飞机故障诊断第章

航空工程学院飞机故障诊断与监控技术2011.08第一页，共六十一页。2/2/2023

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AMPage2课程简介学时量：36学时教材：《飞机故障诊断与监控技术》参考书目：√

中国人民解放军空军工程学院.

《航空维修工程学》西安：中国人民解放军空军工程学院，√朱继洲.《故障树原理和应用》.西安：西安交通大学出版社，1988√张涵垺,何正嘉.《模糊诊断原理及应用》.西安：西安交通大学出版社，1988考核1985第二页，共六十一页。2/2/2023

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3课程结构故障特性与故障过程模型1故障树分析法2系统故障查找方法3飞机结构的损伤检查4故障诊断方法5第三页，共六十一页。2/2/2023

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AMPage4故障诊断学人工诊断故障凭借人的感官和个人的实践经验故障诊断科学基于电子技术、计算机技术、信息论、控制论、可靠性理论、系统工程理论、最优化理论等第四页，共六十一页。2/2/2023

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5故障诊断学故障诊断学

根据诊断对象的从过去到现在、从现在到将来的一系列信息所进行的状态识别和鉴定的科学

包括故障物理，故障树分析，故障模式、影响和危险性分析，机械数值诊断，模拟电路自动测试，飞机监控技术以及振动分析、机油光谱分析等内容第五页，共六十一页。2/2/2023

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6第一章 故障特性与故障过程模型绪

论第一节 故障及其分类第二节 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第六页，共六十一页。2/2/2023

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AMPage7绪论航空器检测与诊断技术的意义航空器维修理论的发展及维修制度的变革航空发动机状态监测与故障诊断技术航空器结构检查与修理技术第七页，共六十一页。2/2/2023

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AMPage8航空器检测与诊断技术的意义·

空难统计（表1-1、1-2）飞行事故原因人、设计、环境、机械

虽然现代飞机设计技术和可靠性已日臻完善，机械因素导致的飞行事故仍占很高的比例——25%~

30%发动机空中停车、系统失效、襟翼失效、起落架轮子以外部位触地第八页，共六十一页。2/2/2023

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12航空器检测与诊断技术的意义·航空器检测、诊断与维修技术·

以飞机结构的检查与修理、发动机及辅助动力装置的状态监测与故障诊断为主要研究内容，以航空器视情维修决策为最终研究目的，从而在充分保障航空器运营安全性的前提下，最大程度地降低维修成本以提高航空器运营经济性的一门学科。第十二页，共六十一页。2/2/2023

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13航空器维修理论的发展及维修制度的变革航空器事后维修制度20世纪50年代以前，设备发生故障之后才进行检查特点：设备坏了才修，不坏不修目前仅仅用于对安全性影响较小的部件维修上第十三页，共六十一页。2/2/2023

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14航空器维修理论的发展及维修制度的变革航空器定时维修制度要求航空器在运行一定时间后，无论损坏与否，均要进行检查和维修浴盆曲线早期故障期：制造缺陷和工艺不当，故障率较高；

偶然故障期：使用维护不当或应力突然超过极限值、零件失效等随机因素，故障率较低且稳定，接近常数；耗损故障期：磨损、疲劳、腐蚀、老化等，故障率递增第十四页，共六十一页。2/2/2023

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15第十五页，共六十一页。2/2/2023

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16航空器维修理论的发展及维修制度的变革航空器定时维修制度航空装备故障率曲线

浴盆曲线规律只适用于构造比较简单的产品以及现代复杂设备中的一些简单机件20世纪60年代，美国联合航空公司发现了航空机件的故障曲线有六种基本形式

复杂产品没有耗损期的这一重要规律的发现，推翻了浴盆曲线适用于一切情况的假设第十六页，共六十一页。2/2/2023

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18航空器维修理论的发展及维修制度的变革航空器以可靠性为中心的维修制度当代维修理论的基本观点

各种产品、各种故障模式的发生、发展和后果是不相同的，因而要采取相适应的维修对策，以便用最少的资源消耗，确保产品使用的安全性与可靠性。MSG-3维修思想

以对飞机重要功能产品可靠性特性进行分析，即以故障模式和故障影响分析为基础，以维修的适应性、有效性和经济性为决策准则，确定是否进行预防性维修工作，并确定工作的内容、维修级别、时机的逻辑决断方法。第十八页，共六十一页。2/2/2023

