基于改进Cox模型的航空发动机关键部件寿命预测理论与方法研究

Under harsh and complicated working condition of aero-engine rotor-bearing system, the mechanical fault of engine occurs frequently and lack of effective airborne monitoring system. For this current situation, this project focuses on the study on the theories and methods of the life prediction for the key component (intermediary bearing) of aero-engine based on the modern sensor technology, signal processing technology and theory of applied mathematics by borrowing the development of equipment fault diagnosis and life prediction theory, gets the weak fault feature of bearing vibration signal by using the method of manifold analysis, wavelet time-frequency analysis and blind source separation, establishes the L-ACD model of fault time interval by introducing the concept of fault time interval duration and then proposes the life prediction method of aero-engine intermediary bearing based on improved Cox model. Ultimately forming the life prediction theories and methods based on improved Cox model for key components of aero-engine by experimental verification. Developing lightweight and high reliability life prediction digital system of aero-engine intermediary bearing will provide technical support for reliable operation of aero-engine. This project proposes a new life prediction method of rolling bearing which has important research value and broad application prospects in further revealing the physical nature of rolling bearing deterioration process, enriching and developing the basic theory of fault diagnosis, exploiting new life prediction technology.

针对航空发动机转子-轴承系统在恶劣复杂的工况条件下，发动机机械故障频发、缺乏有效的机载监测系统的现状，以现代传感技术、信号处理技术及应用数学理论为基础，借助设备故障诊断与寿命预测理论的发展，研究航空发动机关键部件（中介轴承）寿命预测理论与方法，应用流形分析、小波时频分析及盲源分析方法，获得轴承振动信号微弱故障特征，引入故障发生时间间隔持续期的概念，建立故障发生时间间隔的对数条件自回归L-ACD模型，提出基于改进Cox模型的航空发动机中介轴承寿命预测方法。通过实验验证，最终形成基于改进Cox模型的航空发动机关键部件寿命预测理论和方法。开发轻便高可靠数字化航空发动机中介轴承寿命预测系统，为确保航空发动机的可靠运行提供技术支撑。本项目提出一种新的滚动轴承寿命预测方法，对于进一步揭示滚动轴承劣化过程的物理本质，丰富和发展故障诊断基本理论，开发新的设备寿命预测技术具有重要的研究价值和广阔的应用前景。

本项目的研究目标是：面向工程实际，解决航空发动机中介轴承寿命预测的关键问题。关键科学问题有两个：一是复杂路径下中介轴承振动信号微弱故障特征提取；二是中介轴承性能退化趋势分析、可靠性评估与寿命预测。在四年的项目执行期间，对这两个关键科学问题进行了充分的研究，取得了突破性的研究成果，完成了既定目标。.针对第一个科学问题的研究工作：载荷多样、干扰源多、干扰能量大、转速多变等工况下中介轴承振动信号的降噪；复杂路径下微弱故障特征的提取；复杂工况下中介轴承时频故障特征的提取与定量描述。.突破性成果是：提出了对偶树复小波流形域降噪方法，有效消除了轴承信号中的噪声成分；提出了基于张量流形的滚动轴承特征提取方法，实现了轴承时频故障特征的定量描述；提出了基于流形的滚动轴承故障源盲分离方法，从故障特征微弱的单通道测试信号中分离出蕴含有效特征的故障源；提出了基于流形-奇异值熵的滚动轴承时频故障特征提取方法，有效地实现了轴承故障样本分类。.针对第二个科学问题的研究工作：全寿命周期中介轴承性能退化趋势分析；Cox故障预测模型的改进；改进Logistic回归模型用于中介轴承的寿命预测。.突破性成果是：通过建立基于局部线性嵌入流行学习的模糊C均值模型，有效地描绘了轴承的性能退化趋势；提取时域、频域、时频域等多域相对特征，利用核主元分析降维以减少原始特征集中的无关和冗余特征，采用降维后的核主元作为改进Cox模型的协变量，结合灰色模型趋势预测方法进行轴承可靠性评估与寿命预测；提出了基于PCA和改进Logistic回归模型的滚动轴承寿命预测方法，克服了原模型不能体现劣化趋势并消除冲击影响的缺点，具有较强的工程使用价值和通用性。