飞机故障诊断(一)

飞机故障诊断技术DiagnosisofAircraftFailure第一章故障特性与故障过程模型故障及其分类故障过程模型与故障物理应用第一节故障及其分类飞机故障对飞行安全的影响故障及其分类飞机故障对飞行安全的影响由于设计、制造、使用、维修及管理等因素引起设备或机件故障，导致飞行事故时有发生。故障（包括人为差错）是产生飞行事故的主要原因！机务人员所做的每一项工作，从日常保养到预防维修，无不以保证飞行安全、不出或少出故障为其目的。一、可靠性与安全性二、民航客机事故原因分析设计和维修方案不合理–片面地追求较高的静强度和刚度，忽视了材料的耐腐蚀及抗疲劳特性。——伊尔-18机翼上翼面B94铆钉大量出现断头现象–系统和接头配件设计过分强调标准化，忽视了一些防人为差错的细节措施。——由于Ⅲ7、Ⅲ8插头错接而造成一架TU-154飞机空中解体–修理方案不合理——1985年，日本航空公司一架B747客机空中发生故障，造成机组和乘客无一生还。二、民航客机事故原因分析人为因素–统计民航1950年以来有确切资料的120起事故中，因人为差错造成事故的占79%，机械装备故障造成事故的占13.4%，环境和其他因素造成事故的占7.6%。–如果设计上没有采取可靠的防人为差错的措施，在使用或维修中又没有严格按操作规程进行操作，则很容易导致飞机故障，乃至严重事故。–飞行人员的心理素质–人为故意破坏二、民航客机事故原因分析人为因素–统计民航1950年以来有确切资料的120起事故中，因人为差错造成事故的占79%，机械装备故障造成事故的占13.4%，环境和其他因素造成事故的占7.6%。–如果设计上没有采取可靠的防人为差错的措施，在使用或维修中又没有严格按操作规程进行操作，则很容易导致飞机故障，乃至严重事故。–飞行人员的心理素质–人为故意破坏事故统计图二、民航客机事故原因分析环境因素–飞机结构的疲劳损伤–飞机结构的腐蚀损伤三、故障诊断学人们逐渐地把注意力集中到对故障原因及后果的分析上，研究减少故障、减轻故障后果的方法，以保证飞机的安全性为宗旨，并将其贯穿于飞机设计、制造、使用、维修，直到退役的全过程。理论基础：可靠性、维修性、系统工程等新兴学科。工具–检测技术的发展；–检测手段的提高；–计算机功能的开发与运用。故障及其分类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。故障与正常界限的确定，可能随使用范围、分析层次等有所不同。——故障判据一、故障定义故障及其分类按其对功能的影响分类–功能故障：指被考察的对象不能达到规定的性能指标（针对某一功能）。它有两个方面的含义。–潜在故障：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。二、故障分类故障及其分类按其后果分类–安全性后果故障：故障会引起对使用安全性的直接不利影响。（1.预防维修；2.改进设计）–使用性后果故障：故障对使用能力有直接的不利影响。（预防维修费用间接经济损失+直接维修费用）二、故障分类故障及其分类按其后果分类–非使用性后果故障：故障对安全性及使用性均没有直接的不利影响。（预防维修费用直接修理费用）–隐患性后果故障：这类故障若不及时发现并排除，可能会导致系统多重故障，甚至发生安全性后果。（预定维修）二、故障分类故障及其分类按其产生的原因及故障特征分类–早期故障–偶然故障–耗损故障二、故障分类第二节故障过程模型与故障物理应用故障模式与故障机理故障过程模型故障物理应用故障模式与故障机理故障模式或故障类型是故障发生时的具体表现形式。一种功能故障往往是由多种故障模式中的一种或数种造成的。对于系统功能故障而言，确定了故障模式，并不等于找到了故障部位。一种故障特征可能为几种模式所共有，而同一故障模式可能有多个故障特征。同一零部件可以同时存在几种故障模式。（发生频率和频率比）一、故障模式故障模式与故障机理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。故障机理和故障模式是依不同的对象来规定各自特定的分类。（疲劳断裂现象）有关产品的故障机理、故障模式及其相互关系，必须根据实际情况具体分析，不能一概而论。