机械故障诊断综合大作业—航空发动机的状态监测和故障诊断

机械系统故障诊断综合大作业航空发动机的状态监测和故障诊断1.研究背景与意义航空发动机不但结构复杂，且工作在高温、大压力的苛刻条件下。

从发动机发展现状看，无论设计、材料和工艺水平，抑或使用、维护和管理水平，都不可能完全保证其使用中的可靠性。

而发动机故障在飞机飞行故障中往往是致命的，并且占有相当大的比例，因此常常因发动机的故障导致飞行中的灾难性事故。

随着航空科学技术的发展并总结航空发动机设计、研制和使用中的经验教训，航空发动机的可靠性和结构完整性已愈来愈受到关注。

自70年代初期即逐步明确航空发动机的发展应全面满足适用性、可靠性和经济性的要求，也就是在保证达到发动机性能要求的同时，必须满足发动机的可靠性和经济性（维修性和耐久性）的要求。

可靠性工作应贯穿在发动机设计-生产-使用-维护全过程的始终。

对新研制的发动机，应在设计阶段就同时进行可靠性设计、试验和预估；对在役的发动机，应经常进行可靠性评估、监视和维护。

军机和民用飞机的主管部门，设计、生产、使用和维护等各部门，应形成有机的、闭环式的可靠性管理体制，共同促进航空发动机可靠性的完善和提高。

2.国内外进展自70年代前期，国外一些先进的民用和军用航空公司即着手研究和装备发动机的状态监视和故障诊断系统。

电子技术与计算机技术的迅速发展，大大促进了航空发动机的状态监视与故障诊断技术的发展。

至今，监视与诊断技术作为一项综合技术，已发展成为一门独立的学科，其应用已日趋广泛和完善。

按民航适航条例规定航空发动机必须有15个以上的监视参数。

现今美国普•惠公司由有限监视到扩展监视，逐步完善了其TEAMIII等系统，美国通用电气公司也不断在发展其ADEPT系统。

从各国空军飞机发动机的资料来看，大都采用了发动机状态监视与故障诊断系统。

包括发动机监视系统EMS，发动机使用情况监视系统EUMS和低循环疲劳计数器LCFC等，同时为了帮助查找故障，近年来还发展了发动机故障诊断的专家系统，如XMAN和JET—X。

美国自动车工程协会（SAE）E-32航空燃气涡轮监视委员会研究并颁布了一系列指南，包括航空燃气涡轮发动机监视系统指南、有限监视系统指南、滑油系统监视指南、振动监视系统指南、使用寿命监视及零件管理指南等。

我国相关民用航空公司和院校开展的发动机状态监测与故障诊断的研究工作已初见成效。

并且对于新研制的高性能发动机已将实施状态监视列为重要的技、战术指标，因此正较全面的开展这方面的研究工作。

但是总的看来，国内该项工作开展得还不够，亟待有计划、有步骤地借鉴国外的成功经验，发展并推广我们自己的状态监视与故障诊断技术，以适应飞机和发展的需要。

3.方案设计方案一（离线）：机载数据采集系统将传感器测量的信号按规定顺序和时间采集并传送给记在记录装置。

飞机降落到地面后将记录装置中的数据导入地面数据处理中心计算机，地面诊断中心再对数据进行处理、判断，确定航空发动机的状态。

方案二（在线）：机载数据采集系统将采集的信号通过无线电将数据传输至地面，地面诊断中心对数据进行实时监控和处理，然后将处理结果实时储存并传回飞机控制室以供飞行员作为依据进行相应操作。

方案三（离线+在线）：数据采集系统将传感器感受到的信号按规定顺序和时间采集并传送给机载记录装置，其中一部分参数可在飞机机载计算机上进行简单处理后将结果传送至地面诊断中心，其余详细数据则在飞机降落后导入地面数据处理中心计算机。

