航空发动机状态监控与故障诊断

本书从航空发动机外场机务与维修工程的实际需要出发, 介绍了航空发动机状态监控与故障诊断工作中实际应用的各种诊断方法, 对大部分方法都引用了故障诊断的实例。其中, 第1介绍了故障诊断和健康管理的基本概念, 第2章介绍了航空发动机常见的故障模式, 第3章介绍了航空发动机的趋势图分析方法和指印图分析方法, 第4章介绍了高速旋转机械普遍应用的振动诊断方法, 第5章介绍了对于机械设备状态监控与故障诊断非常有效的滑油油样分析方法, 第6章介绍了发动机转子系统的故障诊断方法, 第7章介绍了故障树分析法, 第8章介绍了现代诊断技术的模糊诊断方法。

第 1 章 绪论 .............................................................................................................................1 1.1 发动机状态监控系统的能力和效益 ......................................................................... 1 1.1.1 发动机状态监控系统的能力 ......................................................................... 1 1.1.2 发动机状态监控系统的效益 ......................................................................... 3 1.2 发动机状态监控与故障诊断的基础理论 ................................................................. 4 1.2.1 发动机故障诊断学的研究对象及主要任务 ................................................. 4 1.2.2 发动机状态监控与故障诊断系统的组成 ..................................................... 4 1.2.3 发动机故障诊断学体系 ................................................................................. 6 1.3 发动机健康管理系统简介 ......................................................................................... 7 1.3.1 发动机健康管理的基本概念 ......................................................................... 7 1.3.2 发动机健康管理系统的主要研究内容 ......................................................... 8 思考题 ................................................................................................................................. 9 第 2 章 航空发动机的常见故障模式及机理 ....................................................................... 10 2.1 故障分类 ................................................................................................................... 10 2.1.1 常见的故障类型 ........................................................................................... 10 2.1.2 故障模式 ....................................................................................................... 11 2.1.3 故障严酷度 ................................................................................................... 13 2.2 性能故障模式 ........................................................................................................... 13 2.2.1 给定时间内发动机启动未成功 ................................................................... 13 2.2.2 给定飞行条件下推力不稳定 ....................................................................... 13 2.3 结构强度故障模式 ................................................................................................... 14 2.3.1 风扇、压气机叶片出现裂纹或断裂 ........................................................... 14 2.3.2 压气机钛火故障 ........................................................................................... 14 2.3.3 燃烧室组件故障 ........................................................................................... 14 2.3.4 涡轮叶片出现裂纹或断裂 ........................................................................... 15 2.3.5 涡轮叶片烧蚀 ............................................................................................... 15 2.3.6 涡轮盘裂纹故障 ........................................................................................... 15 2.3.7 整机振动超过规定值 ................................................................................... 15 2.3.8 轴承故障 ....................................................................................................... 15 2.4 航空发动机部件故障分析 ....................................................................................... 15 航空发动机状态监控与故障诊断 VI 2.4.1 压气机部件故障分析 ................................................................................... 15 2.4.2 主燃烧室部件故障分析 ............................................................................... 21 2.4.3 涡轮部件故障分析 ....................................................................................... 22 2.4.4 加力燃烧室部件故障分析 ........................................................................... 25 2.4.5 轴承故障分析 ............................................................................................... 26 2.4.6 转轴故障分析 ............................................................................................... 28 2.4.7 机匣故障分析 ............................................................................................... 31 思考题 ............................................................................................................................... 31 第 3 章 航空发动机状态参数监控与故障诊断方法 ........................................................... 32 3.1 发动机的状态及状态参数的采集 ........................................................................... 32 3.1.1 发动机的状态 ............................................................................................... 32 3.1.2 发动机状态参数的采集 ............................................................................... 34 3.2 发动机的状态特征参数 ........................................................................................... 35 3.2.1 选择状态特征参数的原则 ........................................................................... 36 3.2.2 发动机的状态监控 ....................................................................................... 37 3.3 趋势图分析方法 ....................................................................................................... 40 3.3.1 性能参数的采集与预处理 ........................................................................... 40 3.3.2 基线模型的建立 ........................................................................................... 43 3.3.3 偏差值的平滑处理 ....................................................................................... 44 3.3.4 趋势图分析 ................................................................................................... 45 3.4 指印图分析方法 ....................................................................................................... 46 3.4.1 指印图 ........................................................................................................... 47 3.4.2 指印图分析方法 ........................................................................................... 47 3.4.3 故障诊断实例 ............................................................................................... 49 思考题 ............................................................................................................................... 55 第 4 章 航空发动机振动监控与故障诊断 ........................................................................... 56 4.1 发动机振动监控系统概述 ....................................................................................... 56 4.1.1 振动监控系统的组成 ................................................................................... 57 4.1.2 振动监控系统的监控和诊断功能 ............................................................... 58 4.1.3 振动监控限制值的确定 ............................................................................... 58 4.2 振动信号的分析方法 ............................................................................................... 59 4.2.1 振动信号的概念与分类 ............................................................................... 59 4.2.2 振动信号的时域分析方法 ........................................................................... 64 4.2.3 振动信号的频谱分析方法 ........................................................................... 71 4.2.4 振动系统动态特性分析 ............................................................................... 77 4.3 发动机常见振动故障 ............................................................................................... 80 4.3.1 转子激振源 ................................................................................................... 81 目 录 VII 4.3.2 气动激振力 ................................................................................................... 