航空发动机故障诊断

本书根据航空发动机故障诊断工作过程中的特点，划分成“航空发动机状态监测技术“航空发动机故障分析技术“和“航空发动机健康管理技术”三篇。首先，讨论发动机试车和机载的测量／测试系统、监测的特征参数以及故障检测红线的相关标准。然后，揭示发动机整机主要部件的典型故障机制。从典型的单一故障入手，再到气构液热的多场耦合故障。最后，介绍融合诊断状态评估和智能诊断的新方法，介绍学科交新技术在发动机故障诊断中的应用。本书融入了作者在航空发动机故障诊断领域多年的科研成果和经验，揭示了航空发动机特殊故障的产生机制，分析了多场耦合故障的影响规律，适合航空发动机设计、试验、质量和地勤保障工程师阅读。同时，本书结构完整，内容全面，也适合作为飞行器动力工程专业本科生和研究生的教科书。

丛书序
前言绪论
第一篇航空发动机状态监测技术
第1章航空发动机状态监测物理量
1.1发动机监测参数类型015
1.2整机振动参数018
1.2.1时域参数监测020
1.2.2频域参数监测022
1.3气动性能参数025
1.3.1主要性能指标026
1.3.2小偏差监测方法028
1.4滑油品质参数029
1.4.1滑油消耗量030
1.4.2理化参数031
1.4.3磨粒参数032
小结033
参考文献034
第2章故障诊断对象的特点
2.1发动机的主要类型与指标035
2.1.1发动机类型和截面划分035
2.1.2发动机的热力循环041
2.1.3发动机推力产生原理043
2.1.4发动机的技术指标046
2.1.5发动机故障的定义及内涵051
2.2结构特点及故障风险052
2.2.1发动机结构与单元体052
2.2.2支承和传力的特点058
2.3工作特点及故障风险069
2.3.1状态的划分069
2.3.2振动随转速的变化规律070
2.3.3效率随飞行速度的规律071
2.3.4推力随高度的变化规律072
2.4监测特点与诊断要求073
2.4.1计算机辅助测试的监测系统073
2.4.2发动机数据采集系统074
2.4.3优选分析频率需求分析081
小结086
参考文献087
第3章航空发动机振动监测
3.1整机振动的振源088
3.1.1整机振动超标的原因088
3.1.2激振源的类型089
3.1.3激振响应的监测方法090
3.1.4振动监测特征量090
3.1.5振动值091
3.2振动信号的积分和微分变换092
3.3整机测振中的传感器轴向位置优化095
3.3.1轴侧布置传感器位置选择思路095
3.3.2测振截面选择方法096
3.3.3机匣测振传感器位置选择100
3.3.4机载测点选择102
3.3.5某型发动机测点布置方案104
3.3.6工程应用中的要点106
3.4整机测振中的传感器周向位置修正106
3.4.1测振传感器周向位置106
3.4.2测振传感器周向位置修正算法107
3.4.3工程应用中的要点110
3.5振动值确定方法110
3.5.1一次试车数据的总体分布110
3.5.2不同台份试车数据的总体分布111
3.5.3特征参数振动值的确定113
3.5.4工程应用中的要点115
小结116
参考文献116
第4章振动特征的提取和优化选择
4.1发动机稳定状态的特征参数提取118
4.1.1时域特征参数118
4.1.2频谱特征参数119
4.1.3能量特征参数120
4.1.4形状特征参数122
4.2发动机非稳定状态的特征参数提取128
4.2.1短时傅里叶变换与Gabor变换129
4.2.2维格纳分布130
4.2.3小波变换131
4.2.4经验模态分解133
4.2.5希尔伯特黄变换135
4.3特征参数的优化选择138
4.3.1特征参数优化选择方案139
4.3.2过滤算法研究140
4.3.3嵌入算法研究144
4.3.4多目标寻优及实例验证148
4.3.5对于算法的几点讨论151
小结152
参考文献153
第5章整机振动源识别
5.1发动机振动信号盲源分离思路155
5.1.1盲源分离数学模型156
5.1.2盲源分离基本公式157
5.1.3分离效果评价方法158
5.2半盲源分离算法理论与应用159
5.2.1半盲源分离的优势159
5.2.2引入参考信号的多单元ICAR算法162
5.2.3适用于发动机振动信号的ICAR算法164
5.2.4发动机实测振动信号半盲源分离173
5.3工程应用中的要点181
小结181
参考文献181
第二篇航空发动机故障分析技术
第6章发动机典型故障机制
6.1转子类故障——质量不平衡186
6.1.1故障成因及特点186
6.1.2风扇叶片结垢/结冰故障模式188
6.1.3高压转子残余不平衡超标故障模式192
6.1.4不同因素对不平衡响应的影响规律199
6.2静子类故障——支点不对中199
6.2.1故障成因及特点199
6.2.2不对中故障模式202
6.2.3不对中故障特征206
6.2.4不同因素对故障响应的影响规律210
6.3整机类故障——转静碰摩214
6.3.1故障成因及特点214
6.3.2转子机匣碰摩故障模式214
6.3.3转子机匣碰摩故障特征仿真222
6.3.4不同参数对转子机匣碰摩响应的影响规律227
6.4关键部件故障——轴承损伤235
