基于共詞分析的航空發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)失效案例研究

鄧姝娟， 王衛(wèi)澤， 張 英， 張成成， 涂善東

（1. 華東理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200237；2. 中國航發(fā)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，上海 200241）

航空發(fā)動(dòng)機(jī)被譽(yù)為飛機(jī)制造業(yè)“皇冠上的明珠”，是具有高度復(fù)雜性的動(dòng)力裝置，作為航空飛行器的核心部分，直接影響飛機(jī)的安全運(yùn)行。它的發(fā)展可以帶動(dòng)機(jī)械、材料、能源、計(jì)算機(jī)等多產(chǎn)業(yè)和多學(xué)科共同發(fā)展，對(duì)國家的經(jīng)濟(jì)和科技發(fā)展具有巨大的推動(dòng)作用。航空發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的工況復(fù)雜，在惡劣條件下服役時(shí)，往往容易發(fā)生故障。在1982～1996 年，航空發(fā)動(dòng)機(jī)故障造成的事故約占飛機(jī)總事故的43%，其中結(jié)構(gòu)故障約占航空發(fā)動(dòng)機(jī)故障的50%；在1998～2003 年，航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)故障造成的事故約占飛機(jī)總事故的50%[1]。我國多年來仿制、改進(jìn)和自主研發(fā)的幾十種航空發(fā)動(dòng)機(jī)幾乎都發(fā)生過葉片斷裂故障，約占航空發(fā)動(dòng)機(jī)故障的45%[1-3]。因此，開展航空發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)失效分析的研究，可以為航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)維修和安全運(yùn)行提供重要參考。

共詞分析法作為一種有效的文本數(shù)據(jù)技術(shù)，是利用文獻(xiàn)集中詞匯對(duì)或名詞短語共同出現(xiàn)的情況，確定該文獻(xiàn)各集中主題之間的關(guān)系。通過主題詞兩兩之間在同一篇文獻(xiàn)出現(xiàn)的頻率，即主題詞之間的共現(xiàn)關(guān)系，便可形成由這些詞匯對(duì)關(guān)聯(lián)所組成的共詞網(wǎng)絡(luò)[4]。結(jié)合聚類分析、多維尺度分析（Multidimensional Scaling, MDS）、因子分析等多元統(tǒng)計(jì)方法，對(duì)反映文獻(xiàn)集主要內(nèi)容的詞匯進(jìn)行分類，可以歸納出研究領(lǐng)域的主題[5]。國內(nèi)外學(xué)者利用多元統(tǒng)計(jì)分析方法，從不同切入點(diǎn)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)失效數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析及研究。在自動(dòng)化挖掘工具和現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，用計(jì)量統(tǒng)計(jì)的方法進(jìn)行誤碼率診斷，降低了航空公司的事故率[6]。多種信息分析及數(shù)據(jù)處理技術(shù)被廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)等的故障診斷及預(yù)測(cè)中，聚類分析是其中常見的分類方法之一。王有遠(yuǎn)等[7]采用模糊聚類理論對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及維修數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類，提出了一種基于模糊聚類的航空發(fā)動(dòng)機(jī)故障預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)挖掘模型，通過分析航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行故障預(yù)測(cè)。王銀坤等[8]針對(duì)FJ44 發(fā)動(dòng)機(jī)，通過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行和故障時(shí)數(shù)據(jù)的收集和整理，運(yùn)用灰色聚類的分析方法，探析了FJ44 發(fā)動(dòng)機(jī)常見故障的診斷技術(shù)。辜振譜等[9]提出一種基于馬氏距離的自動(dòng)搜索發(fā)現(xiàn)密度峰值聚類的改進(jìn)算法，相比K 均值(Kmeans)聚類和模糊C 均值聚類，可以更加有效地應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子故障診斷。亦有研究將多元統(tǒng)計(jì)分析方法運(yùn)用于特定航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件的失效分析中，以獲得規(guī)律性結(jié)論。舒暢等[10]對(duì)某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片外物損傷數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，揭示出了損傷類型、缺口尺寸和位置沿壓氣機(jī)軸向和徑向的分布規(guī)律，并對(duì)缺口寬度與深度尺寸采用K 均值(K-means)聚類分析進(jìn)行了分類。曹惠玲等[11]運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分析方法，確定了高壓渦輪轉(zhuǎn)葉前緣涂層脫落失效分布模型。針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)失效案例分析的相關(guān)研究中，更多地應(yīng)用了理論研究或傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)分析，基于共詞分析并與多元統(tǒng)計(jì)方法相結(jié)合的研究暫未得到廣泛應(yīng)用。

