试谈飞机故障诊断技术

1 故障是指产品丧失了规定的功能，或产品的一个或几个性能指标超过了规定的范围。它是产品的一种不合格状态。2 故障按其对功能的影响分为两类：功能故障和潜在故障。功能故障是指被考察的对象不能达到规定的性能指标；潜在故障又称作故障先兆，它是一种预示功能故障即将发生的可以鉴别的实际状态或事件。3 故障按其后果分四类：安全性后果故障：采取预防维修的方式；使用性后果故障：对使用能力有直接的不利影响，通常是在预防维修的费用低于故障的间接经济损失和直接修理费用之和时，才采用预防维修方式；非使用性后果故障：对安全性及使用性均没有直接的不利影响，只是使系统处于能工作但并非良好的状态，只有当预防维修费用低于故障后的直接维修费用时才进行预防维修，否则一般采用事后维修方式；隐患性后果故障：通常须做预定维修工作。4 故障按其产生原因及故障特征分类可分为早期故障、偶然故障和损耗故障。偶然故障也称随机故障，它是产品由于偶然因素引起的故障。对于偶然故障，通常预定维修是无效的。耗损故障是由于产品的老化、磨损、腐蚀、疲劳等原因引起的故障。这种故障出现在产品可用寿命期的后期，故障率随时间增长，采用定期检查和预先更换的方式是有效的。5 故障模式或故障类型是故障发生时的具体表现形式。故障模式是由测试来判断的，测试结果显示的是故障特性。6 故障机理是故障的内因，故障特征是故障的现象，而环境应力条件是故障的外因。7 应力-强度模型：当施加在元件、材料上的应力超过其耐受能力时，故障便发生。这是一种材料力学模型。8 高可靠度状态（图1.2-2（a）：应力和强度分布的标准差很小，且强度均值比应力均值高得多，安全余量Sm很大，所以可靠度很高。图1.2-2（b）所示为强度分布的标准差较大，应力分布标准差较小的情况，采用高应力筛选法，让质量差的产品出现故障，以使母体强度分布截去低强度范围的一段，使强度与应力密度曲线下重叠区域大大减小，余下的装机件可靠度提高。图1.2-2（c）所示为强度分布标准差较小，但应力分布标准差较大的情况，解决的办法最好是减小应力分布的标准差，限制使用条件和环境影响或修改设计。 图1.2-2 应力、强度分布对可靠性的影响9反应论模型：如果产品的故障是由于产品内部某种物理、化学反应的持续进行，直到它的某些参数变化超过了一定的临界值，产品丧失规定功能或性能，这种故障就可以用反应论模型来描述。串连式反应过程：总反应速度主要取决于反应最慢的那个过程的速度。并联式反应过程：总反应速度主要取决于反应最快的过程的速度。10最弱环模型（串连模型）：认为产品或机件的故障（或破坏）是从缺陷最大因而也是最薄弱的部位产生11故障树分析法简称FTA法（Fault Tree Analysis）故障树分析法是一种将系统故障形成的原因由总体至部分按树状逐级细化的分析方法。故障树分析法将最不希望发生的故障事件作为顶事件，利用事件和逻辑门符号逐级分析故障形成原因。优点：直观、形象，灵活性强，通用性好；缺点：理论性强，逻辑严谨，建树要求有经验，建树工作量大，易错漏。12顶事件和中间事件（矩形）底事件（圆形）开关事件（房形）省略事件（菱形）13逻辑与门 逻辑或门 逻辑非门 异或门 表决门K/N门表决门：仅当n个输入事件中有k个或k个以上发生时，输出事件才发生。14建树步骤顶事件选取原则：1)必须有确切的定义，不能含混不清、模棱两可。2)必须是能分解的，以便分析顶事件和底事件之间的关系。3）能被监测或控制，以便对其进行测量、定量分析，并采取措施防止其发生。4）最好有代表性。15（1）系统级边界条件 顶事件及附加条件( 系统初始状态，不允许出现事件，不加考虑事件 ) （2）部件级边界条件 元部件状态及概率，底事件是重要部件级边界 利用边界条件简化： 与门下有必不发生事件，其上至或门,则或门下该分支可删除； 与门下有必然发生事件,则该事件可删除; 或门下有必然发生事件，其上至与门,则与门下该分支可删除 或门下有必不发生事件，则该事件可删除16n个不同的独立底事件组成的故障树，有个可能状态，故可有个状态向量。