在出现异常时，一方面向飞行员报警，另一方面将与异常情况相关的数据传输至地面诊断中心进行进一步处理、判断并输出发动机技术报告。

离线模式的设备简单易维护、运行成本低，但是却不能对于发动机运行过程中的突发情况进行快速反应。

在线模式能够对于发动机运行过程中的突发情况快速反应，但是传输和处理的数据量巨大，对于设备的要求较高，运行维护过程复杂，成本高。

离线+在线模式综合了离线模式和在线模式的优点，在保证能实时监控发动机状态的性能要求下，大大减少了传输和处理的数据量，使可行性和经济性大大提高。

方案三（离线+在线）的系统框图如下：4.关键技术及技术路线目前采用的发动机状态监视与故障诊断的手段有三类：第一类属性能状态监视或称为气路参数分析(GPA)技术，包括对气流通道的压力、温度，燃油流量和转速监测；对发动机性能参数如推力或功率等参数的监测。

第二类属机械状态监视。

常用的手段有：振动监视；滑油监视(包括滑油压力、滑油温度，滑油消耗量、滑油屑末收集、滑油光谱分析，滑油铁谱分析等)；低循环疲劳和热疲劳监视(低循环疲劳计数、涡轮叶片温度场监测)。

此外，还有叶片动应力监测、声谱监测等。

第三类属无损探测类，一般只作地面检测用。

常用的手段有：孔探仪检测；涡流检测；同位素照相检查；超声波检查；磁力探伤；声发射探测；X射线照相检查；荧光检查；着色检查，液体渗透检查等。

其中，孔探仪检测在发动机地面检查时用得最多。

作为发动机状态监视与故障诊断系统，机载与地面结合、硬件与软件配套使用的常用手段主要是气路分析技术、振动监视技术和滑油监视技术。

4.1气路分析技术发动机气路上的气动热力参数可以用能量守恒、流量连续、动量守恒等关系严格地以数学表达式联系起来，也就是可以建立待诊断的发动机的数学模型(认为是线性模型)，确定测量参数随单元体几何参数，工作状态以及性能参数的变化关系。

通过安装在发动机内部的相应的传感器测量气路参数，利用数学模型即可求解单元体性能参数变化，再通过与无故障单元体的性能对比，即可诊断单元体的损伤或故障。

与此同时，在飞机停在地面试车时，可利用红外成像仪对发动机的热端温度场进行探测以了解发动机的工作状态。

对于发动机的尾气进行光谱探测以进行成分检测，定性定量分析气体及烟尘成分，了解发动机工作效率及燃烧情况。

4.2振动监测技术从发动机部件的角度来看，轮盘、叶片、轴、轴承等转子部件的故障都与振动有关，并且占总故障比例较大的姐都强度故障多数的早期故障信息在其振动信息中都有所反映。

造成转子不平衡的原因主要有转子不平衡、轴承故障、裂纹、碰摩。

振动测量中，测点的振动必须最有代表性，能够稳定的反映激振力和正确的反映出发动机的振动能量。

因此将振动传感器的安装位置选在发动机的安装节、转子的支撑面和承力机匣的对接面。

对发动机稳态振动信号进行频谱分析，监测各分量的振动值，并对信号进行小波分析等相关分析以提出信号中的特征值。

4.3滑油监视技术滑油系统监视与分析是预报与监控航空发动机健康状态的有效手段，是保证飞行安全的重要措施之一，是开展视情维修的重要保证。

由于该技术的应用具有较大的安全和经济意义，已受到航空业的高度重视。

滑油系统监视与故障诊断的作用在于：一方面能监视滑油系统本身（滑油压力、滑油温度、滑油量、油滤），保证其工作正常、可靠；另一方面通过对滑油系统的监测实现对发动机工作进行监测与故障诊断。

根据研究表明，磨损件其运行期内一般均经过磨合、正常磨损和最终失效三个基本磨损阶段，三个阶段中磨粒的大小和数量均有其相应的特点，因此用专门的铁谱仪对滑油进行铁谱分析（具有较宽的微粒尺寸检测范围和较高的检测频率，能同时进行磨损为例的定性分析和定量监测），以确定磨损件的磨损状况。