6.4.1故障成因及轴承故障类型235
6.4.2轴承的故障特征238
6.4.3滚动轴承振动信号的调制特性241
6.4.4调制信号的解调方法244
6.5附件系统故障——传动齿轮异常250
6.5.1附件结构及齿轮故障分类250
6.5.2附件传动系统的故障特征253
6.5.3附件传动系统振动信号及其调制特性254
6.5.4传动系统故障的特征提取方法256
6.6典型部件故障——减速器故障262
6.6.1减速器类型及故障成因262
6.6.2减速器的故障特征266
6.6.3减速器故障信号的降噪处理269
6.6.4工程中应用的要点272
6.7发动机故障基因272
6.7.1故障基因的定义273
6.7.2故障基因库的建立273
6.7.3应用举例279
小结281
参考文献281
第7章气流结构耦合故障分析
7.1发动机的气构耦合异常振动284
7.1.1试车异常振动现象284
7.1.2气构耦合的失稳机制285
7.2发动机转子的气构耦合模型286
7.2.1气动激振力的表达式286
7.2.2气动激振力产生的交叉刚度288
7.3转子运动稳定性分析290
7.3.1稳定性判据290
7.3.2判据的非线性应用294
7.4工程应用中的要点297
小结297
参考文献297
第8章油液结构耦合故障分析
8.1盘腔积液的液构耦合模型302
8.1.1带积液转子的动力学方程302
8.1.2转子协调正进动的积液流动分析304
8.1.3转子非协调正进动的积液流动分析305
8.2带积液转子的稳定性分析308
8.2.1液构耦合的失稳机制308
8.2.2转子失稳振动分析309
8.2.3失稳转速区间确定312
8.2.4影响失稳门槛转速的因素314
8.3带积液转子的稳定边界316
8.3.1失稳现象实验复现316
8.3.2失稳实验特征分析320
8.3.3积液参数对失稳振动的影响规律322
8.3.4带积液转子失稳振动预警324
8.4工程应用中的要点325
小结326
参考文献326
第9章结构结构耦合故障分析
9.1构构耦合故障出现的部件328
9.2构构耦合的失稳机制330
9.2.1内阻尼失稳机制330
9.2.2不同结构内阻尼引起失稳331
9.2.3失稳原因的统一表达335
9.3构构耦合的建模与仿真338
9.3.1耦合故障的转子运动方程338
9.3.2耦合故障振动特征的数值仿真342
9.3.3耦合故障的影响参数分析342
9.4工程应用中的要点344
小结344
参考文献345
第10章高、低压转子的耦合故障
10.1概述346
10.2带中介轴承的双转子系统的受力分析347
10.3中介轴承滚道承受的动载荷348
10.4减载设计的原则350
10.5减载设计算法353
10.6工程应用中的要点355
小结355
参考文献356
第三篇航空发动机健康管理技术
第11章融合诊断
11.1发动机故障的融合诊断359
11.1.1多层多域融合诊断的思路359
11.1.2融合诊断域361
11.2特征层融合362
11.2.1气路故障模式及其特征363
11.2.2振动故障模式及其特征363
11.2.3部件级的典型故障原因及融合特征364
11.3模式层融合367
11.3.1基于小偏差法的气路故障判据367
11.3.2典型振动故障模式的判据371
11.3.3典型融合故障系数矩阵373
11.3.4故障的权重系数矩阵374
11.3.5发动机故障融合模型376
11.4决策层融合378
11.4.1融合识别思路378
11.4.2融合数据处理378
11.4.3相似程度决策380
11.4.4距离指标决策380
11.5工程应用中的要点381
小结381
参考文献382
第12章发动机整机振动预测
12.1整机振动趋势预测的框架383
12.2趋势模型建立与识别385
12.2.1平稳波动模型385
12.2.2周期摆动模型385
12.2.3线性发展模型387
12.2.4阶跃突起模型388
12.3基于趋势模型的故障预测389
12.3.1线性发展预测模型389
12.3.2双源拍振预测模型390
12.3.3振幅突变预测模型391
12.4预测案例分析392
12.4.1历史数据情况393
12.4.2垂直测点预测结果394
12.4.3水平测点预测结果395
12.4.4误差分析396
12.5工程应用中的要点397
小结397
参考文献397
第13章发动机健康状态评价
13.1发动机健康状态识别的框架399
13.1.1健康状态识别399
13.1.2评价指标403
13.2基于数理统计的识别方法404
13.2.1贝叶斯诊断理论404
13.2.2健康状态的贝叶斯分类问题表述405
13.2.3贝叶斯网络和朴素贝叶斯407
13.2.4朴素贝叶斯分类器的错误率410
13.2.5发动机健康状态模式识别的结果解释411
13.3发动机健康等级综合评价412
13.3.1发动机健康状态等级的划分412
13.3.2影响发动机健康等级的主要因素414
13.3.3发动机健康等级的综合评价原理414
13.3.4发动机健康等级的确定419
13.3.5发动机健康等级评估实例420
13.4工程应用中的要点421
小结421
参考文献422