Способ оценки и поддержания надежности самолетов и их силовых установок при эксплуатации авиационной техники по состоянию

 

Использование: изобретение относится к эксплуатации самолетов по состоянию, может найти применение на предприятиях, в учреждениях гражданской авиации и военно-воздушных силах. Сущность изобретения заключается в том, что из числа контролируемых в полете параметров выбирают и систематизируют те параметры, которые оказывают непосредственное влияние на надежность элементов конструкции, вероятностным путем определяют запасы работоспособности этих элементов и оценивают их надежность. При снижении надежности ниже установленного уровня принимают меры по ее восстановлению. Особенность способа оценки и поддержания надежности заключается в том, что он предусматривает сравнение не реальных замеренных значений параметров с эталонными, а сравнение вероятностей появления ожидаемых значений этих параметров и вероятностное определение уровня надежности. Это позволяет принять своевременные меры по восстановлению работоспособности летательных аппаратов при эксплуатации их по состоянию. 5 ил.

Изобретение относится к эксплуатации самолетов, например, типа Ту-154, может найти применение на предприятиях и в учреждениях гражданской авиации и в Военно-воздушных силах.

Под авиационной техникой здесь понимается все многообразие устройств летательных аппаратов, их отдельных самостоятельных узлов и систем, образующих авиационные комплексы и обеспечивающих их надежное функционирование.

Под эксплуатацией авиационной техники понимается использование ее по прямому назначению полеты для летательных аппаратов с учетом их особенностей и условий. Для двигателей их функционирование (наработка) в полете и на земле с учетом предельных рабочих режимов. Для органов приземления количество и характер посадок и т.д.

Под техническим обслуживанием понимается весь комплекс работ и организационно-технических мероприятий, направленных на обеспечение заданного уровня надежности авиационной техники и безопасности полетов. Техническое обслуживание охватывает все виды подготовок к полетам, профилактические и регламентные работы, хранение, транспортировку, мелкие и средние ремонты в аэродромных условиях без снятия техники с эксплуатации и без отправки ее на авиапредприятия для капитального ремонта.

При эксплуатации и техническом обслуживании авиационной техники происходят изменения ее состояния, оказывающие в конечном счете влияние на надежность и безопасность полетов. При этом неизбежно имеют место два вида процессов.

Первый объективный процесс изменения состояния, зависящий от конструктивно совершенства техники, от влияния среды, времени, условий эксплуатации и технического обслуживания. Он определяется объективными процессами, протекающими в элементах техники и характеризуется переходом ее из исправного состояния в неисправное состояние. Этот переход проходит во времени и выражается в накоплении количественных изменений в деталях и узлах. Такие накапливающиеся во времени количественные изменения проявляются в износах рабочих поверхностей подвижных деталей, появлении трещин усталостного характера в крепежных элементах, в изменении эксплуатационных характеристик двигателей и т. п. При определенных условиях количественные изменения в элементах авиационной техники приводят к ее качественным изменениям появлению неисправностей и отказов. Эти неисправности и отказы носят вероятностный характер, а значит могут прогнозироваться.

Второй субъективный процесс изменения состояния авиационной техники. Он также представляет собой последовательную смену состояния техники во времени в процессе ее эксплуатации и технического обслуживания, но состояний, зависящих от субъектов, использующих эту технику. Такой процесс зависит от технологии подготовки техники к полетам, от технологии ее обслуживания, от квалификации, опыта и состояния летного и технического состава, от организации работ в эксплуатационном подразделении. Этот процесс изменения состояния авиационной техники также носит вероятностный характер и подчиняется анализу с помощью теории вероятностных мететов.

Оба процесса взаимосвязаны с взимообусловлены и вместе оказывают влияние на изменение состояния авиационной техники, определяя ее надежность. Вместе с тем, как следует из анализа опыта эксплуатации и технического обслуживания серийной авиационной техники основным процессом, определяющим надежность ее элементов, является первый объективный процесс изменения состояния.