4.4数据预处理方法航空发动机常年在高温、高压、高噪声环境下工作，其相关参数的测量较为困难，常见的问题主要有数据测量误差大、传感器易发生故障等。

采集到的航空发动机相关性能参数的数据若不加以预处理，则很难准确反映航空发动机的实际健康状态。

数据预处理主要包括数据的平滑和野点的剔除与修正以及缺失数据的补充。

较为常用的数据平滑方法有移动平均平滑法和指数平滑法。

从加权的角度看，移动平均法是对移动窗体内的各期数据赋予相同的权值，而指数平滑法是对所有各期数据赋予逐渐收敛为0 的权数。

由于振动、电磁干扰、传感器输出异常等原因，数据中常会出现野点（异常值），必须进行野点的剔除与补正。

野点剔除方法主要有以下三类：统计学方法、基于距离的方法和基于偏离的方法。

判断并剔除野点之后，还应对其进行补正，处理方法主要是采用数据平滑技术，按数据分布特征修匀源数据。

具体方法包括分箱、聚类和回归。

由于数据录入、转换及数据库链接等过程中的失误，可能导致数据的缺失。

对缺失数据的处理方法通常有两类：插补和加权调整。

综合考虑，本系统采用“指数平滑法”对数据进行平滑处理，然后依据拉依达准则对粗大误差进行判别和剔除，以消除随机误差，提高数据质量，为后续的研究提供保障。

4.5智能化故障诊断数据库建立航空发动机的结构复杂，出现的故障种类十分繁杂，因此准确判断是否发生故障以及确定故障类型和故障位置十分困难。

为了能够快速地对发动机的状态异常进行快速的反应，建立发动机的智能化故障诊断数据库就变得十分迫切且重要。

数据库的主要数据由发动机厂家的试验数据、发动机各种故障的试验或者模拟数据以及发动机的结构履历数据和故障维修历史数据。

智能化故障诊断的主要思想就是通过异常数据与正常工作时的数据进行对比，确定发动机运行状态趋势以及是否发生故障。

如果确定状态出现异常，则调用故障试验模拟数据，并与发动机的实时状态数据进行拟合，快速确定故障类型及严重程度。

与此同时，可调用发动机故障维修记录数据对判断结论进行进一步的检验。

如果经历此过程仍无法诊断，则自动启动人工诊断或者专家诊断系统。

4.6系统网络化建立鉴于航空发动机的工作环境，拟采用通讯卫星传输飞机和地面诊断中心间的数据，同时通过互联网建立诊断中心与机场的数据传输平台，以实现高效率的诊断和维修。

5.可行性分析上述部分的相关技术均是经过检验的成熟或者较为成熟的现有技术，只是有些许尚未运用到航空发动机上，因此本系统的技术可行性较高，将来能够成功运用到航空发动机的监测和故障诊断中。

因为按照本系统地预期，能够提高安全可靠性，避免重大飞行事故，降低空中停车率，减少空勤人员，减少维修工时，减少延误和停飞等等，可节省大量程成本，而相关硬件以及软件皆是市场上较为成熟的，因此，本系统地经济性较高。

6.设计总结通过查阅文献，了解到航空发动机现已经发展成集数学、物理、力学、化学、电子技术、计算机技术、信息处理和人工智能等于一体的新兴交叉学科。

随着计算机技、信号分析技术和数据处理技术、测试技术、控制理论、振动和噪声理论及其他相关学科的发展，本系统充分利用这一系列先进技术，采用了既经济可靠又具有在线实时监控快速反应的在线与离线有机结合的方式。

与此同时，本系统为了能提高诊断精度和实时性，减少误诊率，选择性的将目前有效的诊断方法如气路诊断、振动监测、滑油监测综合在一起，给出综合的判断。

由于测量参数的增加，数据量也随着增大，因此依靠工程师的经验来诊断故障的方式已不能满足故障诊断的要求，因此本系统提出了建立发动机正常状态和异常状态以及维修记录等数据组成的数据库，并与专家系统相结合，以实现快速准确的对航空发动机进行故障监测和诊断。