基于間歇故障特征分析的航空電連接器故障預(yù)測(cè)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

梁露月， 呂克洪， 程先哲， 李 強(qiáng)， 劉冠軍， 邱 靜

(1.國(guó)防科技大學(xué) 智能科學(xué)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410073； 2.國(guó)防科技大學(xué) 裝備綜合保障技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410073)

航空電連接器是飛機(jī)和航空器上最常見(jiàn)的一種機(jī)電元件，一架大型運(yùn)輸機(jī)上的電連接器數(shù)量可高達(dá)4500多件[1]。隨著現(xiàn)代航空設(shè)備的集成度提高、結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜以及工作環(huán)境越發(fā)惡劣，部分在役飛機(jī)和航空設(shè)備無(wú)故障發(fā)現(xiàn)(No Fault Found，NFF)問(wèn)題日益嚴(yán)重，維修頻率急劇增加。大量的現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)和故障統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明[2-4]，間歇故障是導(dǎo)致裝備N(xiāo)FF問(wèn)題的主要原因和故障來(lái)源。航空電子系統(tǒng)故障中70%的失效是由于元器件，而在這些故障中又有40%是電連接器的失效引起的[5]。如果能基于間歇故障對(duì)航空電連接器進(jìn)行可靠的狀態(tài)評(píng)估，則會(huì)保障其安全高效工作，如果能進(jìn)一步進(jìn)行永久故障預(yù)測(cè)，則會(huì)對(duì)基地級(jí)的維修決策提供技術(shù)支撐。

基于間歇故障對(duì)航空電連接器進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估，重點(diǎn)是要利用間歇故障動(dòng)態(tài)特性構(gòu)建合理的評(píng)估模型。目前對(duì)間歇故障特征的應(yīng)用停留在定性層面，基于間歇故障特征的評(píng)估方法較少，通常是基于間歇故障幅值或次數(shù)進(jìn)行閾值判別。Kamal等[6]基于間歇故障次數(shù)提出評(píng)估方法，由于間歇故障發(fā)生極其隨機(jī)，單純基于故障次數(shù)或幅值的評(píng)估方法可能會(huì)造成虛警。Correcher等[7]提出偽周期和失效密度的概念，建立評(píng)估模型計(jì)算間歇故障發(fā)生頻率和預(yù)測(cè)更換設(shè)備的最佳時(shí)間。Pan等[8]提出了度量間歇性脆弱因子(Intermittent Vulnerability Factor，IVF)來(lái)綜合評(píng)估間歇故障對(duì)微處理器的影響程度。

國(guó)防科技大學(xué)從2011年起，對(duì)振動(dòng)環(huán)境下電連接器間歇故障機(jī)理、診斷與狀態(tài)評(píng)估開(kāi)展了一些研究[9-10]，在硬件方面開(kāi)發(fā)了間歇故障檢測(cè)儀、基于FPGA(Field Programmable Gate Array)的線纜連接型間歇故障原位檢測(cè)系統(tǒng)，重點(diǎn)放在檢測(cè)上，在狀態(tài)評(píng)估與故障預(yù)測(cè)方面的工程應(yīng)用成果較少。

合理的間歇故障動(dòng)態(tài)特征要盡可能包含完整的電連接器的退化狀態(tài)信息，而單一的間歇故障幅值或次數(shù)不足以進(jìn)行全面的表征。因此，為了充分利用間歇故障動(dòng)態(tài)特征，本文開(kāi)發(fā)了基于間歇故障廣義強(qiáng)度的狀態(tài)評(píng)估與故障預(yù)測(cè)軟件(后簡(jiǎn)稱(chēng)軟件)，服務(wù)于航空電連接器在間歇故障方面的狀態(tài)評(píng)估與故障預(yù)測(cè)。首先對(duì)間歇故障內(nèi)涵和動(dòng)態(tài)特征進(jìn)行梳理，構(gòu)建間歇故障廣義強(qiáng)度特征作為評(píng)估指標(biāo)，介紹了軟件總體架構(gòu)設(shè)計(jì)和模塊化功能設(shè)計(jì)，最后在電連接器案例上進(jìn)行了軟件實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證。

