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航空发动机滑油系统LRU级故障树建模与分析.pdf

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1、第4 8 卷第1期2024年1月doi:10.11832/j.issn.1000-4858.2024.01.021航空发动机滑油系统LRU级故障树建模与分析李哲,豆鹏飞,刘津宏”,王卓健(1.空军工程大学航空工程学院,陕西西安7 10 0 38;2.中国人民解放军95 0 92 部队,河南开封4 7 5 0 0 3;3.中国人民解放军95 4 7 8 部队,重庆4 0 132 9)摘要:滑油系统是航空发动机的关键系统之一,一旦发生故障,严重影响飞行安全。滑油系统结构复杂,排故难度较大。对滑油系统进行LRU级故障树建模和分析,能够为快速定位LRU级故障源提供指导性建议。根据滑油系统工作原理、组成

2、与运行特点,构建了以LRU级故障为底事件故障树模型,运用下行法求解故障树最小割集,采用不交化的最小割集表达式,计算滑油系统顶事件故障发生概率,以及滑油压力异常、油液污染、滑油消耗量大、滑油系统部件损坏等典型故障发生概率;在不交化最小割集矩阵中,与求顶事件概率相对应,分析LRU级故障树底事件概率重要度和相对概率重要度;通过概率重要度分析明确航空发动机滑油系统的易损部件,为日常维护与管理提供参考。关键词:滑油系统;LRU级故障树;概率重要度;相对概率重要度;航空发动机中图分类号:TH137;V263文献标志码:B文章编号:10 0 0-4 8 5 8(2 0 2 4)0 1-0 17 2-0 9L

3、RU Class Fault Tree Modeling and Analysis of AeroengineLI Zhe,DOU Peng-fei?,LIU Jin-hong,WANG Zhuo-jian(1.Aviation Engineering School,Air Force Engineering University,Xian,Shaanxi 710038;2.Unit 95092 of the PLA,Kaifeng,Henan 475003;3.Unit 95478 of the PLA,Chongqing 401329)Abstract:Lubricating oil sy

4、stem is one of the key systems of aero engine.Once faults occur,it seriously affectsflight safety.Structure of lubricating system is complex.Troubleshooting is difficult and fault obviation is moredifficult.Modeling and analysis of LRU level fault tree for lubricating system can provide guidance for

5、 quicklylocating LRU level fault source.According to the working principle,composition and operation characteristics of thelubricating system,a fault tree model based on LRU level fault is constructed.The minimum cut set of fault tree issolved by the downward method.The occurrence probability of top

6、 event fault of lubricating system and theoccurrence probability of typical faults such as abnormal oil pressure,oil pollution,large oil consumption anddamage of components are calculated based on the expression of disjoint minimum cut set.In the disjoint minimumcut set matrix,it is corresponding to

7、 the top event probability.Probability importance and relative probabilityimportance of LRU level fault tree bottom events are analyzed.Through probability importance analysis,thevulnerable parts of aero-engine lubricating oil system are defined,which provides reference for daily maintenanceand mana

8、gement.Key words:lubricating system,LRU class fault tree,probability importance,relative probability importance,aero-engine收稿日期:2 0 2 2-0 2-2 8作者简介:李哲(198 9一),男,河南新乡人,讲师,博士,主要研究方向为飞行安全与飞行保障。液压与气动Chinese Hydraulics&PneumaticsLubricating System修回日期:2 0 2 3-0 6-2 8Vol.48 No.1January.20242024 年第 1 期引言航空

9、发动机机械系统故障主要是由于摩擦副磨损积累到一定程度,导致部件失效引起的 。滑油系统为每个摩擦表面持续传输足够数量和适当黏度的滑油,形成循环,以减少直接接触零部件的磨损,对飞行安全至关重要 2 。据统计,某型航空发动机滑油系统故障数整机故障总数的13.1%,且滑油系统故障具有排除难度大,原因复杂的特点 3-4 。民航领域应用(L i n e R e p l a c e a b l e U n i t,L R U)理论已相对成熟,其在提高飞机维修性、可靠性、经济性等方面发挥了重要作用。随着军事训练改革的不断深入发展和航空武器装备的迅速更新换代,对机务保障工作提出了更高的要求,包括但不限于飞机出动