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AMPage19航空器维修理论的发展及维修制度的变革航空器视情维修制度根据对项目定期或连续的状态监测结果所实施的预防维修以状态监控为核心，根据航空器状态监控的结果确定维修间隔和维修内容状态监控和故障诊断是视情维修的基础特点：着眼于航空器的具体技术状况，一反定期维修的常规而采取定期监测——以状态为基础的预防维修第十九页，共六十一页。2/2/2023

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20航空发动机状态监测与故障诊断技术航空发动机状态监测与故障诊断研究对象

完全组装好的，正在工作的或准备工作的发动机（有时也包括压气机、涡轮等单独的部件）发动机故障包括以下几方面：发动机机械零件或构件的损坏；发动机系统或设备丧失规定的功能；发动机实际功能的衰退超过规定值第二十页，共六十一页。2/2/2023

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21航空发动机状态监测与故障诊断技术航空发动机状态监测与故障诊断研究对象发动机故障诊断任务：

简易诊断：通过对发动机关键参数的监测，依据参数是否超标，回答发动机是否出现故障

精密诊断：在发现发动机的监测参数超标的情况下，对监测的参数进行分析和诊断，以达到故障定位、定性和定因的目的

趋势预测：通过对已知数据进行趋势分析和时间序列分析，建立发动机时序模型，从而对未来的值进行预测第二十一页，共六十一页。2/2/2023

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22航空发动机状态监测与故障诊断技术航空发动机状态监测与故障诊断基本理论信号分析与处理理论模式识别理论故障方程法预测技术第二十二页，共六十一页。2/2/2023

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23航空发动机状态监测与故障诊断技术航空发动机常用的状态监测与故障诊断技术发动机状态诊断发动机转子系统诊断发动机磨损状态诊断发动机孔探监测技术第二十三页，共六十一页。2/2/2023

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24第二十四页，共六十一页。2/2/2023

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25航空器结构检查与修理技术飞机结构完整性要求飞机结构分类与设计原则飞机维修指导思想早期：预防和修理相结合，且以预防为主，要求对飞机每种设备都要进行定期翻修

现代：MSG思想和可靠性方法控制维修相结合，采用“定时”、“视情”、“监控”三种维修方式第二十五页，共六十一页。2/2/2023

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26第二十六页，共六十一页。2/2/2023

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27第二十七页，共六十一页。2/2/2023

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AMPage28航空器结构检查与修理技术飞机中常见的损伤偶然损伤（Accidental

Damage：AD）环境损伤（Environmental

Damage：ED）疲劳损伤（Fatigue

Damage：FD）航空器无损检测技术航空器渗漏检测技术第二十八页，共六十一页。2/2/2023

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AMPage29第一节

故障及其分类二、故障及其分类故障定义设备在规定条件下，不能完成其规定的功能；设备在规定条件下，一个或几个性能参数不能保持在规定的上、下限值之间；设备在规定的应力范围内工作时，导致设备不能完成其功能

的机械零件、结构件或元器件的破裂、断裂、卡死等损坏状态。广义定义故障是一种不合格的状态第二十九页，共六十一页。2/2/2023

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30第一节

故障及其分类2.

故障分类(1)按故障对功能的影响分类功能故障——针对某一功能丧失了某种功能；不能满足规定的性能指标或技术参数要求潜在故障（故障征兆、故障苗头）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通过鉴别和排除潜在故障，采取各种维修手段，将不致发生功能故障第三十页，共六十一页。2/2/2023

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31第一节

故障及其分类2.

故障分类(2)按故障后果分类安全性后果故障（危险性故障）故障会引起对使用安全性的直接不利影响来源：对使用安全性有直接不利影响的功能丧失因某种功能的丧失而导致的继发性二次损伤预防维修或改进设计第三十一页，共六十一页。2/2/2023

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32第一节

故障及其分类2.