1 間歇故障內(nèi)涵與動(dòng)態(tài)特征

1.1 間歇故障內(nèi)涵

按照GJB 3365-1998定義，間歇故障是指產(chǎn)品發(fā)生故障后，不經(jīng)修理而在有限的時(shí)間內(nèi)自行恢復(fù)規(guī)定功能的故障[11]。2015年，美軍發(fā)布了間歇故障檢測(cè)軍用性能規(guī)范，從故障持續(xù)時(shí)長(zhǎng)的角度明確了間歇故障的定義，迄今為止是間歇故障檢測(cè)與診斷方面較為權(quán)威的依據(jù)[12]。該規(guī)范中將間歇故障劃分為短時(shí)、中時(shí)、長(zhǎng)時(shí)間歇故障，持續(xù)時(shí)長(zhǎng)分別為100 ns以?xún)?nèi)、101 ns～500 μs、501 μs～5 ms。在裝備的全壽命周期中，尤其是服役中后期階段，其間歇故障特征隨時(shí)間演化如圖1所示[9]。

圖1 間歇故障的演化過(guò)程

第1階段間歇故障表現(xiàn)不明顯，也不會(huì)成串出現(xiàn)，具體表現(xiàn)為單一脈沖的毛刺，對(duì)裝備影響輕微；第2階段中，間歇故障的持續(xù)時(shí)長(zhǎng)與幅值明顯增大，可能在同一部位反復(fù)出現(xiàn)且出現(xiàn)較長(zhǎng)時(shí)間，裝備可能會(huì)表現(xiàn)為一些間歇性功能異常，過(guò)段時(shí)間又恢復(fù)正常；到了第3個(gè)階段，間歇故障的影響已經(jīng)不容忽視并可能會(huì)發(fā)展為永久故障，給裝備帶來(lái)致命的傷害。

間歇故障從誘因來(lái)看，可以分為以下兩類(lèi)。

① 設(shè)計(jì)型間歇故障：主要是指在制造過(guò)程中產(chǎn)生的制造殘余物、工藝尺寸縮小帶來(lái)的器件特性的變化，或者是設(shè)計(jì)不足導(dǎo)致的缺陷。這類(lèi)間歇故障不僅具有很強(qiáng)的隨機(jī)性，而且不具有規(guī)律性，難以復(fù)現(xiàn)和分析。

② 耗損型間歇故障：這類(lèi)故障大多是因?yàn)檠b備長(zhǎng)時(shí)間服役造成的間歇性連接，其表現(xiàn)形式主要為老化磨損、焊點(diǎn)開(kāi)裂、連接器針腳疲勞等造成的間歇性連接，符合圖1中的“三步走”退化階段，與設(shè)計(jì)型相比有一定的規(guī)律性，有可能進(jìn)行復(fù)現(xiàn)與檢測(cè)。

從表現(xiàn)形式來(lái)看，間歇故障在裝備級(jí)、系統(tǒng)級(jí)、器件級(jí)的表現(xiàn)各有不同，但是通過(guò)層級(jí)又逐漸產(chǎn)生深層影響。以數(shù)字電路發(fā)生連接型間歇故障為例，在邏輯器件級(jí)可能表現(xiàn)為間歇性“固定”故障，即將故障信號(hào)線上的正確值間歇性地轉(zhuǎn)換為固定值，即邏輯值“1”或“0”，在集成模塊級(jí)別可能會(huì)表現(xiàn)為時(shí)序的間歇性延遲，從而導(dǎo)致時(shí)序違規(guī)，并在發(fā)生時(shí)影響數(shù)據(jù)傳輸。例如，由于時(shí)序延遲，觸發(fā)器無(wú)法鎖定新計(jì)算的值，導(dǎo)致向存儲(chǔ)單元中寫(xiě)入錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)。故障傳播到裝備級(jí)，輕者導(dǎo)致計(jì)算機(jī)間歇性異常如重啟、顯示屏間歇閃爍，嚴(yán)重則導(dǎo)致裝備掉電或死機(jī)，這將會(huì)造成不可估量的損失。因此，裝備在長(zhǎng)時(shí)間服役過(guò)程中，間歇故障往往是永久性故障的征兆，會(huì)導(dǎo)致永久性故障的發(fā)生。