10、量增大、飞行日在场时间增加、装备维修时间缩短、跨昼夜飞行和大机群出动科目增多、作战装备使用频数显著增加、军用飞机三级维修机制向两级维修机制转换等方面要求。故障树分析法是装备设计和保障领域常用方法之一,目前外场保障工作中,多以直接更换LRU级元件为主要模式,因此结合故障树和LRU元件划分,构建LRU级的故障树能够有效提高保障效率。综合滑油系统设计、故障分析、故障树方法建模和现场可更换单元方面研究,分析如下:(1)滑油系统的研究和设计涉及到大量边沿学科,经典理论不足。魏立队等 5 建立了基于微凸峰接触理论和广义Reynolds方程的柴油机主轴承的润滑模型;李国权 6 归类阐述了滑油系统的发展现势,

11、描绘了滑油系统未来研制的目标发展方向;AIDARINIS J等 7 采用实验测量和流体动力学建模来预测流场变化情况,以优化轴承润滑和滑油冷却系统效率;闫星辉等 8 在MATLAB/Simulink下开发了通用仿真模块库并构建了全系统仿真模型;杨春信等 9 提出了换热器对环境散热量较大的问题,计算散热系统性能的新方法;马明明 10 运用神经网络,结合试飞的数据,构建滑油系统工作全过程的模型,实现了实时监控滑油参数趋向,建立确定影响滑油系统参数的方法;赵宏达等 研究调压活门,提高了滑油供油系统仿真计算流量、压力结果的精确性和真实性。目前国内外学者关于LRU级部件划分和部件重要度的研究理论较为成熟,

12、对于滑油系统的研究多注重于故障的原因分析、工厂或设计所维修和滑油系统设计的技术前沿,有关现场机务保障维修的相关研究较少。液压与气动(2)故障树分析(Fault Tree Analysis,FTA)是核电、武器、航天等领域复杂系统故障诊断和可靠性分析的重要分析方法。PALANISWAMYD等 12 基于FTA对消防系统进行了专家系统开发,提高了消防系统的安全性;姚成玉等 13 提出T-S动态故障树分析法;李民曦 14 开发了航空发动机故障诊断专家系统和知识库管理系统;汪进 15 针对核电站规模性故障数据的预处理,提出了基于改进型零压缩二元决策图的新型FTA方法;李彦锋 16 提出了基于贝叶斯网络

13、和模糊数学法的新动态系统可靠性分析法。利用故障树生成的较为直观的维护保障流程,深受机务保障人员欢迎,能够减轻人员工作强度,提高保障效率。(3)L R U 分析是一种模块思想。王卓健等 17-18 1提出一种针对高故障率的复杂LRU的可靠性评估仿真模型,设计了一种军用飞机LRU划分方案;王睿等 19 基于METRIC模型原理,建立了两级保障体制下的作战单元任务成功性评估模型;顾涛等 2 0 针对传统边际分析法求解多级备件库存模型解质量低的问题,提出两种改进差分进化算法。目前的外场维护工作中,多以LRU级部件更换为主要维修方式,因此将滑油系统的部件进行LRU划分,为故障树的建立提供支撑,以此提高保

14、障水平。(4)系统的可靠性取决于元件的可靠性。夏侯唐凡等 2 1 提出多状态系统重要度分析新方法;莫志军 2 2 提出针对航空发动机支轴承故障诊断的聚类分析方法;吴开贵等 2 3 提出了一种基于元件敏感度分析的可靠性计算方法。综合分析比较发现,有别于航空发动机系统设计时的元器件级可靠性分析,LRU级故障树的构建与分析对外场维护保障工作指导意义显著,且通过分析LRU级部件可靠性能够进一步为装备任务可靠性的工程设计及验证提供模型支撑和经验参考。1典型航空发动机滑油系统在发动机工作时,滑油系统不断向发动机的轴承和传动齿轮输送足够的干净滑油,起到润滑作用,减少磨损消耗,并带走接触摩擦产生的碎屑和热量。