17与门结构故障树的结构函数 18或门结构故障树的结构函数19k/n门结构故障树的结构函数20底事件的相干性若对第i个底事件而言，至少存在一对状态向量Y1i=(y1,y2,yi-1,1,yi+1,yn)记作(1i,Y)和Y0i=(y1,y2,yi-1,0,yi+1,yn)记作(0i,Y)，满足 (1i,Y) (0i,Y)，而对其它一切状态向量而言，恒有 (1i,X) (0i, X)成立，则称第i个底事件与顶事件相干。如果找不到状态向量满足 (1i,X) (0i, X)，则称第i个底事件与顶事件不相干。相干结构函数：(X)满足： 故障树中底事件与顶事件均相干； (X)对各底事件的状态变量xi(i=1,2,n)均为非减函数 21相干结构函数的性质 （1）若状态向量X=(0,0,0)，则(X)=0； （2）若状态向量X=(1,1,1)，则(X)=1； （3）若状态向量XY(即xi yi,i=1,2,n)，则结构函数(X) (Y)；（4）若(X) 是由n个独立底事件组成的任意结构故障的相干结构函数，则有即任意结构故障树，其结构函数的上限为或门结构故障树结构函数，而下限是与门结构故障树结构函数。22若状态向量X能使结构函数=1，则称此状态向量为割向量。在割向量X中，取值为1的各分量对应的状态变量（或底事件）的集合，称作割集。割集是导致顶事件发生的若干底事件的集合。若状态向量X是割向量（即=1），并对任意状态向量Z而言，只要ZX，恒有=1成立，则称X为最小路向量，最小路向量X中取值为0的各分量对应的底事件的集合，称为最小路集。最小路集是使系统不发生故障的必要正常元件的集合。24用最小割集表示结构函数：25用最小路集表示结构函数：26掌握化相交和为不交和，求顶事件概率（此法最简单易于理解，故采用之）：式中为故障树的最小割集，将上式化成单独项（形如这种形式）的逻辑和，将式中的用代替，用代替。这样便可得到顶事件发生的概率为：27底事件的发生对顶事件发生的影响，称作底事件的重要度。l 概率结构重要度：仅由单个底事件概率的变化而引起顶事件概率发生变化，则顶事件概率对底事件概率的变化率称作该底事件的概率结构重要度，简称概率重要度，记作。数学表达式为： 。上式可以看出概率重要度较大的底事件，其概率发生变化，则对顶事件概率变化的影响是比较大的。l 结构重要度：第i个底事件的结构重要度定义为该底事件处于关键状态的系统状态数与其处于正常状态的系统状态数之比。当系统由n个独立元件组成时，则可表示为：，为该底事件处于关键状态的系统状态数，可由下式表示：所谓底事件的关键状态是指该底事件状态变量由0变为1时（该元件由正常变故障），故障树的结构函数也由0变为1（系统由正常变故障）的状态。 用以下原则求结构重要度，在概率重要度的基础上，令各底事件的概率均为1/2，则所求结构重要度与其底事件的概率重要度相同。l 关键重要度：，由此可见，底事件的关键重要度是指顶事件概率相对变化量与引起此变化的底事件概率相对变化量之比的极限。28故障隔离手册（FIM）和故障报告手册使用同一的故障码，该故障码为8位数：左起前两位为故障所在章号（系统），3、4位为节号（子系统），5、6位为项目号，7、8位表示故障件位置。29无空勤人员提供故障码时的故障隔离程序 故障必然归入下面四种情况之一： 有相应的EICAS信息的故障； 有机内自检程序（BITE）的故障； 有适用的维修控制显示板（MCDP）信息的故障； 以上信息全没有的故障。若报告的问题上述三种信息均有，则故障分析顺序为优先考虑执行有EICAS信息的排故程序，其次是机内自检程序，最后是考虑执行有MCDP信息的排故程序。30查找故障的典型概率法（P75）重点看，有计算。概率法应用的条件：故障是由某一元件故障引起；查找故障不会引入新故障。概率法应用的参数：检查次数（一次检查、平均检查次数检查时间（一次检查时间ti、平均总检查时间检查工作量(一次检查工作量ti、平均总检查工作量检查费用（一次检查费用Ci、平均总检查费用适用范围 逐件检查系统 分组检查系统3132 分组检查的方法：两分法、等概率法、最小时间法。u 两分法：要点-符合机件数大致相等的要求；最少检查次数与最大检查次数：1) 若系统由n个机件组成，满足2m n 50kHz）和低频涡流检测。