1.2 間歇故障動(dòng)態(tài)特征

想要利用間歇故障特征來(lái)對(duì)裝備的退化狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，并進(jìn)行永久故障預(yù)測(cè)，首先要明確哪些間歇故障特征可以作為退化過(guò)程的指標(biāo)。合適的動(dòng)態(tài)特征可以對(duì)故障進(jìn)行較為定量的描述，目前典型的間歇故障動(dòng)態(tài)特征可以歸納為3個(gè)，分別是間歇故障次數(shù)、持續(xù)時(shí)長(zhǎng)和幅值。

間歇故障動(dòng)態(tài)特征如圖2所示，其中，T表示一次任務(wù)周期、統(tǒng)計(jì)時(shí)長(zhǎng)或采樣時(shí)間；i表示在時(shí)間T內(nèi)發(fā)生的第i次間歇故障。

圖2 間歇故障動(dòng)態(tài)特征

間歇故障次數(shù)N即在時(shí)間T內(nèi)發(fā)生的間歇故障總次數(shù)。

(1)

間歇故障幅值MF是指實(shí)測(cè)值偏離正常值的幅度。

這3個(gè)動(dòng)態(tài)特征都從不同層面上揭示了間歇故障的內(nèi)涵，在一定程度上反映了間歇故障發(fā)生的強(qiáng)度大小，可以對(duì)電連接器進(jìn)行評(píng)估與故障預(yù)測(cè)。目前基于間歇故障動(dòng)態(tài)特征的故障預(yù)測(cè)算法已經(jīng)有了一些研究[13-14]，但目前未在工程上實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。為了將理論研究應(yīng)用到實(shí)際工程中，需要能夠結(jié)合已有的算法設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)故障預(yù)測(cè)軟件。

2 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

軟件總體架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示，共分為3層：人機(jī)交互界面、模塊層和系統(tǒng)資源層。人機(jī)交互界面實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的選擇、導(dǎo)入與顯示，系統(tǒng)資源層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和模型庫(kù)支撐功能，存儲(chǔ)模塊層所需的間歇故障時(shí)長(zhǎng)、幅值等數(shù)據(jù)，提供數(shù)據(jù)訓(xùn)練所需的模型。

圖3 功能模塊化設(shè)計(jì)

模塊層設(shè)計(jì)共分為4個(gè)部分：特征提取模塊、模型訓(xùn)練模塊、狀態(tài)評(píng)估模塊和故障預(yù)測(cè)模塊。軟件各模塊通過(guò)菜單欄進(jìn)行切換。下面進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

① 特征提取模塊：導(dǎo)入訓(xùn)練樣本，提取樣本響應(yīng)特征曲線，提取間歇故障廣義強(qiáng)度特征作為下一步模型訓(xùn)練的基礎(chǔ)。

② 模型訓(xùn)練模塊：基于間歇故障廣義強(qiáng)度特征，利用HSMM構(gòu)建退化狀態(tài)轉(zhuǎn)移模型，利用訓(xùn)練樣本對(duì)模型進(jìn)行訓(xùn)練，構(gòu)建退化狀態(tài)評(píng)估分類(lèi)器。

③ 狀態(tài)評(píng)估模塊：將被測(cè)樣本的間歇故障廣義強(qiáng)度導(dǎo)入狀態(tài)評(píng)估分類(lèi)器中可評(píng)估其當(dāng)前退化狀態(tài)。另外，利用該模塊可以對(duì)長(zhǎng)時(shí)間采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行退化狀態(tài)變化分析，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間狀態(tài)監(jiān)控的功能。

④ 故障預(yù)測(cè)模塊：根據(jù)全壽命周期數(shù)據(jù)訓(xùn)練永久故障預(yù)測(cè)模型，結(jié)合待測(cè)樣本的當(dāng)前狀態(tài)可以進(jìn)行永久故障預(yù)測(cè)，即預(yù)測(cè)剩余使用壽命。

3 各模塊設(shè)計(jì)

3.1 特征提取模塊

通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了間歇故障總持續(xù)時(shí)長(zhǎng)、幅值和次數(shù)隨航空電連接器退化的趨勢(shì)分析，變化趨勢(shì)如圖4所示，為了統(tǒng)一到一個(gè)坐標(biāo)系中，對(duì)持續(xù)時(shí)長(zhǎng)、幅值和退化狀態(tài)均做了歸一化處理。

圖4 間歇故障特征隨電連接器退化的變化趨勢(shì)