15、某型发动机的滑油系统分为:供油、回油、通气和支点增压系统。此外滑油系统的信号器也是一个重要的组成部分。供油系统向各接触摩擦部件提供规定压力和数量的滑油;回油系统将经过轴承、附件机匣等位置进行润173174滑的滑油,抽回滑油箱,便于再次循环使用。通气系统将各轴承座滑油腔、发动机附件机厘、外置机匣和滑油箱内的滑油蒸汽排出机外,将渗透到各轴承座前滑油腔的滑油及滑油蒸汽排出机外,因此通气系统由滑油腔通气系统和前滑油腔通气系统两个子系统组成。支点增压系统由外涵道气源、高压压气机第七级气源、增压空气转换活门和转换活门工作信号器、导管组成。为发动机轴承空气挡油装置提供气源,并维持前滑油腔与滑油腔之间一定的压

16、力梯度。滑油系统信号器分为滑油压力传感器、滑油温度传感器、增压空气转换活门工作信号器、金属屑信号器组成,用于监测滑油系统工作,出现故障时及时向飞行员报告,并将故障信号记录在机载数据记录系统中。2典型故障与LRU级维修部件根据飞机故障信息数据,梳理某型航空发动机的典型故障类型、维修方式、维修更换元件,整理分析得出某型航空发动机典型故障和LRU级维修部件。外场LRU级故障维修保障中,采取直接更换故障机件的方式进行维修,突出如何快捷地进行现场的维修拆装。2.1滑油系统典型故障1)滑油消耗量大滑油系统中除发动机轴承腔外,其余部件均在发动机外部,因此这些部件及管路的漏油情况可通过目视检查直接判断。某型发

17、动机有前轴承腔、中轴承腔和后轴承腔共3个轴承腔,如果从轴承腔漏出滑油,则需对发动机进行分解检查,查看具体漏油情况,(1)附件机匣渗漏滑油。附件机中安装有起动机、液压泵、发电机等附件,外场定检和试车过程中,发现附件机匣部件渗漏滑油严重,壳体结合面及胶圈密封位置均出现渗漏滑油现象,经排查分析,故障原因可分为3类:一是零件加工质量较差,局部区域表面较为粗糙,密封效果下降;二是运输、装配的过程中零件表面严重磕碰,部分胶圈安装槽内的表面严重划伤;三是胶圈压缩量不足,极限情况下导致胶圈失去密封作用。(2)飞行中滑油消耗量大。某型发动机在飞行时滑油消耗量超标程度较为严重,更换主泵轴端密封皮碗后,情况有所改善

18、,但仍然超标。经分解检查,发现存在两处故障:一是附件机匣主泵传动齿轮轴处的皮碗损坏,其发生原因有两个:首先齿轮轴与皮碗配合方向不对,设计要求为4 5 方向,实际加工成轴向方向;液压与气动其次皮碗与轴配合处存在一个加工后的磕碰伤。二是4号轴承密封结构损坏,导致滑油漏出。2)滑油液污染航空发动机内部构件一旦发生机械磨损,其表面材料就会受损或脱落。成为金属屑进入滑油从而一起循环。其中部分碎屑黏附在过滤器、磁塞和金属屑信号装置上,其余较小碎屑继续悬浮在滑油中,进人轴承或齿轮间隙,导致发动机轴承和齿轮磨损。金属屑会导致滑油系统的温度、压力等异常,直接降低润滑性能,导致内部构件提前进入失效阶段,出现发动机

19、轴承爆轴、转速减小、喘振等严重危及飞机安全的故障。据统计,某型航空发动机在外场使用过程中,频繁出现滑油光谱Fe,A l元素含量超标问题,故障率相对较高。从发动机分解检查情况看,问题主要是由附件机匣磨损造成的,主要原因有附件机振动、工作温度对轴承与衬套间隙的影响、轴承衬套孔同轴度大、机匣刚性差、齿轮轴动不平衡量大等。3)滑油压力波动压差调压活门是通过感受供油压力和中轴承腔压力来保持喷嘴前后的压差,并稳定在一定值左右。如果压差调压活门卡滞会导致滑油供油压差异常,甚至飞机座舱报降转信号,产生事故征候,终止飞行任务的执行,因此滑油压差调压活门的稳定工作对确保发动机主轴承及传动部件的正常润滑及冷却有重要