二、故障机理故障模式与故障机理“SCWIFT”分类–蠕变或应力断裂（S）–腐蚀（C）–磨损（W）–冲击断裂（I）–疲劳（F）–热（T）二、故障机理故障过程模型当施加在元件、材料上的应力超过其耐受能力（即强度）时，故障便发生。应力–强度模型是一种材料力学模型。“应力”应理解为由环境、工作条件等退化的诱因所引起的系统内部能量积蓄。“强度”应理解为材料、元件或系统的抗故障能力。若掌握了应力和强度的概率分布规律，则根据应力与强度分布密度曲线交叠部分面积可求出产品故障概率。一、应力-强度模型21图1.2-1应力强度模型故障过程模型利用应力–强度模型可以分析故障机理并可提出提高产品可靠性的方法。通常，材料强度、静载荷和结构几何尺寸均服从正态分布。应力作为载荷和结构几何参数的函数，也可以做正态分布的假设。当应力与强度两者的分布没有重叠区域时，故障不发生。当密度曲线下出现重叠部分（t=t2），则表示会发生故障，且重叠部分的面积代表了发生故障的概率的大小。一、应力-强度模型23故障过程模型——强度分布的均值——标准差——分布密度——应力分布均值——标准差——分布密度安全余量Sm：应力偏差度Lr：（1.2-1）估算产品可靠度SS)(SfsLL)(LfL22LSmLSS22LSLrL24故障过程模型令L为应力随机变量，S为强度随机变量，引入随机变量Z，即Z=S-LZ的密度函数为（1.2-2）——随机变量Z的均值，——随机变量Z的标准差，估算产品可靠度222)(21)(ZZZZZeZfZZLSZ22SLZ25故障过程模型结构发生强度不足故障的条件是Z≤0。故结构发生静强度破坏的概率（即故障密度）为引入新的变量u，，则服从标准正态分布，得到由（1.2-1）式可知，代入上式求得（1.2-3）估算产品可靠度dzZfZPFZ)(}0{0ZZZu/)(}{}{}0{22LSZZLSZZZPZPF22/)(LSmLSS)(mSF)(1mSFR故障过程模型σS、σL均很小，可靠性↑↑（图1.2-2(a)）σS较大，σL较小，可靠性↓（图1.2-2(b)）–通过质量控制，降低强度分布的标准差；–高应力筛选法，剔除强度低的产品（图1.2-3）。σS较小，σL较大可靠性↓↓（图1.2-2(c)）–限制使用条件和环境影响；–重新设计。一、利用应力-强度模型分析故障机理与提高可靠度的方法（图1.2-2）27图1.2-2应力、强度分布对可靠性的影响28图1.2-3高应力筛选后的应力、强度分布故障过程模型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。产品从正常状态进入退化状态的过程中，存在着能量势垒（激活能ΔE），跨越ΔE所必须的能量是由环境（应力）提供的，只有当外部环境提供的能量超过此ΔE，才有可能发生该种状态的反应（图1.2-4）。二、反应论模型30图1.2-4激活能及退化反应31故障过程模型通常的退化反应，在达到最终退化状态前要跨越几个能量势垒，发生几个不同故障机理的反应。串连式反应过程（1.2-4）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（1.2-5）总反应速度主要取决于反应最快的过程的速度。二、反应论模型)/1(/1iKKiKK/132故障过程模型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（图1.2-5）。利用最弱环模型确定材料或元件的故障率：设材料或元件有n个相互独立的故障机理，而其中任何一个故障机理都可能导致材料或元件故障，则材料或元件故障可用各机理故障率之和来表示，即（1.2-6）最弱环模型与应力-强度模型具有一定的区别和联系。三、最弱环模型（串连模型）nii1机理机件33图1.2-5最弱环模型示意图故障过程模型如果环境多次重复作用在产品上，每次均对产品产生一定量的损伤，当这些损伤累积起来超过某一临界值时，产品就会发生故障。应用累积损伤模型分析产品故障，估算产品寿命时，通常假定基于同一故障机理。四、累积损伤模型故障物理应用安-24飞机服役多年后，在机翼油箱上壁板边缘出现了多条裂纹，且方向均从翼根斜向翼尖。实例分析36安-24B（前苏联安东诺夫设计局研制的双发涡轮螺桨支线客机）37图1.2-6安-24飞机机翼油箱上壁板（B95铝合金）边缘处表面的蚀坑（500）38图1.2-7边缘裂纹断口的疲劳条纹39图1.2-8边缘裂纹断口表面上腐蚀产物Thankyou!