● 摘要
航空液压系统的应用对象包括起落架、副翼、襟翼、扰流板、水平舵及方向舵等，直接影响飞机的安全起落和空中姿态调整，对飞机的安全飞行起着决定性的影响，而航空液压泵是为航空液压系统提供能源的装置，一旦发生故障，将不能为航空液压系统提供稳定的高压油液驱动舵机完成规定动作，严重时造成机毁人亡的灾难性后果，因此航空液压泵的安全可靠运行对飞机的安全飞行至关重要。为此，需要在航空液压泵运行过程中，对其进行状态监控，准确识别其健康状态并预测其剩余使用寿命，在航空液压泵失效前对其进行及时维修，提高飞机飞行的安全性和可靠性，该项技术的研究具有重要的理论和工程应用价值。
目前的健康状态识别技术和故障预测技术取得了一些成果并得到了实际应用，但主要集中在齿轮及轴承等结构相对简单的传动部件中。航空液压泵相对这些简单传动部件而言，工作环境恶劣，工作载荷多变，虽然可以通过传感器获取一些状态信息，但是受周围噪声信号的影响，使得提取其故障特征比较困难，并且航空液压泵结构复杂，是机电液高度集成的部件，对其进行物理失效建模也比较复杂。所有这些原因使得目前较为流行的基于数据驱动和失效模型的故障预测方法在应用到航空液压泵时得不到好的状态识别和故障预测结果。
为了提高航空液压泵健康状态识别和剩余使用寿命预测的准确度，在其失效前对其进行有效维修，本文开展了以下几个方面的研究：
（1）分析航空液压泵典型渐进性故障的故障机理，轴承故障、柱塞球头游隙增大和内部摩擦副磨损是航空液压泵中常见的三种典型渐进性故障，轴承故障具有较为成熟的故障预测公式，通过轴承寿命计算公式计算得到的轴承寿命远远超出航空液压泵的使用寿命，因此本文重点考虑剩余的两种失效模式。通过分析发现柱塞球头游隙增大故障可以通过壳体振动信号进行表征，因此本文建立航空液压泵的动力学模型，用柱塞球头与滑靴球窝之间的刚度系数和阻尼系数来表征游隙距离对壳体振动信号的影响程度。对于航空液压泵内部摩擦副的摩擦磨损故障，本文利用回油流量来表征，基于静压支撑油膜理论进行推导得到不同形状的摩擦副相对运动表面之间的距离与该摩擦副产生的油液泄漏量的关系。
（2）航空液压泵的壳体振动信号是多种因素共同作用的效果，由柱塞球头游隙增大故障产生的微弱振动在从滑靴球窝与柱塞球头接触处传递至壳体时会受其它振动信号的耦合影响，发生调制现象。为了提取壳体振动信号中可以有效反映柱塞球头游隙增大故障的信息，对壳体振动信号进行Laplace小波滤波和Hilbert包络解调，然后进行频谱分析，在频谱图中的基频及各倍频处存在大量的边频信号，计算各倍频点处的边频区间内最大能量与平均能量的比值并求和，将其作为特征量，可以有效区分不同柱塞球头游隙增大故障状态。为了证实本文所提方法的有效性，搭建液压泵综合状态监测实验台，利用加速度传感器获取壳体表面振动信号，通过比较本文所提方法与传统基于特征频率能量方法的状态识别效果，可以证明本文所提方法的有效性。
（3）柱塞泵在不同的性能退化阶段具有不同的性能退化速度，在基于状态转移模型的描述中表现为不同健康状态之间的状态转移概率及状态持续时间会随着时间的变化而变化，传统的隐半马尔可夫过程中关于状态转移和状态驻留时间的描述不具有时变性，得到的性能退化轨迹呈阶梯状变化，这与柱塞泵实际的性能退化轨迹具有较大的误差，本文基于航空液压泵中柱塞球头游隙增大的故障演化过程分析，针对柱塞泵三种健康状态之间的转移概率进行建模，分别表述为线性退化、均与退化及加速退化等形式，并根据统计结果将柱塞泵在每种健康状态的驻留时间描述为高斯分布，与传统隐半马尔可夫过程的预测效果相比，提高了航空液压泵的故障预测精度。
（4）航空液压泵内部存在多对摩擦副，摩擦副的摩擦磨损会引起泵容积效率的下降，最终导致失效，因此需要对内部摩擦副的摩擦磨损进行故障预测。摩擦磨损具有随机性，为了描述其随机性，基于维纳过程模型描述其磨损过程，利用卡尔曼滤波递推估计模型中的漂移系数，利用EM算法实现其它非随机参数的极大似然估计。柱塞泵的磨损是通过回油流量来表征的，利用第二章中的实验台，采集柱塞泵全寿命周期内回油流量数据，对其进行建模分析，完成柱塞泵的剩余使用寿命预测。