Development of a condition-based maintenance concept for helicopter drive systems

Abstract

Drehflügler verwenden komplexe mechanische Systeme um die Rotoren anzutreiben. Zunehmend werden Struktur- und Betriebsüberwachungssysteme, sog. HUMS, installiert, um Schäden im Antrieb frühzeitig zu detektieren. Mit der Überwachung entsteht die Möglichkeit, Instandhaltungsmaßnahmen mit dem Systemzustand zu koordinieren. Die zustandsabhängige Instandhaltung (Engl.:<br />Condition-Based Maintenance - CBM) hat das Potenzial, die Betriebskosten zu senken und die Verfügbarkeit zu erhöhen.<br />Die Herausforderung von CBM besteht darin, Zustandsüberwachung und Luftfahrzeuginstandhaltung effektiv zu vereinen. Das entstehende Wartungskonzept und die Technologien, die es ermöglichen, darunter HUMS und Verfahren zur Schadens¬diagnose und -Prognose, müssen viele technische, operationelle und wirtschaftliche Anforderungen erfüllen, welche die Bedürfnisse der Luftfahrtbehörden, der Hubschrauberbetreiber, und der CBM-Entwickler wiedergeben. Bisher ist es noch nicht gelungen, CBM in der Praxis umzusetzen.<br />Aufgrund von technischen und wirtschaftlichen Einschränkungen ist es unwahrscheinlich, dass alle potenziellen Schadensarten eines Hubschrauberantriebssystems zuverlässig überwacht werden können. Daher wird ein Hybridansatz für die Wartung vorgeschlagen, der Zustandsüberwachung von ausgewählten Komponenten mit planmäßigen Inspektionen der restlichen Komponenten vereint. Durch die Überwachung der Schwachstellen innerhalb eines Systems können planmäßige Inspektions- und Überholungsintervalle ggf. ersetzt oder verlängert werden. Damit können Anzahl und Umfang von Wartungseingriffen über der Systemlebensdauer reduziert werden. Die Kernbestandteile dieses Ansatzes werden in der Arbeit untersucht und weiterentwickelt.<br />Ein Verfahren zur Bestimmung des operativen Wartungsbedarfs und der Ausfallwahrscheinlichkeit wird eingeführt, um jene Komponenten zu identifizieren die von einer Zustandsüberwachung besonders profitieren würden. Es basiert auf einer Analyse von Inspektionsbefunden, in Bezug auf vier charakteristische Schädigungs-stufen. Mittels des Verfahrens können auch angemessene Wartungszeitpunkte bestimmt werden. Die Anwendbarkeit des Verfahrens wird anhand von Inspektionsdaten von Getriebekomponenten demonstriert.<br />Um Zustandsüberwachung anstelle einer Inspektion zu gerechtfertigen, muss eine zuverlässige Schadenserkennung durch das Überwachungssystem nachgewiesen werden. Zu diesem Zweck werden Methoden zur Analyse der Detektionswahrscheinlichkeit (Engl.: probability of detection - PoD) und der Fehlalarmwahrscheinlichkeit (Engl.: probability of false alarm - PoFA) aus der zerstörungsfreien Prüfung und der Signalerkennung auf die Zustandsüberwachung angepasst. Insbesondere werden die sog. Receiver Operating Characteristic (ROC) Analyse zur Bewertung der PoD bei diskreten Schadenszuständen, und die sog. Signal Response Analyse zur Bestimmung der PoD als Funktion der Schadensgröße vorgeschlagen. Diese Methoden werden erfolgreich auf Vibrationsmessdaten aus Schädigungsversuchen an Heckrotor¬wellenlagern angewendet.<br />Schließlich wird ein Konzept eingeführt um zustandsbasierte und zeitbasierte Instandhaltungsmaßnahmen einzuteilen und in einem operationellen Kontext zu integrieren. Das Konzept, genannt Health-Gate-CBM, beinhaltet periodische sog. CBM System Assessments (CBM-SA), um den aktuellen Zustand eines überwachten Systems zu bewerten, und die zukünftige Entwicklung des Zustands abzuschätzen. Wenn für keine Komponenten bis zum nächsten geplanten CBM System Assessment ein Wartungsbedarf erwartet wird, wird das System für eine weitere Betriebsphase freigegeben. Dadurch können Wartungsintervalle stufenweise verlängert werden. Die CBM System Assessments verwenden sowohl HUMS-Daten, als auch ergänzende Informationen von minimalinvasiven Untersuchungen (Engl.: Minimally Invasive Field-Level Health Assessments), um zuverlässige Schadensdiagnosen und Restlebensdauerschätzungen zu liefern. Ergänzend werden in der Arbeit Strategien zur Datengewinnung für die CBM-Entwicklung analysiert.<br />

Rotorcraft rely on a complex mechanical drive train to power the rotor systems. Health and Usage Monitoring Systems (HUMS) are increasingly being installed to detect potential failures in the drive system during operation. Monitoring produces the opportunity to coordinate maintenance interventions with the system health.<br />Condition-Based Maintenance (CBM) has the potential to reduce operating costs and increase availability.<br />The challenge of CBM lies in integrating the fields of condition monitoring and aircraft maintenance. The resulting maintenance program and its enabling technologies, such as HUMS and methods for damage diagnosis and prognosis, must meet many technical, operational, and economical requirements representing the interests of airworthiness authorities, helicopter operators, and CBM developers. To date, CBM has not been successfully implemented.<br />It is unlikely that all potential failure modes in the helicopter drive train can be reliably monitored, due to technical and economical limitations. Therefore, a hybrid maintenance approach is proposed, which combines condition monitoring of selected parts with scheduled inspections of remaining parts. By individually monitoring the 'weak links' within a system, scheduled inspection and overhaul intervals can potentially be increased or even omitted. As a result, the total number and extent of maintenance interventions over the system lifetime can be reduced. The core issues in implementing such an approach are analyzed in the thesis.<br />A procedure to assess a component's operational maintenance need and probability of failure is introduced, which is used to identify the components that would benefit most from condition monitoring. It involves analyzing inspection findings with regard to four characteristic degradation stages. The results are also used to determine appropriate maintenance time limits for parts and systems. The applicability of the procedure is demonstrated on gearbox component inspection data.<br />To justify replacing a manual inspection with on-line condition monitoring, the fault detection performance of the monitoring system must be demonstrated. For this purpose, techniques to evaluate the probability of detection (PoD) of a fault and the probability of false alarm (PoFA) are adapted to condition monitoring from the fields of Non-Destructive Inspection (NDI) and signal detection. In particular, Receiver Operating Characteristic (ROC) analysis is suggested to determine the PoD for a discrete fault condition, while signal response analysis is proposed to evaluate the PoD as a function of fault severity. The techniques are successfully applied to vibration monitoring data from seeded-fault testing (SFT) of tail rotor drive shaft bearings.<br />A framework for allocating condition-based and time-based maintenance tasks and integrating these tasks in an operational context is then introduced. The concept, termed Health-Gate-CBM, includes periodical CBM System Assessments to assess the current condition of a monitored system and to predict its future condition. If no items are expected to require maintenance before the next scheduled CBM System Assessment, the system is cleared to operate for an additional operating phase. Maintenance time limits can thereby be incrementally extended. The CBM System Assessments use both HUMS data and information from supplemental Minimally Invasive Field-Level Health Assessments (MIF-HA) to provide high-confidence fault diagnosis and Remaining Useful Life (RUL) predictions. Finally, data collection strategies to support CBM development are analyzed.