由圖4可以看出，一次任務(wù)剖面內(nèi)的間歇故障幅值和總持續(xù)時(shí)長(zhǎng)均與退化狀態(tài)呈正相關(guān)，可以作為狀態(tài)評(píng)估的指標(biāo)。但是，間歇故障幅值在退化過(guò)程中表現(xiàn)出了較大的波動(dòng)性，而持續(xù)時(shí)長(zhǎng)雖然呈單調(diào)遞增，卻不包含間歇故障次數(shù)的信息。間歇故障次數(shù)隨電連接器的退化呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)，不能作為評(píng)估指標(biāo)。

因此，單一的間歇故障時(shí)長(zhǎng)或幅值都無(wú)法全面而準(zhǔn)確地表征航空電連接器的退化狀態(tài)。綜合間歇故障在時(shí)間維度與幅值維度的表現(xiàn)，構(gòu)建間歇故障廣義強(qiáng)度作為間歇故障的新動(dòng)態(tài)特征，用I來(lái)表示，定義為間歇故障特征曲線與時(shí)間軸所圍成的面積，如圖2中所示的陰影面積，計(jì)算公式為[10]

(2)

(3)

特征提取模塊是整個(gè)軟件設(shè)計(jì)的基石，實(shí)現(xiàn)了訓(xùn)練數(shù)據(jù)的導(dǎo)入與間歇故障廣義強(qiáng)度提取功能，步驟如圖5所示。

圖5 特征提取步驟

首先根據(jù)航空電連接器測(cè)試數(shù)據(jù)幅值和時(shí)長(zhǎng)，識(shí)別采樣點(diǎn)中的間歇故障數(shù)據(jù)點(diǎn)，將間歇故障幅值和時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行提取，利用式(2)、式(3)計(jì)算出每一個(gè)訓(xùn)練樣本的間歇故障廣義強(qiáng)度，供模型訓(xùn)練使用。

3.2 模型訓(xùn)練模塊

模型訓(xùn)練模塊是從特征提取模塊中接收訓(xùn)練樣本的間歇故障廣義強(qiáng)度特征，基于該特征構(gòu)建狀態(tài)評(píng)估分類(lèi)器，完成訓(xùn)練功能，步驟如圖6所示。

圖6 模型訓(xùn)練步驟

HSMM(Hidden Semi-Markov Models)模型能夠表征同一宏觀狀態(tài)下的不同片段時(shí)間的微觀狀態(tài)，符合航空電連接器的退化特點(diǎn)。首先根據(jù)HSMM模型構(gòu)建狀態(tài)評(píng)估模型，根據(jù)間歇故障廣義強(qiáng)度特征，進(jìn)行模型訓(xùn)練，從而構(gòu)建退化狀態(tài)分類(lèi)器[8]，以進(jìn)行下一步的狀態(tài)評(píng)估。

航空電連接器從正常到故障共經(jīng)歷了N個(gè)宏觀退化狀態(tài)，這就需要設(shè)計(jì)N個(gè)狀態(tài)分類(lèi)器：HSMM(1)，HSMM(2)，…，HSMM(N)。以其中一個(gè)狀態(tài)分類(lèi)器為例，此時(shí)模型只含有一種退化狀態(tài)，其模型參數(shù)λ=(N,π,A,B,Pi(d))。模型參數(shù)中的各項(xiàng)定義如下：N為使用狀態(tài)數(shù)；π為初始概率的分布矢量，π=[π1,π2,…,πN]；A為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣{aij}N×N；B為觀測(cè)值矩陣{bjk}；Pi(d)為狀態(tài)駐留時(shí)間概率分布。

利用HSMM模型構(gòu)建狀態(tài)評(píng)估分類(lèi)器過(guò)程如下。

① 用K-means聚類(lèi)算法對(duì)訓(xùn)練數(shù)據(jù)進(jìn)行初始估計(jì)，得到B的初始參數(shù)值，確定初始模型參數(shù)λ1。

② 根據(jù)前向-后向算法計(jì)算初始參數(shù)條件下的輸出概率P(O|λ1)。

3.3 狀態(tài)評(píng)估模塊

狀態(tài)評(píng)估模塊識(shí)別待測(cè)樣本的當(dāng)前狀態(tài)，為故障預(yù)測(cè)模塊提供基礎(chǔ)。使用狀態(tài)評(píng)估過(guò)程如圖7所示。

