应及时更新。

3.5 服务支持

应定期开会确定状态指示器的效果，诊断的门限和告警效果评估；

应提供意外事故的额外技术支持；

若非TCH支持，应包括：评估诊断类型和设置，评估诊断工作开发与改进，培训，VHM数据的解释与诊断；

为了避免性能退化，确保COTS软硬件的有效性；

应确保VHM状态指示器性能的有效性。

3.6 VHM的使用

确保VHM系统符合3.1，3.2，3.3要求，确保系统受控。

3.6.1 VHM支持安排

使用者必需确保设计部门有清晰的工作安排；

VHM应被批准；

应与设计部门有持续的联系；

确保设计部门参与CSI和持续耐飞会议。

3.6.2 培训

用户应确保进行全员培训。

3.6.3 使用程序

用户必需确保VHM在其质量管理体系之中；

明确VHM人员的义务和责任；

特定的VHM处理程序，包括：下载规则，飞行后处理，诊断会商程序，紧密监控流程(CLOSE MONITORING)，事件报告制度；

门限设定与调整应适当；

最小设备列表；

培训要求；

应将故障细节，拆卸、维修/检查信息反馈给设计部门。

4 结束语

CAP753从HUMS系统安装、系统能力、地面站系统能力、交付系统性能修改与确认和系统服务支持等方面对HUMS的设计进行了详细描述，对于规范HUMS的设计起到重要的指导作用；同时，从支持安排、培训和使用程序等方面对HUMS的使用进行了规范，对于促进HUMS在直升机的使用起到重要的作用。

目前主要的HUMS系统供应商均表示其系统符合CAP753技术标准，如：空直的MARMS系统，GE的Gen HUMS系统，GoodRich的IMD HUMS系统，HONEYWELL的Zing HUMS，Meggitt公司的IHUMS等。

我国正在自主开发HUMS系统，以前开发的系统并没有完全遵循CAP753标准进行开发，目前正在开发的AC313 HUMS系统、AC352 HUMS系统均遵循该技术标准。希望本文能对我国自主HUMS系统的研制有一定的启示作用。

[1] 李新民，黄建萍，金小强. 美国直升机HUMS系统体系结构与接口标准研究[C].装备故障预测与健康管理(PHM)年会，2014.

[2] CAP 753 Helicopter Vibration Health Monitoring (VHM) Guidance Material for Operators Utilising VHM in Rotor and Rotor Drive Systems of Helicopters[S] Civil Aviation Authority ，2012.

[3] AC 29 MG15 Airworthiness Approval of Rotorcraft Health Usage Monitoring Systems(HUMS)[S].

[4] EUROCAE ED-12B, RTCA DO-178B Software Considerations in Airborne Systems and Equipment Certification[S].

[5] EUROCAE ED-14E, RTCA DO-160C Environmental Conditions and Test Procedures for Airborne Equipment[S].

[6] EUROCAE ED-94B, RTCA DO-248B Final Annual Report for clarification of DO-178B/ED-12B[S].

[7] Zing CBM /HUMS Sales Training[S]. PPT,HONEYWELL,2012.

[8] M'ARMS EC225 Training Manual[S].pptx,EC,2013.

[9] GoodRich HUMS[S].PPT, GoodRich,2014.

[10] New MSS Helicopter Capability MARCH 2015 ISZ[EB/OL].Meggitt,2015.

The Guidance Material of Helicopter Vibration Health Monitoring(CAP753)

ZHU Guifang

(China Helicopter Research and Development Institute, Jingdezhen 333001,China)

The Guidance Material of Helicopter Vibration Health Monitoring (CAP753) is an important technical standard for helicopter HUMS design and usage. Particular advices are described in CAP753 for the installation of HUMS, capability of HUMS system, capability of ground station, modification and acknowledgement of the system performance, system support service and usage of the system. The background, special glossary and main contents of the guidance CAP753 were introduced in this paper. This paper would give some help for Chinese HUMS system independent research.

helicopter; vibration; Vibration Health Monitoring; VHM Health and Usage Monitoring System ; HUMS; CAP753

2015-03-14

朱桂芳(1968-)，女，湖南常德人，硕士，高级工程师，研究方向：民用直升机管理。

1673-1220(2015)02-063-04

V267+.31

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