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1、飞机故障诊断技术Diagnosis of Aircraft Failure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B
2、94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7、8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
3、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
4、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
5、）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
6、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
7、（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、应应力 - 强度模型图1.2-1 应力强度模型21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
8、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、应应力 - 强度模型故障过程模型l 强度分布的均值l 标准差l 分布密度l 应力分布均值l 标准差l 分布密度l安全余量Sm：l应力偏差度Lr： （1.2-1）估算产产品可靠度23故障过程模型l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 lZ的密度函数为l （1.2-2）l 随机变量Z的均值，l 随机变量Z的标准差，估算产产品可靠度24故障过程模型l结构发生强度不足故障的条件是Z 0
9、。故结构发生静强度破坏的 概率（即故障密度）为l引入新的变量u， ，则服从标准正态分布，得到l由（1.2-1）式可知 ，代入上式求得l （1.2-3 ）估算产产品可靠度25故障过程模型 S、L均很小，可靠性（图1.2-2 (a)） S较大，L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）。 S较小，L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、利用应应力 - 强度模型分析故障机理与提高可靠度的方法（图图1.2-2）图1.2-2 应力、强度分布对可靠性的影响27图1.2-3 高应力筛选后的应力、强
10、度分布28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E），跨越E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E，才 有可能发生该种状态的反应（图1.2-4）。二、反应论应论 模型图1.2-4 激活能及退化反应30故障过程模型l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。l串连式反应过程 F （1.2-4 ） F 总反应速度主要取决于反应
11、最慢的那个过程的速度。l并联式反应 F （1.2-5 ） F 总反应速度主要取决于反应最快的过程的速度。二、反应论应论 模型31故障过程模型l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）。l利用最弱环模型确定材料或元件的故障率：l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l （1.2-6）l最弱环模型与应力-强度模型具有一定的区别和联系。三、最弱环环模型（串连连模型）32图1.2-5 最弱环模型示意图33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。实实例分析安-24B（前苏联安东诺夫设计局研制的双发涡轮螺桨支线客机 ）36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）37图1.2-7 边缘裂纹断口的疲劳条纹38图1.2-8 边缘裂纹断口表面上腐蚀产物39Thank you!