故障分类(2)按故障后果分类使用性后果故障故障对使用能力有直接的不利影响在经济上会影响到间接经济损失和直接的修理费用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第三十二页，共六十一页。2/2/2023

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AMPage33第一节

故障及其分类2.故障分类(2)按故障后果分类非使用性后果故障故障不影响系统的主要功能，只是使系统处于能工作但并非良好的状态，如余度系统和非重要机件的故障只有当预防维修费用低于故障后的直接修理费用时，才进行预防维修第三十三页，共六十一页。2/2/2023

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34第一节

故障及其分类2.

故障分类(2)按故障后果分类隐患性后果故障（隐蔽故障）故障对安全和使用均无直接的不利影响，且对操作人员或故障观察者又是不明显的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防维修第三十四页，共六十一页。2/2/2023

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AMPage35第一节

故障及其分类2.

故障分类(3)按故障产生的原因及故障特征分类第三十五页，共六十一页。2/2/2023

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36第一节

故障及其分类2. 故障分类(3)按故障产生的原因及故障特征分类早期故障通常是由于设计、制造上的缺陷等原因而产生多在产品磨合期内基本消除，或在产品使用初期出现偶然故障（随机故障）产品由于偶然因素引起的故障通常预防维修无效第三十六页，共六十一页。2/2/2023

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37第一节

故障及其分类2.故障分类(3)按故障产生的原因及故障特征分类耗损故障由于产品老化、磨损、腐蚀、疲劳等原因引起的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方式有效第三十七页，共六十一页。2/2/2023

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AMPage38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临界模型与耐久模型应力-强度模型反应论模型最弱环模型（串联模型）累积损伤模型故障物理应用第三十八页，共六十一页。2/2/2023

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AMPage39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模式产品故障状态的形式分类只涉及产品是如何故障的，而不管为什么故障故障模式的不定性零部件的故障模式在工程实际中并非不变，它是贮存、使用、维护等环境

条件以及时间的函数，且与设计、制造、试验等因素密切相关，还常因厂家、批量的不同而各有差异第三十九页，共六十一页。2/2/2023

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40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机理引起故障的物理、化学或其他过程，是故障的内因故障机理与故障模式的关系故障机理是故障的内因，故障模式是故障的现象，而环境条件则是故障的外因常见故障机理的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）第四十页，共六十一页。2/2/2023

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41二、故障过程模型故障的发生是由于原子、分子微观变化的原因引起的故障过程模型分类：理化模型从固有的技术立场出发，研究故障是在什么地方，以什么形式发生的，研究故障与物性、环境和时间等因素的关系概率（统计）模型缺陷在空间上是怎样分布的，故障发生的时间在概率上是怎样分布的两类模型之间有着内在的联系第二节

故障过程模型与故障物理应用第四十一页，共六十一页。2/2/2023

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42临界模型当应力超越某一界限，即引起故障；能量的积蓄越过某一限度就造成破坏结构材料的拉伸断裂耐久模型元件、材料等完全工作于安全工作区，在t

=0时刻没有损坏，只是经过一定时间后才发生故障第二节

故障过程模型与故障物理应用第四十二页，共六十一页。2/2/2023

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43安全工作区和临界状态第二节

故障过程模型与故障物理应用第四十三页，共六十一页。2/2/2023

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44第二节

故障过程模型与故障物理应用故障过程模型故障的发生是由于原子、分子微观变化的原因引起的（1）应力-强度模型适用：当应力超过产品的耐受强度时，故障即发生。如果故障是由于外界的某种应力超过了该产品对此种应力所能承受的限度（即该产品的强度）而引起的，就可以用应力-强度模型来描述这种模型常用在飞机结构的故障分析上应力和耐受强度刚好相等的状态即临界状态若掌握了应力和强度随时间的分布，则从两个分布的交叠部分便可以计算出产品的不可靠度第四十四页，共六十一页。2/2/2023

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AMPage45第二节

故障过程模型与故障物理应用第四十五页，共六十一页。2/2/2023

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AMPage46第二节

故障过程模型与故障物理应用应力-强度模型的应用——计算产品可靠度结构载荷与材料强度都是服从某一分布的统计量，故结构的故障也具有统计性质静载荷、静强度以及结构的几何尺寸均能较好地服从正态分布利用应力强度模型定量地分析故障，即要计算应力与强度分布重叠区域的面积大小安全余量和应力偏差度第四十六页，共六十一页。2/2/2023