本文擬采用共詞分析法進(jìn)行文本數(shù)據(jù)處理，結(jié)合因子分析、聚類分析和多維尺度分析3 種多元統(tǒng)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)失效領(lǐng)域重要主題詞的分類及結(jié)果可視化。

1 數(shù)據(jù)處理

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文的失效案例選自研究室自主建立的失效數(shù)據(jù)庫?失效分析專家網(wǎng)站（www.failureanalysis-ecust.com）[12]，選取失效數(shù)據(jù)庫中收錄的航空發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)相關(guān)失效案例共93 篇，利用傳統(tǒng)定量統(tǒng)計(jì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)失效設(shè)備進(jìn)行初步分類。結(jié)果表明發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的失效部件主要集中在葉盤、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)和其他附件這3 類，其中葉盤類失效占比最大，占統(tǒng)計(jì)總數(shù)的49%，機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)失效占25%，其他附件失效占26%。

1.2 關(guān)鍵詞抽取

采用Jieba 分詞器并結(jié)合自行建立的整體分詞詞典、同義詞詞典和停用詞詞典將文本進(jìn)行分詞預(yù)處理。然后利用關(guān)鍵詞分配的方法，將分詞后的文章與構(gòu)建的關(guān)鍵詞詞典進(jìn)行匹配，得到每篇失效文本的關(guān)鍵詞。通過構(gòu)建同義詞詞典并與關(guān)鍵詞匹配盡可能地降低了特定表達(dá)方式對(duì)共詞分析結(jié)果的影響。

1.3 構(gòu)建矩陣

統(tǒng)計(jì)每對(duì)關(guān)鍵詞的共詞詞頻，匯總共詞詞頻不小于1 的關(guān)鍵詞，重復(fù)至整個(gè)案例集合中的所有文本都統(tǒng)計(jì)完畢，形成共詞矩陣[13]。采用Cosine 系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化算法，利用Matlab 軟件將共詞矩陣分別轉(zhuǎn)化為相似矩陣，并根據(jù)相異矩陣=1?相似矩陣得到對(duì)應(yīng)的相異矩陣[14-16]，以適應(yīng)不同的統(tǒng)計(jì)方法對(duì)數(shù)據(jù)的要求。如表1、表2 所示，分別為葉盤類關(guān)鍵詞的相似矩陣和相異矩陣；表3、表4、表5 分別為葉盤、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)、其他附件的失效關(guān)鍵詞。

表2 葉盤失效相異矩陣（部分）Table 2 Dissimilar matrix of blade and wheel disc failure (Part)

表3 葉盤失效關(guān)鍵詞Table 3 Failure keywords of blade and wheel disc

表4 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)失效關(guān)鍵詞Table 4 Failure keywords of mechanical transmission system

2 航空發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)失效案例的共詞分析

2.1 因子分析

利用SPSS(Statistical Product and Service Solutions)軟件對(duì)關(guān)鍵詞的共詞矩陣進(jìn)行因子分析。將標(biāo)準(zhǔn)化后的相似矩陣數(shù)據(jù)導(dǎo)入SPSS，采用主成分分析法（Principal Component Analysis, PCA）進(jìn)行因子分析，分析得到總方差解釋表（表6）與碎石圖（圖1）。表6 按照特征值從大到小排列，列出了部分主成分。當(dāng)有7 個(gè)因子被提取時(shí)，累計(jì)方差解釋貢獻(xiàn)率為89.663%。根據(jù)“特征值大于1”和“累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到85%以上”的原則[17]，進(jìn)行聚類分析時(shí)，可將葉盤失效研究的高頻關(guān)鍵詞分為7 個(gè)類團(tuán)。結(jié)合圖1 的碎石圖驗(yàn)證，可知這樣分類是較為合理的。