Значение фактического состояния элементов летательного аппарата в каждый момент времени позволяет принимать решения с возможности выполнения полетов или прекращения эксплуатации. В этой связи контроль за состоянием летательного аппарата (планера), его силовой установки, различных систем, органов управления, приземления и др. является определяющим условием при оценке надежности и позволяет судить о безопасности полетов.

Эксплуатация отечественной авиационной техники осуществляется по так называемой ресурсной системе, когда поставщик, устанавливая регламентируемое время эксплуатации, гарантирует заданный уровень надежности. Эксплуатация авиационной техники сверх установленного ресурса не допускается.

Все виды ресурсов гарантийный межремонтный и технический или назначенный ресурс (полный срок службы) устанавливаются на основании расчетов, стендовых и других испытаний, статистических данных по эксплуатации аналогичных устройств и анализа уровня надежности в процессе его времени эксплуатации.

После выработки межремонтного ресурса авиационная техника (самолет, двигатели, другие самостоятельные элементы) снимаются с эксплуатации и направляются в капитальный ремонт, после которого назначается новый межремонтный ресурс. Однако проведение капитального ремонта в условиях авиаремонтного предприятия связано со снятием техники с эксплуатации на длительный срок и большими затратами.

При капитальном ремонте производится разборка, проверка и дефектация всех узлов и ответственных деталей конструкции, замена элементов новыми или прошедшими восстановительный ремонт, дополнительная проверка, сборка и испытание отдельных узлов и летательного аппарата в целом.

После капитального ремонта для летательного аппарата, его силовой установки (двигателя) и др. узлов устанавливается новый межремонтный ресурс, который обычно меньше, чем предыдущий.

После выработки вновь установленного межремонтного ресурса летательный аппарат поступает во второй капитальный ремонт. Цикл капитальных ремонтов повторяется до выработки полного технического или назначенного ресурса.

Так как все виды ресурсов, особенно первый межремонтный ресурс это примерное, опытным путем установленное и назначенное время эксплуатации (наработки), что часто оказывается, что проведение капитального ремонта в целом по летательному аппарату, по отдельным его узлам, например по двигателю, бывает преждевременным и нецелесообразным. Проверка узлов, агрегатов и отдельных деталей при капитальном ремонте часто показывает их полную кондиционность и возможность дальнейшей эксплуатации до следующего капитального ремонта. В этом заключается главный недостаток эксплуатации авиационной техники по назначенному ресурсу, ведущему к большим затратам и именно этим порождается необходимость поиска путей более совершенных и более экономичных способов эксплуатации.

Известен способ эксплуатации летательных аппаратов по состоянию, когда процесс эксплуатации не ограничивается ресурсом, а длится либо до появления неисправности, либо до времени, когда по результатам постоянно проводимого объективного контроля и анализа состояния техники требуется прекращение ее эксплуатации и проведения капитального ремонта.

Этот способ реализован рядом зарубежных авиакомпаний (см. Руководство для авиакомпаний и изготовителей по планированию программ технического обслуживания летательных аппаратов. Материалы конференции в Цюрихе, 1981).

Руководство для авиакомпаний содержит методики анализа состояния самолетных систем и силовых установок (раздел А) и методики анализа состояния элементов конструкции планера (раздел В).

Хотя способ эксплуатации по состоянию более прогрессивен, чем по фиксированному ресурсу (допускает производить мелкий и текущий ремонты без снятия летательного аппарата с эксплуатации на длительное время без проведения плавного капитального ремонта, который становится исключением, применяемым главным образом после повреждений), однако требует большого объема и высокой достоверности информации о состоянии элементов летательного аппарата для принятия обоснованного и правильного решения о дальнейшей эксплуатации или о проведении ремонта.

Информация, получаемая в полете, регистрируемая системами, подобными МСРП, позволяет судить об уровне отдельных параметров самолета и двигателя, но не об уровнях их надежности. Нужна обобщенная информация, свидетельствующая не о появлении отказа, а о снижении уровня надежности, когда еще можно принять меры по предотвращению отказа.

