基于失效机理与数据融合的飞机机载机电系统唇形密封剩余使用寿命预测方法研究

Rotary lip seals are widely used in aircraft utility systems. For the reliability and longevity of aircraft utility systems, it is crucial to accurately predict the remaining useful life of rotary lip seals when they are in service. However, the microstructure of contact surface of rotary lip seals is difficult to illustrate, and different failure modes of rotary lip seals are severely coupled. In addition, the characteristic feature space of rotary lip seals is not easy to construct. Focusing on these problems, this work will generate quasi-stochastic surface to simulate the microstructure of contact area of rotary lip seals and derive the expression of pumping rate. Effect of onboard operation condition on failure mechanism is analyzed, and multi-failure coupling principle is derived based on time-varying dependence analysis. Condition monitoring method of rotary lip seals is studied, and degradation features of rotary lip seals are extracted based on multiple source information fusion. Finally, based on infield and external field data fusion, dynamic reliability assessment procedure and remaining useful life prediction method are provided. This project commits to monitor the failure formation and development principle of rotary lip seals, and to provide theoretical and technical support for the prognostics, dynamic reliability assessment and health management of them in aircraft utility systems.

唇形密封广泛应用于飞机机载机电系统中，在服役阶段给出其准确的剩余使用寿命对保证机载机电系统的可靠运行，进而保证发动机的正常工作和飞机的健康服役至关重要。但是，机载唇形密封的剩余使用寿命预测尚存在微观表面形貌表征不准确、多失效机理严重耦合、退化特征空间构造困难等诸多问题。针对以上问题，本项目将从失效物理出发，生成准随机表面以模拟接触区域表面形貌，通过相应的流体力学、接触力学解算建立唇形密封泵汲率的表征模型；揭示机载工况对唇形密封失效机理的影响，利用动态相关性分析方法推导唇形密封的多重失效耦合规律；研究密封件状态监测手段，基于多源信息融合给出唇形密封退化特征提取方法；基于内外场载荷强度修正方法，创成完备的机载工况下唇形密封的动态可靠性评估和剩余使用寿命预测理论。以上研究将为动态跟踪机载唇形密封的故障萌生和演变规律，实现故障预示、动态可靠性评估和健康管理提供重要的理论依据和有效的技术支持。

唇形密封广泛应用于飞机机载机电系统中，在服役阶段给出其准确的剩余使用寿命对保证机载机电系统的可靠运行，进而保证发动机的正常工作和飞机的健康服役至关重要。但是，机载唇形密封的剩余使用寿命预测尚存在微观表面形貌表征不准确、多失效机理严重耦合、退化特征空间构造困难等诸多问题。针对以上问题，本项目从失效物理出发，生成准随机表面对接触区域表面形貌进行了模拟，然后通过相应的流体力学、接触力学解算建立了唇形密封动态混合润滑模型，并推导了唇形密封泵汲率的表达式；揭示了机载宽温、高压、强振动等工况对唇形密封失效机理的影响，利用动态相关性分析方法推导了三种失效模式相互作用下唇形密封的多重失效耦合规律；研究了密封件状态监测手段，给出了对应泄漏量、接触区域温度、摩擦力矩、振动等物理量的信号处理方法，基于多源信息融合给出了唇形密封退化特征提取方法，同时研究了特征排序准则，给出了基于特征选择和特征变换的降维方法；基于内外场载荷强度修正方法，考虑服役时间和在不同状态停留时间对部件和系统的状态退化率的影响，研究在连续或周期间断性状态监测情况下的非监督和监督模型参数估计算法，提出了基于贝叶斯模型综合的机载工况下唇形密封的动态可靠性评估方法和剩余使用寿命预测方法。与此同时，本项目搭建了唇形密封多场耦合动态演化试验装置，开展了性能退化试验，基于唇口磨损率、摩擦扭矩、泄漏率三个测试量对剩余使用寿命的预测结果进行了验证，总体精度达到了80%以上。试验验证结果表明本项目提出的可靠性评估方法和剩余寿命预测方法充分利用了性能退化数据，评价精度更高，具有一定的工程应用价值。本项目的相关研究可以为动态跟踪机载唇形密封的故障萌生和演变规律，实现故障预示、动态可靠性评估和健康管理提供重要的理论依据和有效的技术支持。