1、http:/DOI:10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0260多应力耦合条件下氧气浓缩器退化建模潘晋新1，景博1，焦晓璇1，*，王生龙1，黄崧琳1，方玲2(1.空军工程大学航空工程学院，西安710038；2.航空工业合肥江航飞机装备股份有限公司，合肥230000)摘要：耦合应力条件下的建模是故障预测与健康管理领域的难点问题。以氧气浓缩器地面试验退化建模为例，针对试验中 2 种应力线性相关且耦合作用于氧气浓缩器退化的问题，提出了一种机理模型与数据驱动联合的偏微分方程建模方法。基于退化机理分析建立偏微分方程的基本形式，利用数据驱动的方法确定方程具体参数。通过偏微分方程建模，
2、对 2 种应力进行解耦分析，确定引气湿度的增加会加快氧气浓缩器的退化速率，发现随着氧气浓缩器工作性能的退化，氧气浓缩器氧分压对引气压力的敏感性减弱，确定氧分压随引气压力变化斜率为健康因子。通过卡尔曼滤波器模式识别，确定氧气浓缩器退化可分为平稳阶段与退化阶段，与实际服役环境下氧气浓缩器退化数据对比，验证了氧气浓缩器两阶段退化特性。关键词：多应力耦合；退化建模；偏微分方程；氧气浓缩器；卡尔曼滤波中图分类号：V245.3文献标志码：A文章编号：1005-5965（2023）02-0472-10故 障 预 测 与 健 康 管 理(prognosticsandhealthmanagement,PHM)技
3、术的关键是建立退化模型1。然而，应用环境的多样化、复杂化给退化建模带来了诸多变量，在现实工况环境下，多种应力往往同时影响着产品的退化，如何综合考虑多种应力对产品的影响，建立能够反映多种应力的退化模型，是可靠性建模的难题2-4。基于国内外研究，解决多应力耦合建模的方法主要有 2 种。基于失效物理的退化模型。基于对系统退化机理的分析，找到作用于退化的关键应力及其作用模型，针对不同的应力作用对退化的耦合作用建立退化模型，并利用退化数据对模型参数进行拟合5-9。基于数据驱动的退化建模。通过数据分析，选取退化趋势相符的退化模型，如伽马模型、维纳模型10等，将应力作为模型输入，健康参数作为模型输出，通过数
4、据驱动的方法建立应力与退化的映射模型，从而得到产品在相关应力耦合作用下的退化模型11-12。然而对于某些复杂设备，退化机理不明确，难以准确建立应力对产品退化的影响模型；在试验过程中，由于试验条件的限制，难以获取各个应力作用下理想的产品退化数据，基于数据驱动建模可能带来较大误差13。针对以上问题，本文以氧气浓缩器地面试验退化建模为例，提出了一种机理模型与数据驱动联合的偏微分方程建模方法。将地面试验中影响产品退化的多个应力作为偏微分方程的自变量，退化指标氧分压作为因变量；针对试验过程中引气压力与引气湿度 2 种应力线性相关且耦合作用于产品退化的问题，将 2 种应力变量结合建立联合参数，并基于机理分
5、析建立偏微分方程的基本形式，再通过数据驱动的方法确定方程具体参数。基于偏微分方程建模，结合机理模型对 2 种应力进行了解耦分析，得到了 3 个方面的结论：在氧气浓缩器的退化机理方面，确定了引气湿度是影响氧气浓缩器退化的关键应力；在健康因子选取方面，发现随着收稿日期：2021-05-18；录用日期：2021-07-30；网络出版时间：2021-08-2713：42网络出版地址： J.北京航空航天大学学报，2023，49（2）：472-481.PAN J X，JING B，JIAO X X，et al.Degradation modeling of oxygen concentrator in m
6、ultiple stress couplingJ.Journal of BeijingUniversity of Aeronautics and Astronautics，2023，49（2）：472-481（in Chinese）.2023年2月北京航空航天大学学报February2023第49卷第2期JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsVol.49No.2氧气浓缩器的退化，氧分压对引气压力的敏感性将会减弱，因此选取氧分压随引气压力变化斜率作为健康因子；在氧气浓缩器的退化过程方面，确定了氧气浓缩器的退化阶段可分为平稳阶段