圖1 葉盤類因子分析碎石圖Fig. 1 Scree plot of factor analysis of blade and wheel disc

表6 葉盤類因子分析總方差解釋表Table 6 Explanatory table of total variance of factor analysis of blade and wheel disc

以相同的方法及步驟，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)及其他附件兩類文本進(jìn)行因子分析。結(jié)合總方差解釋表與碎石圖結(jié)果，機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的失效關(guān)鍵詞可被分為11 個(gè)類團(tuán)，如表7 所示其樣本總方差解釋為96.176%；其他附件的失效關(guān)鍵詞可被分為10 個(gè)類團(tuán)，如表8 所示，其樣本總方差解釋為92.345%。

表7 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)因子分析總方差解釋表Table 7 Explanatory table of total variance of factor analysis of mechanical transmission system

表8 其他附件因子分析總方差解釋表Table 8 Explanatory table of total variance of factor analysis of other accessory equipment

2.2 聚類分析

利用SPSS 軟件，以歐氏距離（Euclidean Distance）作為度量標(biāo)準(zhǔn)[17]，采用聚類分析中最常用的系統(tǒng)聚類法進(jìn)行聚類分析，輸出葉盤失效分析的聚類樹狀圖如圖2 所示。結(jié)合因子分析的結(jié)果，通過關(guān)鍵詞的直觀理論分析，確定7 類葉盤失效的關(guān)鍵詞：（1）異物撞擊等機(jī)械損傷；（2）疲勞斷裂失效；（3）高低周復(fù)合疲勞失效及零件的微動(dòng)磨損；（4）葉片涂層惡化或結(jié)構(gòu)劣化；（5）高溫下的熱損傷及熱腐蝕；（6）點(diǎn)蝕等局部腐蝕；（7）高溫下蠕變損傷及材料缺陷引起的失效。

2.3 考慮自相關(guān)性與否的聚類效果對(duì)比

共現(xiàn)矩陣預(yù)處理的爭(zhēng)論焦點(diǎn)之一是對(duì)角線元素的取值[5]。自相關(guān)性是對(duì)象的關(guān)鍵性特征之一，對(duì)角線元素的取值會(huì)對(duì)后續(xù)的聚類分析結(jié)果產(chǎn)生影響。本文采取兩種不同的對(duì)角線元素取值，對(duì)比了考慮自相關(guān)性與否的聚類分析效果。一種是取對(duì)角線元素全部為0，另一種是取對(duì)角線元素所屬行或列的最大值加1[18]。

將未考慮自相關(guān)性時(shí)標(biāo)準(zhǔn)化處理后的相關(guān)矩陣導(dǎo)入SPSS 中進(jìn)行系統(tǒng)聚類，得到的樹狀圖如圖3 所示。如表9 所示，結(jié)合因子分析結(jié)果，可將其分為8 類，此時(shí)未考慮自相關(guān)性的總方差解釋度已高達(dá)95.772%，但對(duì)比圖2 考慮自相關(guān)性時(shí)的聚類結(jié)果，前者聚類效果明顯不佳。未考慮自相關(guān)性時(shí)，關(guān)鍵詞之間相似度明顯降低，類團(tuán)的中心概念也不清晰，甚至概念明顯相關(guān)的關(guān)鍵詞卻較為離散，分類較混亂。可見，對(duì)角線元素的取值會(huì)對(duì)聚類結(jié)果產(chǎn)生很大的影響，因此建議進(jìn)行共詞分析時(shí)應(yīng)研究是否需要考慮自相關(guān)性，以提高數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確度。本研究結(jié)果表明考慮對(duì)角線元素自相關(guān)性的數(shù)據(jù)預(yù)處理更為合理。因此，后續(xù)聚類分析均基于考慮對(duì)角線元素的自相關(guān)性，共詞矩陣對(duì)角線元素的取值為所屬行/列的最大值加1。

表9 葉盤類因子分析總方差解釋表（未考慮自相關(guān)性）Table 9 Explanatory table of total variance of factor analysis of blade and wheel disc(without considering autocorrelation)

圖2 葉盤失效分析的聚類樹狀圖Fig. 2 Dendrogram of failure analysis of blade and wheel disc

圖3 未考慮自相關(guān)性的葉盤聚類樹狀圖Fig. 3 Dendrogram of blade and wheel disc without considering autocorrelation