20、作用。某型航空发动机多次由于压差调压活门卡滞引起滑油压差异常波动,该故障在传动润滑系统常有发生,影响了多架次飞行任务的执行,使发动机外场使用存在安全隐患,并造成重大经济损失。故障出现后,前期通过采用定检和机械日清洗调压活门、改善加工工艺、对零件尖边进行倒圆和抛光处理等系列方法,初步降低了故障频次,但压差波动仍然存在。进一步分析,压差调压活门除了受到供油压力和中轴承腔压力,加上弹簧力作用下,滑阀可以左右移动,使溢流孔的开度发生变化。对滑阀进行受力分析,滑阀受力平衡方程为:Fig=Fu+F.Fiua=PheStFu=PuS2F,=Kx式中,Fhg滑阀所受供油作用力,NF一一滑阀所受中轴承腔作用力,

21、N22第4 8 卷第1期(1)(2)(3)(4)2024 年第 1 期F滑阀所受弹簧作用力,NS一滑滑阀供油端受力面积,mmS.滑阀中轴端受力面积,mmPhg供油压力,MPaPu中轴承腔压力,MPaK一弹簧刚度,N/mm一弹簧压缩量,mm当供油管路和轴承腔压差值变大时,滑阀向打开方向移动,溢流孔面积增大,主管路滑油流量减小从而将压差降低至正常范围。当供油管路和轴承腔压差值减小时,滑阀向关闭方向移动,溢流孔面积减小,主管路滑油流量增加从而将压差增加至正常范围。当发动机停止工作时,滑阀在弹簧力作用下向关闭方向移动至极限位置,阀门完全关闭,阀门壳体与滑阀形成的密封面阻止了滑油由滑油箱流经阀门至轴承腔

22、流路的虹吸现象。2.2滑油系统LRU级维修部件航空发动机滑油系统LRU划分是基于飞机维修保障阶段快速排除、更换的故障部件和滑油系统功能层次结构的划分,最终实现滑油系统特定功能的部件装配。根据LRU的划分定义和实际工作开展,结合故障信息数据统计分析,某型航空发动机滑油系统LRU级维修元件组成如图1所示,包括滑油滤、飞附机厘、发附机匣、皮碗、调压活门、O形密封圈、金属屑信号器。LRU元件图1滑油系统LRU级维修元件Fig.1 Lubrication system LRU grade maintenancecomponents3LRU级故障树的构建将航空发动机滑油系统LRU级故障元件与故障树相结合,

23、通过故障现象分析故障原因,找出对应的LRU故障元件,画出故障树,从而确定滑油系统故障原因的各种可能组合方式和其发生概率。以直观的图形表述了滑油系统内在联系,层次清晰,既可进行定性液压与气动分析又可进行定量分析,通用可靠。通过整理分析故障信息,现规定顶事件滑油系统故障编号为A,故障树中间事件建模所需数据,如表1所示。表1故障树中间事件Tab.1Fault tree intermediate events编号M1M2M3M4M5N1N2N3N4N5N6利用统计的方法对滑油系统历史故障维修记录进行挖掘分析,得到故障树底部事件发生的概率。具体计算公式如下:滑油滤飞附机厘发附机厘皮碗调压活门O形密封圈金

24、属屑信号器175中间事件滑油系统漏油滑油液金属元素超标滑油系统压力异常滑油滤滤芯故障金属屑信号器故障铁(Fe)元素超标铜(Cu)元素超标铝(AI)元素超标滑油液压力下降滑油液压差下降滑油液压力脉动MTBFnMTBF指的是系统各部件的平均故障间隔时间,ti就是故障树底事件的第i次不发生故障的安全工作时间量。底事件故障发生概率是MTBF的倒数:1P=MTBF底事件名称和发生概率,如表2 所示。故障数据来源于飞机故障信息数据的主要记录汇总,其中包括故障时间、故障现象记录、故障原因、现场处理过程以及最终处理结果,结合案例和专家经验,参考已有的文献,初步得到各底事件的故障概率,综合考虑多种因素,进一步修

25、订统计数据,得出每个底事件故障概率。研究结果基于工程实践,具有一定的实用价值和科学性。(5)n(6)176Tab.2Fault tree bottom events and incidence编号底事件C10形密封圈断裂C2皮碗失效漏油C3GTS 密封失效C4飞附机匣齿轮磨损C5发附机厘齿轮磨损C6飞附机匣齿轮磨损C7发附机厘齿轮磨损C8调压活门故障C9滑油滤组件破损C10滑油泵组效能下降C11滑油滤组件效能下降C12调压活门弹簧力衰减C13滤芯磨损C14壳体裂纹液压与气动表2 故障树底事件和发生概率发生概率/10-2 .h-10.0490.0820.0330.0330.0490.0660.0