7、与退化阶段，并通过实际服役环境数据对比验证了两阶段退化特性。1氧气浓缩器工作与退化原理1.1氧气浓缩器结构机载氧气浓缩器采用三床式结构，其结构原理如图 1 所示。在飞机空中制氧时，从飞机发动机引出的压缩空气经过飞机环控系统净化、冷却后进入氧气浓缩器，流经入口过滤器 1 进入进气罐 3 中的减压器，经减压后的气体进入电控气动阀 5 和电磁阀 6，电磁阀断电，通过对电控气动阀膜上腔气压的间接控制，使排气阀关闭，进气阀开启，进而使分子筛床9 加压吸附，并打开单向阀 7 输出富氧产品气，同时通过冲洗装置 8 向另外 2 个分子筛床输出冲洗流量；电磁阀通电，使排气阀开启、进气阀关闭，进而使分子筛床卸压解
8、吸。3 个分子筛床如此交互循环工作，实施加压吸附、卸压解吸和冲洗净化过程，获得富氧产品气，3 个分子筛床交互工作的相位差为1/3 个循环周期，如图 2 所示。通过对不同湿度的空气进行冲洗试验，得到产氧最佳切换周期。随着冲洗流量的逐渐增大，产品气氧浓度具有先上升后下降的趋势特征，产氧最佳切换周期为 9s。氧气监控器从产品气输出管路中引出小股样品气进行采样，实时检测产品气中的氧分压和温度；同时，氧气监控器通过感压管路与飞机座舱相通，以测定座舱压力（高度）；经分析处理，当判断氧分压不能满足生理需要时，发出“氧气浓缩器故障”的告警信号。1.2变压吸附原理变压吸附法利用分子筛的吸附特性分离空气中的氮和氧
9、，以获得飞行员使用的富氧产品气。分子的极性氮分子中含有弧电子对，具有更大的四极矩，其极性大于氧分子，这种畸形增强了其在晶体中与分子筛骨架上分布的阳离子的作用能力。当空气流过氧气浓缩器分子筛时，氮分子更有效地争夺了吸附晶格点，而氧分子只是少量的被吸附。吸附气体中含氮量高，流出气体含氧量高，达到了浓缩氧气的目的。当整个分子筛床被饱和后，可降低1入口过滤器;2压力传感器;3进气罐;4安全活门;5电控气动阀;6电磁阀;7单向阀;8冲洗装置;9分子筛床;10出口过滤器;11储气罐;12氧分压传感器。CPU123456789101112压缩空气产品气5656789789氮气氧气监控器图1氧气浓缩器原理Fi
10、g.1Schematicdiagramofoxygenconcentrator分子筛床1分子筛床2分子筛床3吸附吸附吸附解吸解吸解吸T0T31T32T43T352T图2分子筛床工作流程Fig.2Workflowofscreenbed第2期潘晋新，等：多应力耦合条件下氧气浓缩器退化建模473床内压力，并用富氧产品气逆向冲洗吸附床，就可以解吸氮气，使吸附床恢复到吸附前的状态14。机载氧气浓缩器中富氧分子筛吸附剂是钠、钾、钙、锂等的晶体状硅铝化合物，分子筛具有常规笼式骨架，如图 3 所示。图3分子筛结构Fig.3MolecularsievestructureMx/n(AlO2)x(SiO2)ywH2
11、O该骨架是由硅氧（SiO2）四面体和铝氧(AlO2)四面体通过氧桥相互连接而成的笼状结构单元，众多金属阳离子便分布在骨架上。其通用分子式为：。其中：n 为阳离子 M 的价数；w 为每个单元晶胞中水分子数；x、y 均为整数且y/x1。1.3氧气浓缩器退化机理湿空气中主要成分是 H2O 和 N2，水汽的偶极矩与分子筛的阳离子发生强烈的相互作用，包围住可交换的阳离子，在分子筛的通道内形成更扩散阻塞区域，从而降低分子筛对 N2等第二吸附质的吸附。湿空气中由于水汽分子的存在，通过分子筛床时的吸附分离与干空气的情况发生了明显的变化，水汽分子在 N2分子之前被优先吸附，而且已经吸附了水汽分子的分子筛不再具有