圖7 狀態(tài)評(píng)估步驟

狀態(tài)評(píng)估模塊設(shè)計(jì)了3種評(píng)估模式，分別為單一狀態(tài)評(píng)估、同一狀態(tài)下多樣本狀態(tài)評(píng)估和長(zhǎng)時(shí)間退化狀態(tài)評(píng)估。前兩種評(píng)估模式樣本采樣時(shí)間短，處于單一退化狀態(tài)。此時(shí)計(jì)算待測(cè)數(shù)據(jù)的間歇故障廣義強(qiáng)度，將其輸入到訓(xùn)練好的狀態(tài)分類(lèi)器中，計(jì)算模型的概率P(O|λi)，其最大后驗(yàn)概率值即為該樣本的當(dāng)前退化狀態(tài)。同一狀態(tài)下多樣本狀態(tài)評(píng)估是為了電連接器在同一使用狀態(tài)下的多個(gè)樣本同時(shí)識(shí)別其狀態(tài)設(shè)置的。長(zhǎng)時(shí)間退化狀態(tài)評(píng)估直觀顯示了時(shí)間退化過(guò)程。此時(shí)需要將待測(cè)樣本根據(jù)其采樣時(shí)間可變地分為多個(gè)樣本區(qū)間，分別對(duì)單個(gè)區(qū)間計(jì)算間歇故障廣義強(qiáng)度，再導(dǎo)入狀態(tài)分類(lèi)器進(jìn)行狀態(tài)識(shí)別。在這種模式下能夠更直觀地看到裝備隨時(shí)間的退化狀態(tài)變化趨勢(shì)。

3.4 故障預(yù)測(cè)模塊

故障預(yù)測(cè)模塊是根據(jù)待測(cè)數(shù)據(jù)的當(dāng)前退化狀態(tài)，對(duì)其剩余使用壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，對(duì)航空電連接器的使用達(dá)到預(yù)警的作用，避免其服役至接近使用壽命，出現(xiàn)永久性故障。故障預(yù)測(cè)模塊步驟如圖8所示。

圖8 故障預(yù)測(cè)步驟

首先根據(jù)全壽命故障觀測(cè)序列提取間歇故障廣義強(qiáng)度特征，利用參數(shù)重估算法確定各個(gè)使用狀態(tài)的均值和方差，并計(jì)算每個(gè)退化狀態(tài)的駐留時(shí)間，再結(jié)合待測(cè)樣本數(shù)據(jù)的當(dāng)前使用狀態(tài)hi，計(jì)算剩余使用壽命。

剩余使用壽命區(qū)間計(jì)算過(guò)程如下。

首先計(jì)算每個(gè)退化狀態(tài)的駐留時(shí)間[13]：

D(hi)=μ(hi)+ρσ2(hi)

(4)

式中，μ,σ2為駐留時(shí)間的均值和方差。

(5)

假設(shè)電連接器當(dāng)前狀態(tài)為i，RULi表示當(dāng)前時(shí)刻的剩余壽命區(qū)間，計(jì)算式為

(6)

其中，

(7)

(8)

4 軟件實(shí)現(xiàn)與案例驗(yàn)證

4.1 軟件實(shí)現(xiàn)

由于Matlab具有高效的模型訓(xùn)練和模式識(shí)別計(jì)算能力，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了基于Matlab的航空電連接器間歇故障狀態(tài)評(píng)估與故障預(yù)測(cè)軟件，軟件界面如圖9所示。

圖9 軟件界面示例

4.2 案例驗(yàn)證

(1) 特征提取。

為了驗(yàn)證軟件的可行性，對(duì)故障預(yù)測(cè)方法進(jìn)行驗(yàn)證，針對(duì)航空電連接器的退化過(guò)程進(jìn)行了恒加振動(dòng)應(yīng)力間歇故障加速?gòu)?fù)現(xiàn)試驗(yàn)，對(duì)電連接器進(jìn)行了不同程度的磨損來(lái)模擬不同退化狀態(tài)，通過(guò)測(cè)量接觸電阻采集全周期壽命數(shù)據(jù)。所使用的航空電連接器、試驗(yàn)原理與試驗(yàn)平臺(tái)如圖10～圖12所示。