2.4 多維尺度分析

將關(guān)鍵詞相異矩陣導(dǎo)入SPSS 軟件，進(jìn)行多維尺度分析（Multidimensional Scaling, MDS），實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)鍵詞相似度的結(jié)果可視化[19]，結(jié)合因子分析和聚類分析的結(jié)果，葉盤、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)和其他附件失效關(guān)鍵詞的MDS 圖分別如圖4、5、6 所示。在MDS 分析結(jié)果中，失效關(guān)鍵詞以點(diǎn)狀分布，各點(diǎn)之間的平面距離直觀可見，平面距離可以反映出關(guān)鍵詞之間的相似度[20]。

如圖4 所示，位于坐標(biāo)系中心的核心類團(tuán)是疲勞斷裂失效，說明這類失效形式是葉片及輪盤最常見的失效形式；其次，距離坐標(biāo)原點(diǎn)較近的是高溫下蠕變損傷及材料缺陷引起的失效、高溫下的熱損傷及熱腐蝕這兩類失效形式；緊接著是異物撞擊等機(jī)械損傷、高低周復(fù)合疲勞失效及零件的微動(dòng)磨損這兩種失效形式；最邊緣化的失效形式是點(diǎn)蝕等局部腐蝕、葉片涂層惡化或結(jié)構(gòu)劣化。王冠超[21]的研究表明航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片故障占相當(dāng)大的比例，據(jù)統(tǒng)計(jì)振動(dòng)故障率占發(fā)動(dòng)機(jī)中總故障率的60%以上，而葉片故障又占振動(dòng)故障的70%以上。常見的故障現(xiàn)象有：外來物損傷、強(qiáng)度不足和高低周疲勞損傷，其中以疲勞損傷為多。本文的分析結(jié)果與其吻合，且對(duì)失效機(jī)理的分析更具體、全面，并通過MDS 結(jié)果分析出了不同失效形式發(fā)生的頻率高低。

圖4 葉盤失效關(guān)鍵詞的MDS 分析圖Fig. 4 MDS analysis chart of failure keywords of blade and wheel disc

如圖5 所示，機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的核心失效形式是不同形式的疲勞斷裂失效、表面接觸疲勞失效及局部腐蝕這兩類。如圖6 所示，其他附件的核心失效形式是不同形式的疲勞斷裂失效。王冠超[21]提出航空發(fā)動(dòng)機(jī)的常見故障現(xiàn)象主要包括腐蝕和疲勞兩種，兩種故障現(xiàn)象之間是相互影響的，在發(fā)動(dòng)機(jī)受到腐蝕的作用下，會(huì)加劇零部件疲勞，由此導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)失效，并指出航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件疲勞是比較常見的故障形式。本文基于聚類分析和MDS 分析得到的結(jié)果與其吻合。

圖5 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)失效關(guān)鍵詞的MDS 分析圖Fig. 5 MDS analysis chart of failure keywords of mechanical transmission system

圖6 其他附件失效關(guān)鍵詞的MDS 分析圖Fig. 6 MDS analysis chart of failure keywords of other accessory equipment

實(shí)際應(yīng)用中，檢測(cè)故障時(shí)若初步發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵詞中的一個(gè)或少量幾個(gè)，可以結(jié)合失效關(guān)鍵詞的MDS 圖和設(shè)備的運(yùn)行工況分析，尋找相似度高的關(guān)鍵詞，結(jié)合聚類分析的分類結(jié)果來預(yù)判可能發(fā)生的失效形式，更快速地檢測(cè)到失效原因和提出維修防護(hù)措施。

3 航空發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的失效分析結(jié)果

已有研究對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的故障模式進(jìn)行了分類[22]，主要包括穩(wěn)定類故障、磨損故障和疲勞故障、氣路故障（主要有氣路部件故障、附件故障、轉(zhuǎn)子機(jī)械故障等）、振動(dòng)故障、控制系統(tǒng)故障、熄火故障和軸承故障。本文研究的葉盤、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)、其他附件涵蓋了以上主要的故障設(shè)備，并對(duì)常見失效形式和具體失效機(jī)理進(jìn)行了分析。