12、吸附 N2分子的能力。从宏观上说，水蒸气存在时相当于减少分子筛的装填量。再者，由于分子筛阳离子与水汽分子吸附作用要高于对气体分子的吸附，解吸被吸附的水汽分子就变得相对困难，若吸附剂所吸附的水汽不能在正常的变压吸附空气过程中得到很好的解吸，则必然导致系统气体分离产氧能力的下降。受机上条件的限制不能使用大型的除水装置，即使在引气管路中配备了高压除水设备，其储水能力及干燥效果也十分有限，即在通常情况下，引气中都会留存一定量的水蒸气，从而导致了氧气浓缩器性能的退化15-16。2试验设计2.1试验方案为研究 YNQ-8 氧气浓缩器在飞机上引气边界条件下（压力、温度和湿度）的磨损情况和寿命，验证 YNQ-
13、8 氧气浓缩器产品性能衰减规律，与航空工业合肥江航飞机装备股份有限公司合作，设计了氧气浓缩器退化试验。试验模拟机上引气压力、温度、湿度条件下 YNQ-8 氧气浓缩器减压器内腔零件磨损、变形，产品产氧性能及性能衰减规律。设定 4h 为一个工作周期模拟飞机一个起落架次，将引气压力按照 0.14MPa、0.3MPa、0.7MPa、1.0MPa、0.7MPa、0.3MPa、0.14MPa 的应力谱进行循环试验，并在每一个工作周期后测试氧气浓缩器的性能下降情况，验证引气条件对产品的影响程度。由于水汽对分子筛吸附剂的污染是一个相对缓慢的过程，短时间内分子筛的吸附性能不会出现明显的变化，为充分论证影响趋势，
14、设定工作总时长为 250h。试验线路如图 4 所示。AB真空泵座舱高度模拟试验箱温度传感器压力传感器湿度传感器通大气阀门氧气分析仪试验箱压力/温度控制器加湿器温度传感器加热器制冷装置干燥器冷凝器储气罐过滤器空气压缩机图4氧气浓缩器退化试验硬件连接图Fig.4Diagramofhardwareconnectionforoxygenconcentratordegradationtest474北 京 航 空 航 天 大 学 学 报2023年2.2数据获取将装配完整的氧气浓缩器置于低压舱内，连接激励器，通电通气。在飞机上，飞机发动机引出的压缩空气经过飞机环控系统净化、冷却后进入氧气浓缩器，引气温度基本
15、保持，因此，控制温度恒定在70 左右。引气压力在 0.141.0MPa 之间循环，每 30min 从最低压力 0.14MPa 到最高压力 1.0MPa再到最低压力 0.14MPa 之间循环转换，每 4h 为一循环周期。由于试验设置中采用加湿器的方式改变空气中的水含量，而加湿器未设置湿度的控制，引气压力的变化将会造成对分子筛引气湿度的变化。因此，引气压力与引气湿度 2 个变量紧密相关。一个周期内的试验数据记录如表 1 所示。表1氧气浓缩器退化试验数据记录Table1Oxygenconcentratordegradationtestdata引气压力/MPa 引气湿度/(gL1)引气温度/氧浓度/%
16、氧分压/kPa0.1432.847038.134.90.361.786959.857.50.780.636963.961.81.094.477164.363.50.774.38716563.30.354.006964.462.40.1434.026938.337.9对于试验记录数据而言，引气压力、引气湿度为试验的自变量，引气温度为试验的无关变量，氧浓度、氧分压为试验的因变量。从表 1 记录的数据中可以发现，引气湿度的变化与引气压力紧密相关，通过分析试验方案发现，2 种数据的紧耦合是由于由空气加湿机构不可控，引气压力的变化影响着气体吸入水汽的含量，从而导致 2 种变量同比例线性变化。3基于偏微分方程的氧气浓缩器退化因素分析与健康因子提取3.1建模难点分析将全寿命周期退化数据可视化后，得到退化曲线如图 5 所示。由于在每个循环周期内，引气压力不断循环变化，导致氧分压也随着引气压力发生波动，从全寿命周期数据来看，退化过程是缓慢的，引气压力变化造成的氧分压波动掩盖了整体退化趋势，造成退化建模难以开展。因此，需要从全寿命周期数据中提取出能够有效表征退化的健康因子，通过健康因子建立退化模型，以研究