圖10 航空電連接器實(shí)物圖

圖11 試驗(yàn)原理圖

圖12 振動(dòng)平臺(tái)及試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖

通過(guò)試驗(yàn)采集到電連接器的接觸電阻數(shù)據(jù)，通過(guò)本軟件進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估與故障診斷驗(yàn)證。將樣本數(shù)據(jù)導(dǎo)入特征提取模塊，當(dāng)接觸電阻大于10 Ω且持續(xù)時(shí)間在[100 ns，5 ms]時(shí)視為發(fā)生間歇故障[9]。按照?qǐng)D5步驟，提取間歇故障數(shù)據(jù)的幅值和時(shí)長(zhǎng)，計(jì)算間歇故障廣義強(qiáng)度特征，作為模型訓(xùn)練的基礎(chǔ)。

(2) 模型訓(xùn)練。

在確定退化狀態(tài)數(shù)量上，根據(jù)電連接器全壽命周期數(shù)據(jù)，劃分為5個(gè)狀態(tài)等級(jí)，分別為正常狀態(tài)、輕度損傷狀態(tài)、中度損傷狀態(tài)、重度損傷狀態(tài)和永久故障狀態(tài)。

導(dǎo)入不同退化狀態(tài)下的多個(gè)電連接器試驗(yàn)數(shù)據(jù)，提取各個(gè)樣本的間歇故障歸一化廣義強(qiáng)度用于模型訓(xùn)練，最后進(jìn)行狀態(tài)分類(lèi)器訓(xùn)練。如圖13所示，訓(xùn)練完成了5個(gè)狀態(tài)分類(lèi)器，分別對(duì)應(yīng)5個(gè)退化狀態(tài)等級(jí)。

圖13 模型訓(xùn)練

(3) 狀態(tài)評(píng)估。

① 單個(gè)采樣點(diǎn)狀態(tài)評(píng)估。

針對(duì)單個(gè)采樣點(diǎn)，導(dǎo)入數(shù)據(jù)后分別顯示波形圖和超過(guò)故障閾值的故障點(diǎn)。將待測(cè)點(diǎn)的廣義強(qiáng)度輸入到狀態(tài)分類(lèi)器中進(jìn)行狀態(tài)識(shí)別，識(shí)別完成后顯示在下方的坐標(biāo)軸中，如圖14所示。

圖14 單一采樣點(diǎn)狀態(tài)評(píng)估

該待測(cè)數(shù)據(jù)的歸一化廣義強(qiáng)度值為0.038839，識(shí)別當(dāng)前狀態(tài)為輕度損傷狀態(tài)，與實(shí)際狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比，評(píng)估正確。

② 同一狀態(tài)下多采樣點(diǎn)狀態(tài)評(píng)估。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，就算在同一運(yùn)行工況、相同退化狀態(tài)下的數(shù)據(jù)有較大的波動(dòng)，因此為了獲得更完整的全壽命周期數(shù)據(jù)，也為了對(duì)同一狀態(tài)下采集多個(gè)樣本，因此對(duì)多個(gè)電連接器進(jìn)行了加速振動(dòng)試驗(yàn)。在該模式下，同時(shí)導(dǎo)入多個(gè)數(shù)據(jù)，左方坐標(biāo)軸內(nèi)顯示多測(cè)試樣本的歸一化廣義強(qiáng)度值，右方坐標(biāo)軸顯示的概率值最大的狀態(tài)即為當(dāng)前識(shí)別狀態(tài)，如圖15所示。

圖15 多采樣點(diǎn)狀態(tài)評(píng)估

測(cè)試中導(dǎo)入了同一退化狀態(tài)(輕度損傷狀態(tài))下的10個(gè)樣本進(jìn)行測(cè)試，評(píng)估結(jié)果中除第2個(gè)樣本評(píng)估為正常狀態(tài)產(chǎn)生錯(cuò)誤外，其余均為輕度損傷狀態(tài)，評(píng)估結(jié)果較為滿(mǎn)意。