3.1 葉盤的失效分析結(jié)果

航空發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子作為一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械，其上的葉片和固定葉片的輪盤是關(guān)鍵件，葉盤部分的結(jié)構(gòu)和受力都極其復(fù)雜。葉盤是航空發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)最主要的失效部件，主要集中在渦輪、壓氣機(jī)、風(fēng)扇這3 類設(shè)備。壓氣機(jī)葉片還受發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道外來物的沖擊，受風(fēng)沙、潮濕的侵蝕；渦輪葉片受燃?xì)獾母g和高溫?zé)釕?yīng)力等[21]。根據(jù)共詞分析的結(jié)果，將葉盤失效研究歸納為以下7 類：（1）異物撞擊等機(jī)械損傷；（2）疲勞斷裂失效（以高周疲勞為主，常與機(jī)械性能異常和生產(chǎn)缺陷有關(guān)，如過載、循環(huán)交變載荷、機(jī)械加工痕跡、摩擦、應(yīng)力集中等）；（3）高低周復(fù)合疲勞失效及零件的微動(dòng)磨損；（4）葉片涂層惡化或結(jié)構(gòu)劣化；（5）高溫下的熱損傷及熱腐蝕；（6）點(diǎn)蝕等局部腐蝕；（7）高溫下蠕變損傷及材料缺陷引起的失效（失效源包括蠕變產(chǎn)生的孔洞缺陷、腐蝕或局部氧化缺陷、鍛造缺陷、再結(jié)晶等異常顯微組織）。

對(duì)于渦輪的失效分析，謝廣平等[23]研究表明基于蠕變和熱循環(huán)的綜合考慮，航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的失效形式主要有疲勞、蠕變、磨蝕、氧化、涂層惡化、過熱引起的表面退化、腐蝕等。對(duì)于壓氣機(jī)的失效分析，傅國如等[24]研究表明壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片常見的失效模式有斷裂失效和非斷裂失效。斷裂失效可分為疲勞斷裂失效和過載斷裂失效；非斷裂失效包括變形失效和腐蝕失效。引起葉片失效的原因包括共振、外來物打傷、腐蝕、材質(zhì)缺陷、微動(dòng)磨損等。本文的研究結(jié)果不僅同時(shí)涵蓋了以上失效形式和具體的失效原因，且分類更加合理與精準(zhǔn)。

3.2 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的失效分析結(jié)果

航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械傳動(dòng)性能的好壞直接影響到軸系的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，進(jìn)而影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，主要包含軸承、軸承保持架、軸承滾珠等軸承相關(guān)零件以及齒輪等部件。根據(jù)共詞分析的結(jié)果，將機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的失效形式歸納為以下6 類：（1）表面接觸疲勞損傷及局部腐蝕（第1 類及第10 類團(tuán)的點(diǎn)蝕、剝落、摩擦等均為典型現(xiàn)象）；（2）不同形式的疲勞斷裂失效（第2 類團(tuán)代表的軸類典型疲勞斷裂，第3 類團(tuán)代表的選材、設(shè)計(jì)或維修工藝不當(dāng)、材料夾雜、機(jī)械加工痕跡等引起的高周疲勞，第5 類團(tuán)代表的彎扭復(fù)合疲勞失效及零件的微動(dòng)磨損如軸承保持架鉚釘、調(diào)速器惰輪等，第6 類團(tuán)代表的共振引起的扭轉(zhuǎn)疲勞如花鍵軸；第7 類團(tuán)代表的設(shè)計(jì)不合理、異常載荷等造成的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞）；（3）制造或維修工藝不當(dāng)引起的傳動(dòng)齒輪斷裂（如表面硬化不當(dāng)?shù)龋唬?）異常沖擊等引起的過載失效（如軸承保持架、軸承滾珠等）；（5）磨損失效（失效機(jī)理包括黏著磨損失效和磨粒磨損失效

等，失效原因一般有配合面磨損、潤(rùn)滑不良引起的劃傷擦傷、摩擦氧化、打滑損傷、電弧破壞等）；（6）高溫下的熱損傷（具體包括過熱過燒、受熱變色等現(xiàn)象）。