84 4.3.3 发动机振动的特点 ....................................................................................... 85 4.4 发动机振动故障诊断实例 ....................................................................................... 85 思考题 ............................................................................................................................... 87 第 5 章 发动机滑油系统状态监控与故障诊断 ................................................................... 88 5.1 概述 ........................................................................................................................... 88 5.1.1 滑油油样分析的目的和意义 ....................................................................... 88 5.1.2 受润滑零件磨损的规律 ............................................................................... 89 5.2 滑油理化分析 ........................................................................................................... 91 5.3 滑油铁谱分析 ........................................................................................................... 93 5.3.1 分析式铁谱仪 ............................................................................................... 93 5.3.2 取样方法及油样处理 ................................................................................... 94 5.3.3 铁谱片分析 ................................................................................................... 95 5.4 滑油光谱分析 ......................................................................................................... 100 5.4.1 原子发射光谱分析法 ................................................................................. 100 5.4.2 滑油光谱专家系统 ..................................................................................... 102 5.4.3 滑油光谱分析元素限制值的确定 ............................................................. 103 5.5 滑油屑末分析 ......................................................................................................... 103 5.5.1 油滤、磁塞和金属屑探测器 ..................................................................... 103 5.5.2 各种方法的综合使用 ................................................................................. 105 5.6 滑油油样分析应用实例 ......................................................................................... 105 5.6.1 磁性屑末检测在斯贝 MK202 发动机上的应用实例 ............................... 106 5.6.2 滑油光谱分析在斯贝 MK202 发动机上的应用实例 ............................... 107 5.6.3 铁谱分析技术的应用 ................................................................................. 109 5.6.4 三种技术的比较 ......................................................................................... 109 思考题 .............................................................................................................................109 第 6 章 发动机转子系统状态监控与故障诊断 ................................................................. 111 6.1 概述 ......................................................................................................................... 111 6.1.1 转子系统状态监控与故障诊断的目的和意义 ......................................... 112 6.1.2 转子系统状态监控的特点 ......................................................................... 112 6.2 轴承监控技术与故障分析 ..................................................................................... 112 6.2.1 滚动轴承的故障形式 ................................................................................. 113 6.2.2 滚动轴承的振动类型及特征 ..................................................................... 114 6.2.3 滚动轴承的状态监控方法 ......................................................................... 115 思考题 .............................................................................................................................119 航空发动机状态监控与故障诊断 VIII 第 7 章 故障树分析法在航空发动机故障诊断中的应用 ................................................. 120 7.1 故障树分析法概述 ................................................................................................. 120 7.1.1 故障树分析法的特点 ................................................................................. 120 7.1.2 故障树分析法的基本概念 ......................................................................... 121 7.1.3 故障树分析法的目的和步骤 ..................................................................... 123 7.2 故障树的建立 ......................................................................................................... 124 7.2.1 建立故障树的方法 ..................................................................................... 124 7.2.2 故障树的化简 ............................................................................................. 125 7.2.3 故障树的结构函数 ..................................................................................... 129 7.2.4 相干性的概念 ............................................................................................. 130 7.3 故障树的定性分析与定量分析 ............................................................................. 131 7.3.1 故障树的定性分析 ..................................................................................... 131 7.3.2 故障树的定量分析 ..................................................................................... 134 7.4 故障树分析法应用举例 ......................................................................................... 138 思考题 .............................................................................................................................142 第 8 章 模糊诊断方法原理及应用 ..................................................................................... 143 8.1 模糊信息及其处理 ................................................................................................. 143 8.1.1 模糊现象及其描述 ..................................................................................... 143 8.1.2 模糊集合的基本概念 ................................................................................. 144 8.1.3 模糊子集的运算 ......................................................................................... 145 8.2 隶属函数的确定 ..................................................................................................... 146 8.2.1 概率统计与模糊统计 ................................................................................. 146 8.2.2 隶属函数的模糊统计求法 ......................................................................... 147 8.3 模糊诊断方法 ......................................................................................................... 148 8.3.1 模糊模式识别方法 ..................................................................................... 148 8.3.2 故障诊断模糊模式识别的直接方法 ......................................................... 149 8.3.3 故障诊断模糊模式识别的间接方法 ......................................................... 149 8.4 模糊诊断实例 ......................................................................................................... 151 8.4.1 征兆群空间 ................................................................................................. 151 8.4.2 故障成因 ..................................................................................................... 151 8.4.3 求隶属函数 ................................................................................................. 151 8.4.4 故障诊断 ..................................................................................................... 152 8.4.5 诊断实例 ..................................................................................................... 152 思考题 .............................................................................................................................153 参考文献 ................................................................................................................................. 154