26、330.0980.0160.0490.0160.0160.0660.066第4 8 卷第1 期AM1M4M5M2N1N2图2 滑油系统LRU级故障树模型Fig.2 LRU-level fault tree model of lubricatingoil system事件概率,但所构建的故障树最小割集相互独立且数量较大,为防止“组合爆炸”问题,减小计算量,采用不交化的最小割集表达式计算,即:M-1Q=K,+(.Tl K)K=K+K,K,+M3N3N4m-1N5N6C15建立航空发动机滑油系统LRU级故障树模型,如图2 所示(所有事件均用编号代替)。4滑油系统LRU级故障树模型分析针对构建的滑油系

27、统LRU级故障树模型,计算最小割集、顶事件和中间事件故障发生概率、底事件概率重要度和相对概率重要度,根据计算结果分析得到滑油系统LRU级元件的概率重要度。4.1最小割集根据所构建的LRU级故障树,根据布尔代数的方法写出故障树的代数表达式如下:A=M,+M,+M,+M4+M,=M,+M4+M,+N,+N,+N,+N4+N,+N。=C,+C,+L+Ci4+Cis针对只含有“或门”的故障树,最小割集的数量与底事件的数量相一致,因此导致顶事件发生的可能性共有 15 种。4.2故障树顶事件和中间事件发生概率当最小割集之间不独立时,使用容斥定理来计算发动机内部磨损0.033m=li=i,imKK,K;+(

28、II.)Kmi=i,imNm式中,Km=IIxKm一第m个最小割集发生的概率N一一第m个最小割集中含有基本事件的个数M一一最小割集总数X,一一基本事件i发生的概率滑油系统LRU级故障树顶事件和中间事件发生概率,如表3、图3 所示。4.3概率重要度概率重要度表示底事件发生概率的微小变化而导致顶事件发生概率的变化率。在故障树所有底事件互相独立的条件下,第i个底事件的概率重要度表达式为:Q(q1,92,qn),i=1,2,n式中,Q(qi,92,,n)为故障树顶事件发生概率函数。反映在不相交的最小割集矩阵中,对应于顶事件m-1(7)(8)2024 年第 1 期表3 顶事件和中间事件发生概率Tab.3

29、Top events and intermediate events incidence编号事件名称A滑油系统故障M1滑油系统漏油M2滑油液金属元素超标M3滑油系统压力异常M4滑油滤滤芯故障M5金属屑信号器故障N1铁(Fe)元素超标N2铜(Cu)元素超标N3铝(AI)元素超标N4滑油液压力下降N5滑油液压差下降N6滑油液压力脉动0.6事件发生概率0.5160.50.40.20.1AM1M2M3M4M5N1N2事件编号图3 顶事件和中间事件发生概率Fig.3 Top events and intermediate events incidence的概率。首先将每行的概率乘以每列的概率,然后将每列

30、的乘法结果相加,得到基本事件的概率重要度。滑油系统LRU级故障树底事件概率重要度,如表4、图4 所示。4.4相对概率重要度相对概率重要度表示第i个底事件发生概率的微小变化而导致顶事件发生概率的相对变化率。将概率液压与气动Tab.4Probability importance of bottom event发生概率/10-2 .h-1编号0.516C10.156C20.169C3C40.182C50.066C60.097C70.08C80.066C90.033C100.112C110.049C120.032C13C14C150.5260.5080.156.169,0.1820.0970.0660

31、.08 0.06610.033N3N4N5N6177表4 底事件概率重要度事件名称0形密封圈断裂皮碗失效漏油GTS密封失效飞附机匣齿轮磨损发附机匣齿轮磨损飞附机厘齿轮磨损发附机匣齿轮磨损调压活门故障滑油滤组件破损滑油泵组效能下降滑油滤组件效能下降调压活门弹簧力衰减滤芯磨损壳体裂纹发动机内部磨损底事件概率重要度0.5350.5180.5080.499.0.4990.1120.50.0490.032概率重要度0.50830.52660.49990.49990.50830.51760.49990.53590.49130.50830.49130.49130.51760.51760.49990.518.