在對(duì)軸承的失效分析中，劉德林等[25]依據(jù)國標(biāo)將滾動(dòng)軸承的失效模式分為6 大類，即滾動(dòng)接觸疲勞、斷裂和開裂、磨損、腐蝕、塑性變形和電蝕?？椎慢埖萚26]提出發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承的損傷模式主要有剝落、微粒引起的損傷、壓延印痕、工作表面或次表面夾雜物引起的損傷、打滑蹭傷、引導(dǎo)面和非工作面磨損、接觸腐蝕、斷裂、軸承元件尺寸不穩(wěn)定及變色等。本文的分析結(jié)果不僅包含了以上研究中典型的失效形式，還提出了含軸承在內(nèi)的整個(gè)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)常見的失效形式及一般的失效機(jī)理。

3.3 其他附件的失效分析結(jié)果

發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)附件裝置所包含的組件雜多，不同組件的工況環(huán)境有所差異，引起失效的原因也更具有針對(duì)性。這類設(shè)備涵蓋的范圍較廣，包括燃燒室、液壓管道系統(tǒng)、輸油系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、空氣散熱器、作動(dòng)筒、汽缸、氣瓶、輔助電力裝置等在內(nèi)的多種組件。

根據(jù)共詞分析的結(jié)果，其他附件的失效形式主要?dú)w為以下8 類：（1）不同形式的疲勞斷裂失效（第1 類團(tuán)代表應(yīng)力集中引起的疲勞斷裂失效，常發(fā)生在液壓管線、燃油管、引氣管卡箍等不同管道系統(tǒng)構(gòu)件中，存在機(jī)械加工痕跡、扭結(jié)、外來損傷等的位置都可能成為應(yīng)力集中的部位；第3 類團(tuán)代表汽缸及零件等材料缺陷引起的疲勞失效，缺陷往往由制造或生產(chǎn)工藝不規(guī)范引起；第4 類團(tuán)代表高周疲勞失效，尤以焊接設(shè)計(jì)或工藝不達(dá)標(biāo)引起的這類失效最為突出）；（2）排氣系統(tǒng)管道的高溫表面損傷；（3）應(yīng)力腐蝕失效（典型的部件有發(fā)動(dòng)機(jī)作動(dòng)筒、發(fā)動(dòng)機(jī)連接放氣閥的夾緊螺栓、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口彈片、壓力信號(hào)器波紋管、輸油管道等，處于腐蝕性環(huán)境中的組件，尤其是材料耐腐蝕性較差時(shí)，在高應(yīng)力條件下便容易引起應(yīng)力腐蝕失效）；（4）燃燒器襯墊的熱疲勞失效；（5）過載引起的輪盤連接銷剪切斷裂失效；（6）滾焊缺陷引起的燃燒室殼體爆炸失效；（7）活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的挺桿體磨損失效；（8）氣瓶導(dǎo)管的腐蝕失效。

其他附件類含有的設(shè)備繁雜，失效形式的分類與設(shè)備之間的對(duì)應(yīng)性相比前兩類更強(qiáng)，因此與數(shù)據(jù)來源密切相關(guān)。采用不同的數(shù)據(jù)庫文本集得到的結(jié)果可能存在一定差異，但針對(duì)失效案例分析的共詞分析法同樣具有很好的適用性。

3.4 多元統(tǒng)計(jì)分析與傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)分析對(duì)比

傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)分析通過篩選案例文本的關(guān)鍵詞統(tǒng)計(jì)出失效設(shè)備、失效模式等信息來進(jìn)行定量統(tǒng)計(jì)，并以簡(jiǎn)單的餅圖形式展現(xiàn)分析結(jié)果。多元統(tǒng)計(jì)分析基于整個(gè)失效案例文本集，通過有效的文本挖掘技術(shù)?共詞分析的方法，提取出可表征具體失效機(jī)理的多個(gè)關(guān)鍵詞，借助因子分析、聚類分析及MDS 分析工具，將關(guān)鍵詞進(jìn)行分類，并對(duì)其之間的相似度進(jìn)行了可視化。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)失效形式的共詞分析結(jié)果與Lyv 等[27]研究中的傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果對(duì)比，失效形式的整體分析結(jié)果是基本吻合的，但基于共詞分析的多元統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果顯然更加完整和準(zhǔn)確。具體表現(xiàn)在：