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AMPage47第二节

故障过程模型与故障物理应用第四十七页，共六十一页。2/2/2023

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AMPage48第二节

故障过程模型与故障物理应用应力

-

强度模型的应用——

分析故障机理高可靠度状态图(a)L、

S

较小，Sm

较高而Lr较低飞机机身、机翼、动力装置的重要受力构件及冷气瓶等设计、制造中控制质量和尺寸，使用中注意使用条件和环境条件的影响，妥善维修保养——控制强度的变化应力的变化，或者听其自然，或者人工控制——保证足够的安全余量第四十八页，共六十一页。2/2/2023

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49第二节

故障过程模型与故障物理应用应力-强度模型的应用——分析故障机理Lr较低，

S较大而Sm较低图(b)少部分质量差的产品出现故障采用质量控制方法，↓高应力筛选法S↑应力，有意使质量差的产品出现故障，使母体的强度分布截去一段，重叠区域↓↓，而剩下产品的可靠度↑高应力老化电子设备，筛选电子元件，验证试验高压冷气瓶等第四十九页，共六十一页。2/2/2023

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50第二节

故障过程模型与故障物理应用应力-强度模型的应用——分析故障机理Sm较低而Lr较高图(c)一种极不利的情况产品质量控制较好，采用高应力筛选法或提高平均强度的方法可能费用昂贵而收效又不大解决办法↓

L，限制使用条件和环境影响第五十页，共六十一页。2/2/2023

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51第二节

故障过程模型与故障物理应用（2）反应论模型产品的故障或性能退化，从微观上看起源于原子、分子的变化适用：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飞机上的导线、电缆的绝缘层和橡胶件模型特点：能够估计参与反应的应力对反应的影响程度第五十一页，共六十一页。2/2/2023

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52第二节

故障过程模型与故障物理应用（2）反应论模型➢激活能与退化反应反应速度与温度之间的关系——阿仑尼乌斯方程第五十二页，共六十一页。2/2/2023

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AMPage53第二节

故障过程模型与故障物理应用（2）反应论模型——反应速度串联式反应1/K

=

(1/Ki)串联式反应的总反应速度主要取决于反应最慢的过程的速度；总反应持续时间主要取决于反应最慢过程的持续时间举例：①金属的氧化、生锈；②疲劳断裂的全寿命并联式反应K

=

Ki并联式反应的总反应速度主要取决于反应最快的过程的速度；总反应持续时间主要取决于反应最快过程的持续时间第五十三页，共六十一页。2/2/2023

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54第二节

故障过程模型与故障物理应用（3）最弱环模型（串联模型）材料（或构件）的破坏和产品的故障是由其内在缺陷和薄弱部位所决定的适用：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在这种情况下，最弱点的退化速度为串联系统的退化速度第五十四页，共六十一页。2/2/2023

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55第二节

故障过程模型与故障物理应用（3）最弱环模型的应用当材料或产品的各种故障机理互相独立时，其中任意一个或几个的强度低于某一临界值时，利用最弱环模型可以确定材料或产品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，则材料或元件故障率可用各机理故障率之和来表示：材料或元件的结果要素及所加的应力越复杂，制作工序越多，发生故障的可能性也就越大。同样，经历时间越长，发生故障的数学期望t也越大（R

(t)=e-t）第五十五页，共六十一页。2/2/2023

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56第二节

故障过程模型与故障物理应用√最弱环模型与应力-强度模型的区别和联系区别L当

0时，根据应力

-

强度模型，无论每个链环还是整个链条，其可靠度均取决于

S；而根据最弱环模型，由n个链环组成的链条，若各链环可靠度均为R，则链条可靠度RS

=Rn联系•当L

S0，

0时，根据应力-强度模型，链条可靠度取决于应力是否超过了链环的强度，RS

=R；而根据最弱环模型，由于Ri要么等于1，要么等于0，故RS

=Rn

=R第五十六页，共六十一页。2/2/2023

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57第二节

故障过程模型与故障物理应用（4）累