32、0.5180.5080.4990.491C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 C9 C10C11C12C13C14C15事件编号图4 底事件概率重要度Fig.4Probability importance of bottom event重要度相对化可以更直观地对比分析影响程度,表达式如下:Q(q1,2,gn)0.4990.491.0.491(9)178滑油系统LRU级故障树底事件相对概率重要度,如表5、图5 所示。表5 底事件相对概率重要度Tab.5Relative probability importance of bottom events编号相对概率重要度C10形密封圈断裂C2

33、皮碗失效漏油C3GTS 密封失效C4飞附机匣齿轮磨损C5发附机匣齿轮磨损C6飞附机匣齿轮磨损C7发附机匣齿轮磨损C8调压活门故障C9滑油滤组件破损C10滑油泵组效能下降C11滑油滤组件效能下降C12调压活门弹簧力衰减C13滤芯磨损C14壳体裂纹C15发动机内部磨损0.12底事件相对概率重要度0.1020.100.0840.080.060.0480.040.032.0.0320.020.00C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 C9 C10C11C12C13C14C15图5 底事件相对概率重要度Fig.5 Relative probability importance of botto

34、m events液压与气动4.5数据分析通过对图表数据的分析,认为滑油系统的主要故障是漏油、滑油中金属元素含量超标和系统压力异常。金属元素含量超标主要原因是油液中铁元素超标。压力异常故障的主要故障是油压下降。事件名称根据图表分析,C8调压活门失效对顶事件失效的0.048影响最大,其次是C2皮碗失效,概率重要度分别为0.54和0.5 2,相对概率重要度分别为0.10 2 和0.0 8 4。0.084C9油滤组件损坏、C11油滤组件工作效率下降、C120.032调压活门弹簧力衰减对顶事件失效的影响最小,概率0.032重要度为0.4 9,相对概率重要度为0.0 15。由此可得,减小底事件C8调压活门

35、故障发生概0.048率能使顶事件故障的发生概率迅速下降,相比根据相0.066同的数值减小其他底事件发生概率都更有效果,其次0.032是底事件C2皮碗失效、C6飞附机匣齿轮磨损、C13滤芯磨损和C14壳体裂纹,最不敏感的是底事件C90.102滑油滤组件破损和C11 滑油滤组件效能下降。因此,0.015在外场机务维修中,对调压活门和皮碗部件关注度更0.048高,减小调压活门和皮碗失效故障发生概率可以有效地降低滑油系统故障发生概率。0.015实际工作开展中,针对概率重要度相对较高的0.015LRU,如调压活门、皮碗、飞附机厘、金属屑信号器的备0.066件数量可留有较大裕度;对于概率重要度相对较低的L

36、RU,如滑油滤、滑油泵组、O形密封圈的备件数量可0.066根据需求进行适当准备,能够提高航空发动机滑油系0.032统维护速度和成本效益,提高飞机出动率和飞行可靠性。5结论机务保障工作中,滑油系统故障原因复杂,排除难度大,因此基于故障树分析的方法,结合滑油系统LRU划分,针对滑油系统典型故障进行LRU级别的故障树建模,运用下行法求解故障树最小割集,随后进行0.0660.066 0.0660.0480.0480.0320.015事件编号第4 8 卷第1 期定量分析,采用不交化的最小割集表达式,计算滑油系统顶事件故障发生概率、滑油压力异常、油液污染、滑油消耗量大、滑油系统部件损坏等典型故障发生概率,

37、0.032计算分析LRU的概率重要度和相对概率重要度,主要结论有以下几个方面:0.0150.015(1)调压活门故障的相对概率重要度为0.10 2,横向比较大于其他基本故障,因此通过降低调压活门故障发生概率可以有效地降低滑油系统故障发生概率;(2)外场特定检查中和日常维护时,应注意对调2024 年第 1 期压活门和皮碗等易失效故障元件的检查,航材备件库可以适当增加此类备件的储存量;(3)使用所提出的思路进行其他装备维护保障分析可以帮助作战单位进行作战任务和维修保障进行合理计划安排。参考文献:1售曹宏瑞,景新,苏帅鸣,等.中介轴承故障动力学建模与振动特征分析 J.机械工程学报,2 0 2 0,5

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