③ 長(zhǎng)時(shí)間退化狀態(tài)評(píng)估。

在此界面可以更直觀地觀察到電連接器隨時(shí)間的退化狀態(tài)，因此輸入數(shù)據(jù)為較長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)控結(jié)果。用恒加振動(dòng)應(yīng)力加速電連接器退化過(guò)程，振動(dòng)時(shí)間為30 min。導(dǎo)入長(zhǎng)時(shí)間采樣樣本，如圖16所示，左邊顯示數(shù)據(jù)的時(shí)域波形，右邊可以較為直觀地看到電連接器使用狀態(tài)隨時(shí)間的退化趨勢(shì)。

圖16 長(zhǎng)時(shí)間退化狀態(tài)評(píng)估

該連接器經(jīng)歷了正常狀態(tài)、輕度損傷狀態(tài)和中度損傷狀態(tài)，與實(shí)際退化情況吻合。并且可以看到，退化趨勢(shì)表現(xiàn)出了較大的波動(dòng)性，這正是因?yàn)殚g歇故障有較強(qiáng)的隨機(jī)性，但總體上電連接器狀態(tài)是隨時(shí)間不斷惡化的。

(4) 故障預(yù)測(cè)。

故障預(yù)測(cè)需要根據(jù)計(jì)算出的不同退化狀態(tài)的駐留時(shí)間、均值和方差，結(jié)合測(cè)試樣本當(dāng)前的退化狀態(tài)，給出當(dāng)前的剩余使用壽命區(qū)間預(yù)測(cè)值。

導(dǎo)入全壽命周期數(shù)據(jù)，由式(4)、式(5)計(jì)算各個(gè)使用狀態(tài)的均值、方差和駐留時(shí)間，顯示在表格中。導(dǎo)入測(cè)試樣本，由當(dāng)前退化狀態(tài)和式(6)～式(8)計(jì)算出預(yù)測(cè)的剩余使用壽命區(qū)間，如圖17所示。

圖17 剩余使用壽命預(yù)測(cè)

從正常狀態(tài)，輕度、中度和重度損傷狀態(tài)中選取12個(gè)電連接器數(shù)據(jù)，振動(dòng)加速其退化過(guò)程至發(fā)生永久故障，記錄其實(shí)際剩余壽命，與預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。若實(shí)際剩余壽命在預(yù)測(cè)區(qū)間內(nèi)，則可以認(rèn)為預(yù)測(cè)正確。這12個(gè)樣本的實(shí)際與預(yù)測(cè)結(jié)果如表1所示。

表1 剩余使用壽命預(yù)測(cè)

從表1可以看出，有2個(gè)樣本實(shí)際剩余使用壽命不在預(yù)測(cè)區(qū)間內(nèi)，預(yù)測(cè)錯(cuò)誤，剩余10個(gè)樣本預(yù)測(cè)正確。造成錯(cuò)誤的原因可能有以下兩點(diǎn)：① 退化狀態(tài)劃分不夠細(xì)致，預(yù)測(cè)錯(cuò)誤的樣本實(shí)際剩余壽命在區(qū)間上下限附近；② 剩余壽命預(yù)測(cè)模型精度有待提高，本算法是根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)計(jì)算出預(yù)測(cè)區(qū)間，因此同一個(gè)退化狀態(tài)的預(yù)測(cè)區(qū)間相同，不能細(xì)致地根據(jù)同一個(gè)狀態(tài)下不同退化過(guò)程進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)精度有待提高。但是總的來(lái)說(shuō)，本算法基本實(shí)現(xiàn)了故障預(yù)測(cè)功能，驗(yàn)證了該評(píng)估方法的可行性。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文著眼于航空電連接器，基于間歇故障特征分析，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了間歇故障狀態(tài)評(píng)估與故障預(yù)測(cè)軟件，并進(jìn)行了案例驗(yàn)證。結(jié)果表明，基于間歇故障廣義強(qiáng)度特征的狀態(tài)評(píng)估有較強(qiáng)的適用性，評(píng)估和故障預(yù)測(cè)效果較好，軟件填補(bǔ)了航空電連接器在間歇故障上評(píng)估與預(yù)測(cè)工程應(yīng)用上的空白，為無(wú)明顯故障征兆的航空電連接器狀態(tài)評(píng)估與故障預(yù)測(cè)提供了依據(jù)。軟件顯示直觀、操作簡(jiǎn)單，并且可推廣到其他與惡劣的使用環(huán)境密切相關(guān)、受間歇故障困擾而無(wú)明顯征兆的電子器件上，有較廣泛的工程應(yīng)用價(jià)值。