Такую обобщенную информацию можно получать о состоянии планера, силовой установки (в частности о состоянии двигателя), различных систем, органов управления, органов приземления и прочее, имея текущие значения контрольных параметров поузлового контроля, основанные на синтезе уже известных и применяемых в авиации способах измерения в полете.

Известны также способы прогнозирования изменения надежности авиационной техники (см. например, Андреев Н.Н. и др. Инженерно-авиационная служба и эксплуатация летательных аппаратов, под ред. Федяева Н.М. изд. ВВИА им. Н.Е. Жуковского, 1970, с. 190-194).

Они основаны либо на анализе изменения статистических характеристик надежности (λ-характеристик), либо на анализе изменения параметров конкретных элементов летательного аппарата. Для получения λ-характеристик нужен большой объем статистических данных по многим однотипным объектам, что, в свою очередь, связано с длительным временем накопления этих данных и не позволяет оценивать надежность одиночного объекта. Анализ изменения параметров конкретного элемента конструкции дает объективную оценку надежности на момент проведения контроля, но не говорит о своевременности такого контроля. Он может и опоздать. К тому же проверять силовые детали в условиях эксплуатации без необходимости трудно и экономически невыгодно.

При эксплуатации авиационной техники по состоянию важно иметь информацию в начальный период появления неисправности задолго до появления отказа. При этом важно иметь такой параметр, который реагировал бы на любые изменения и аномалии в работе техники, вызываемые появлением неисправности, хотя в одном из конструкционных узлов. Должна быть также достаточно высокая достоверность такой информации.

Если получить из расчетов или экспериментально при стендовых испытаниях предельно допустимые значения каких-либо величин, характеризующих надежность (как вероятность безотказной работы) детали, узла или устройства в целом, или величин, характеризующих предельно-допустимые отклонения от расчетного значения, то, используя зависимости теории вероятности, можно получить способ оценки надежности авиационной техники при эксплуатации ее по состоянию.

Предложенный способ позволяет вероятностным путем оценивать уровень надежности даже одиночного объекта авиационной техники в любой момент его эксплуатации. Основанный на использовании существующих и применяемых в настоящее время в эксплуатации способов и средств контроля, он позволяет оперативно определять запас работоспособности и устанавливать необходимость проведения профилактических мероприятий (целевых осмотров, проверок, мелкого и текущего ремонта) с целью поддержания заданного уровня надежности и обеспечения безопасности полетов. Именно эту цель, т.е. оперативную оценку уровня надежности деталей, узлов и систем и определение необходимости проведения профилактических мероприятий, и преследует предложенный способ.

Предлагаемое техническое решение поясняется следующими графическими материалами, на которых на фиг. 1 представлен график плотности распределения значения х (функция f(x)); на фиг. 2 график плотности распределения значения у (функция f(y)); на фиг. 3 график плотности распределения значения z (функция f(z)); на фиг. 4 график зависимости допустимой величины отказа q(t)) и запаса работоспособности К; на фиг. 5 график определения минимального предельно-допустимого значения К при допустимой вероятности отказа q(t) 10^-7.

Если предельное (предельно-допустимое) значение какого-либо контрольного параметра обозначить у, его действительное значение х, то запас прочности z y x.

В качестве контрольного параметра для самолета может быть число максимально допустимых перегрузок, количество случаев возникновения максимально допустимых уровней вибрации и др.

Можно учитывать также число посадок.

Для двигателя можно использовать число выходов на взлетный режим и общую наработку на взлетном режиме. Можно использовать уровень снижения эксплуатационных параметров, например, снижение мощности свободной турбины и др.

Все эти контрольные параметры у, то есть их предельно-допустимые значения определяются заранее при отработке летательного аппарата или его узлов и используются затем для оценки состояния техники в условиях эксплуатации.