趋肤效应：涡流的磁场会引起交变电流趋向构件表面，表面电流密度最大，随着深度增加，电流密度减弱41涡流检测法的适用范围Q 检查导电构件的疲劳损伤和腐蚀损伤。对铝合金是首选的无损检测方法u 不适用非金属构件，如塑料、玻璃纤维复合材料等的损伤Q 高频涡流可检测试件表面或近表面的损伤，而低频涡流可检测构件隐蔽面或紧固件孔壁上的损伤Q 对于钢构件一般不采用涡流检测法探伤。Q 不能检测出平行于探测面的层状裂纹。Q 厚度小于1.5 mm的薄板材，板边缘或紧固件孔边的边界效应较大，给检测带来一定的困难42超声波检测法：高频声束（频率在20kHz以上）射入被检材料，经过不同介质分界面会发生反射，检测者分析反射声束信号，便可确定缺陷或损伤的存在及其位置。超声波的发射与接收是利用压电材料的压电效应来实现的超声波是一种波长比光波长，比普通电波短，频率高于20kHz的机械波43纵波检测法的适用范围： 易检测出与工件探测面走向平行的缺陷 受仪器盲区和分辨力的限制，表面和近表面检测能力低 适用于检测大面积的厚工件，定位简单横波检测法的适用范围： 可发现与工件表面成一定角度的缺陷或损伤 辅助纵波检测，检测垂直于探测面的缺陷或损伤。应用：可检测金属、非金属、复合材料的内部及表面缺陷（裂纹损伤和腐蚀损伤），对平面缺陷十分敏感，只要声束方向与裂纹面夹角达到一定要求，就可清晰地显示出裂纹损伤44磁粉检测的原理：（通过检测漏磁来发现缺陷）铁磁试件被磁化后，若试件存在表面或近表面缺陷，会使试件表面产生漏磁。铁磁性工件中存在着许多小磁畴，磁化前，磁畴随机取向，磁性抵消；被磁化时，磁畴规则排列，呈现磁极。当工件表面或近表面存在与磁化方向近于垂直的裂纹缺陷时，磁力线会弯曲，呈绕行趋势，溢出表面的磁力线叫做缺陷漏磁。漏磁场强度取决于缺陷尺寸、方向和位置以及试件的磁化强度。漏磁场强度越大，缺陷部位越容易吸附磁粉，越能显示出磁粉迹痕，观察磁粉迹痕判断缺陷所在。l 周向磁化法：直接通电法、电极法、芯棒法l 纵向磁化法：线圈法、电磁铁法、感应电流法l 复合磁化法适用于铁磁性构件表面或近表面缺陷（或裂纹）。主要检测锻钢件及焊件，不适用于奥氏体不锈钢（非磁性材料）。注意：磁粉检测后要对零件进行退磁。45传统的故障诊断方法包括逻辑诊断方法、统计诊断方法和模糊诊断方法。46逻辑诊断法师根据故障特性（故障信息或征兆）与故障状态的逻辑关系，运用推理的方式进行故障诊断的方法。有效决策规则：将有效逻辑基中全部变元（取值为）或逆变元（取值为）逻辑乘，再求逻辑和有效决策主范式：从决策规则出发，通过逻辑运算，得到全部变元或逆变元逻辑乘的逻辑和概括逻辑诊断步骤: 1.确定考虑的因素,建立决策规则; 2.建立有效决策规则或有效决策主范式; 3.将给定元件状态的元件变元或逆变元组成征兆函数,待定元件变元或逆变元组成成因函数,进行状态识别或故障诊断.注：此节求有效逻辑基，通过分析故障成因函数查找故障原因是重点。47统计诊断方法：确定临界值是重点。根据对平均冒险率的分析，提出以下四种确定临界值的方法：最小冒险法、最小错误诊断概率方法、极小极大法和纽曼-皮尔逊方法。n 在满足平均冒险率最小的条件下，即使=时，确定临界值的方法称为最小冒险方法。n 当=，=时，最小错误诊断概率方法确定临界值得条件和最小冒险法完全相同。n 在使平均冒险率取极大的同时，使平均冒险率取极小，这样确定临界值的方法称为极小极大法。n 纽曼-皮尔逊方法：要正确地估计错误诊断的代价往往是十分困难的，为此往往采用使某种诊断错误概率降低到最小的原则。例题：根据滑油中含铁量监测发动机机匣的工作状态。设由统计资料得到：在正常状态下含铁量的均值=2p.p.m（1p.p.m=1毫克/升），在异常状态下含铁量的均值=12p.p.m，标准偏差为5p.p.m；含铁量为正态分布，并已知发动机处于正常状态的概率为=0.8。试用最小错误诊断概率法：（1）详细推导确定临界值的公式（2）计算临界值x048模糊诊断方法（重点看该书最后两页）：设分别表示m种故障成因，它们是征兆群空间X（论域U）上的m个模糊子集，为相应的m个模糊子集的隶属函数。对U中的任一元素，如果，则判断隶属于模糊子集，这就是最大隶属原则。隶属函数计算式：其中（i=1，n）表示第i个征兆出现的状态，征兆出现取1，不出