（1）在傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)分析中，對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)僅定量統(tǒng)計(jì)了葉盤、軸承這兩類常見的失效部件，而本文以所有失效設(shè)備為樣本，劃分為葉盤、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)、其他附件這3 類并對(duì)其進(jìn)行了研究。

（2）以葉盤為例，傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果為：葉盤的疲勞破壞是發(fā)動(dòng)機(jī)失效的主要原因，其次是過熱失效，腐蝕、外來物打傷、材質(zhì)缺陷、磨損也是常見的失效模式[27]。本文通過共詞分析將葉盤失效詳細(xì)劃分為7 類：異物撞擊等機(jī)械損傷、疲勞斷裂失效、高低周復(fù)合疲勞失效及零件的微動(dòng)磨損、葉片涂層惡化或結(jié)構(gòu)劣化、高溫下的熱損傷及熱腐蝕、點(diǎn)蝕等局部腐蝕、高溫下蠕變損傷及材料缺陷引起的失效。進(jìn)一步對(duì)比機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的分析結(jié)果，可以看出，傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果中僅給出了軸承籠統(tǒng)的失效形式占比，而以疲勞斷裂失效為例，本文給出了確切的不同失效機(jī)理。整體看來，失效形式分析結(jié)果是基本吻合的，但傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)分析的結(jié)果僅僅停留在籠統(tǒng)的定量分析層面，對(duì)于實(shí)際工程應(yīng)用僅能指明大體的失效方向。本文的共詞分析結(jié)果不僅得到了航空發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)主要的故障形式，而且準(zhǔn)確詳細(xì)地歸納出了不同的失效機(jī)理，在實(shí)際工程應(yīng)用中，對(duì)故障檢測(cè)分析方法及維修方案的確定具有更精準(zhǔn)的指導(dǎo)意義和參考價(jià)值。

（3）此外，本文還通過MDS 分析對(duì)失效關(guān)鍵詞實(shí)現(xiàn)了直觀的相似度可視化，越靠近坐標(biāo)原點(diǎn)的類團(tuán)越核心，即對(duì)應(yīng)的失效形式發(fā)生的頻率越高。越靠近中心軸的關(guān)鍵詞越核心，便于實(shí)際應(yīng)用中技術(shù)人員更快速地根據(jù)關(guān)鍵詞發(fā)現(xiàn)故障設(shè)備的失效原因，更準(zhǔn)確地把握工作重點(diǎn)，更有效地確定防護(hù)方案。

綜上所述，本文采用的基于共詞分析的多元統(tǒng)計(jì)分析方法可以非常有效地應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)失效文本案例的分析。

4 結(jié) 論

本文以研究室失效數(shù)據(jù)庫中航空領(lǐng)域的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)失效案例作為研究對(duì)象，通過構(gòu)建關(guān)鍵詞詞典并提取其高頻關(guān)鍵詞，基于共詞分析方法進(jìn)行了文本數(shù)據(jù)挖掘。利用因子分析、聚類分析及多維尺度分析的方法，分別得出了航空發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的葉盤、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)及其他附件主要的故障形式及失效原因。研究發(fā)現(xiàn)對(duì)失效案例分析需要采用考慮自相關(guān)性的數(shù)據(jù)預(yù)處理方式。采用基于共詞分析的多元統(tǒng)計(jì)分析方法，與傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果基本吻合，且對(duì)不同設(shè)備失效機(jī)理的研究更加全面和準(zhǔn)確，可以有效應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)失效案例的分析。結(jié)合聚類分析結(jié)果和多維尺度圖，對(duì)這些服役過程中的常見故障，可以更準(zhǔn)確、快速地采取檢查手段進(jìn)行失效分析，找出失效原因和問題癥結(jié)，有效避免類似事件的再次發(fā)生，延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命，保障飛機(jī)的安全運(yùn)行。

這種方法可以進(jìn)一步拓寬到其他行業(yè)的失效案例分析中，如石油液化、交通運(yùn)輸、醫(yī)療器械等領(lǐng)域。通過建立所研究領(lǐng)域的失效文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫，采用共詞分析的方法可以有效地歸納對(duì)應(yīng)領(lǐng)域設(shè)備的主要失效形式，有利于避免類似事故的再次發(fā)生，延長(zhǎng)設(shè)備壽命。