民航概论论文

基于案例库研究的航空发动机故障诊断研究

摘要：随着航空业的高速发展，民用航空设备的维修要求也越来越高，在保证飞行安全，缩短维护时间，降低运营成本等方面对故障诊断方法和维护手段提出了新的挑战。随着飞机结构复杂性不断增加，故障种类也体现出多样化的特点，传统的人工诊断方式已经无法适应当前局面，智能诊断开始进入航空维护领域，很大程度上提高了诊断水平。目前在智能故障诊断领域应用较多的为案例推理系统，该方法能够模拟人类思维方式，通过回忆以往的经验来找到解决面对问题的解决方案。

关键字：故障诊断案例推理内窥图像

第一章绪论

从上世纪80年代开始，世界各国航空事业迅猛发展，对航空发动机的运行可靠性要求也不断提高，随之而来的安全问题也越来越突出。据中国民航局1989-1999十年的统计资料显示，机械故障引起的严重飞行事故占37.9%，而发动机的故障又占所有机械故障的60%，可见发动机故障对飞行安全的影响非常之大[1]。因此在使用中对发动机采取必要的状态监控和故障诊断，对其承受高负荷、高温、高速和处于腐蚀介质中的零部件进行定期与非定期探测、检验，及时发现各类损伤和缺陷是确保飞行安全的重要措施之一，对于降低飞机事故的发生率及提高民航运输的经济效益有着极其重大的意义。

内窥检测具有无损、直观、快速的特点，是航空发动机维护中的一种有效的故障检测和监控手段，对于监控航空发动机的性能、提高发动机的利用率、保障飞行的可靠性和安全性起着重要的作用，在现代航空发动机维护中被广泛采用。据统计，大约90%的航空发动机非例行更换都与内窥检测结果直接相关。

依据发动机的内窥检测部位、损伤类型及损伤尺寸需要与手册标准进行对比来进行损伤判断和维修决策，往往需要检测和维修人员查阅相关手册，目前飞机维修手册中均规定了基于内窥检测的维修决策标准，但是查阅手册一方面需要检测人员对手册的熟悉，另一方面也需要更多翻阅手册的时间，特别是在手册规定的标准附近，做出可靠的经济的维修决策往往需要历史经验及众多专家参与的综合权衡、分析和讨论，必要时甚至需要求助于制造商。

目前，航空公司普遍具有飞机机群大、机种多、分布广等特点，而具有能给发动机做内窥检测损伤评估及维修决策的专家不可能分布在各地，往往仅仅限于在专门从事飞机发动机维修的相关部门，这种特点使目前发动机内窥检测面临了典型的异地检测、评估与决策困难的问题。同时，仅仅依靠内窥检测专家的经验进行损伤评估和决策，将表现出很大的局限性，表现在专家的丰富经验往往需要

长时间的积累，而且对每种型号的发动机均具有不同的经验。所以建立内窥故障智能诊断系统进行故障检测与诊断的技术成为关键。

第二章故障分析及案例库建立

一个完整的智能诊断系统应该从知识的获取开始，本章首先对航空发动机的主要故障进行了定义，之后介绍了主流图像处理办法，详细描述了本文所采取的算法步骤；然后简要对主要的智能故障诊断系统进行了对比，结合研究课题的特点，选取了适合本文研究课题的诊断方案——基于案例的诊断方法，并对案例的表示与案例库结构进行了初步设计。

2.1 航空发动机主要故障分析

航空发动机内部常见的损伤主要有：裂纹、刻痕、压坑、撕裂、凹痕、烧伤、腐蚀、叶尖卷边等。如图2.1所示为各种损伤的定义图[11]：

图2.1 常见发动机故障定义图

通过对损伤形成原因和评估参数的分析，典型损伤进行分析：

1.裂纹（crack）

裂纹是最常见的损伤形式，根据成因不同分为烧伤裂纹、震动裂纹、疲劳裂纹等多种。造成裂纹的主要原因是过热或振动使金属应力过大直至金属疲劳。通常表现为一条锯齿状的黑色线开口。对于裂纹损伤，长度是评估的关键数据。

2.叶片折断与掉快（broken）

折断与掉快是由于冲击、撞击等外力因素而导致叶片破碎或折断，破碎或折

断部分移走。

3.凹坑（dent）

凹坑是由于叶片或壁面的局部由于撞击而受损，材料发生坑状变形，但没有发生移动。凹坑成“U”型，外型为钝边，表面相对光滑。损伤常常出现在叶片根部和涡轮舱壁面。对于凹坑损伤，凹坑深度和最大外径是损伤评估的关键数据。

4.边缘刻口（nick）

刻口是由于叶片边缘受到外物撞击而导致材料变形，刻口呈“V”型，刻痕边缘呈亮色。边缘刻口也是内窥检测中常见的损伤类型之一，损伤的级别根据刻口的口径长度以及刻口深度来判定。

5.叶片扭曲（bent）

扭曲是由于来自相反方向的直线型外力作用于叶片表面的不同区域，导致原有的扭转角度发生变化。叶片扭曲部分相对于完整叶片所占比例是判定叶片扭曲损伤级别的依据。

6.叶边卷刃（curled）

叶片尖部由于受到与叶片运动方向相反的作用力，像刀刃卷曲一样变成圆角形折叠，从而形成叶边卷刃。

7.积炭（deposits）

积炭常常发生在导向器边缘和表面，以及燃烧室壁面，是由于燃烧产生的炭粒在表面沉积而产生的。大面积积炭会影响到发动机的燃烧效率，因此，积炭区域的大小是评估该类型损伤的依据。

8.表皮剥落（overheated）

表皮剥落是由于材料受到长时间高温而导致部分表面材料脱落，失去结构的完整性。表皮剥落损伤的表面比较光滑，还没有形成材料熔化变形。

9.烧蚀（burned）

烧蚀是由于受热严重而导致材料部分熔化，引起烧伤。内窥检测中会发现损伤区域颜色发生变化或者变形，一般呈暗黑色。烧蚀损伤的评估依据或者是表面损伤区域的大小，或者是叶片变形或脱落区域的长度和深度等参数。

10.撕裂（gouge）

叶片表面局部由于受到尖锐外物的撞击，材料撕开而产生的穿透形开口，形成撕裂。裂口长度是撕裂损伤的评估依据。

2.2 图像预处理

图像预处理的主要目的是提取图像的特征参数，这也是实现故障检测智能化的基础。在图像预处理的过程中，包含图像增强、图像分割、边缘检测、损伤参数提取等。

由于航空发动机工作环境及内窥检测的特殊性，拍摄的航空发动机内窥图像