Совершенно очевидно, что величины х и у являются величинами случайными. Из теории вероятностей известно, что случайные величины обычно характеризуются определенными законами распределения (См. Смирнов Н.В. и Дунин-Барковский И.В. Курс теории вероятности и математической статистики. М. Наука, 1965, с. 133-156).

Чаще всего это нормальный закон распределения. Если принять, что х и у подчиняются нормальному закону распределения, то плотность распределения этих величин может быть выражена соответственно функциями f(x) и f(y) и предоставлена в виде графиков, показанных на фиг. 1 и фиг. 2, где и математические ожидания величин х и у.

Так как и х и у величины случайные, то и величина z тоже будет величиной случайной и тоже подчиняющаяся нормальному закону распределения. Тогда можно представить и плотность вероятности величины z в виде графика функции f(x). Фиг.3.

Здесь z запас работоспособности. Он должен быть больше нуля.

математическое ожидание величины z.

При z < 0 возможен отказ и заявленный уровень надежности не гарантируется. Можно установить и допустимый уровень запаса работоспособности.

Известно, что в случае нормального закона распределения плотность вероятности выражается зависимостью f(z) ·l где dz дисперсия или среднее квадратичное отклонение величины z; dx и dy средние квадратичные отклонения величины х и у соответственно.

Вероятность отказа, то есть вероятность того, что z будет меньше нуля (см.фиг.3) может быть выражена интегралом, определяющим заштрихованную зону, т.е. область отказов, т.е.

q(t)f(z)dz ·ldz Этот интервал по существу дает вероятность отказа, и если его вычислить, то легко определяется и величина надежности, т.е. вероятность безотказной работы P(t), так как P(t) 1 q(t).

Однако этот интеграл неберущийся и его можно заменить функцией Лапласа, близкой по характеру к данному интегралу.

Функция Лапласа от плотности вероятности f(z) может быть представлена таким выражением: = l dt Эта функция имеет следующие особенности: а) она четная, т.е.

- = - б) если аргумент этой функции стремиться к нулю, то сама функция стремиться к .

Используя функцию Лапласа, формулу для вероятности отказа можно запись в таком виде q(t)
Функция Лапласа табулирована, ее значения даются в таблицах, то есть, зная величину аргумента ,можно из таблиц получить значение функцию Лапласа (см. упомянутый ранее курс теорию вероятности и математической статистики, с. 142-145 и с. 466-467).

Последняя формула вероятности отказа легко преобразуется и приводится к виду, удобному к применению.

Аргумент функции Лапласа преобразуется так:
-1= β(k-1) Тогда
q(t) Φ [β(k-1)] здесь β по существу является коэффициентом качества процессов и определяется рассеивание случайных величин;
K характеризует запас работоспособности устройства или его элементов.

Например. При контрольных статических испытаниях несколько одинаковых деталей, например, узлов крепления консолей крыла или узлов подвески двигателя, обнаруживаются признаки остаточной деформации лишь при нагрузке, многократно повторяющейся и превышающей расчетную. Известно, что остаточная деформация в эксплуатации недопустима. При увеличении нагрузки признаки остаточной деформации обнаруживаются при меньшем числе нагружений. Это дает возможность определить математическое ожидание Y и дисперсию dY допустимого числа нагружений при различных нагрузках и получить исходные данные для оценки запаса работоспособности элемента конструкции. Здесь может быть использован табличный или графический метод обработки. В последнем случае по оси ординат откладывается произведение nY, а по оси абсцисс Y, где n коэффициент кратности расчетной нагрузки (n 1,2,3,), а Y число нагружений, при которых обнаруживаются признаки остаточной деформации.

Перегрузки, случайно возникающие при полетах в неспокойной атмосфере, при грубых посадках и пр. могут превосходить допустимые перегрузки в условиях эксплуатации, но при малом их числе не всегда приводят к появлению остаточных деформаций. Это учитывается в предложенном способе.

Учитываются все перегрузки, зафиксированные в каждом полете. Далее используются табличный или графический метод обработки. В последнем случае по оси ординат откладывается произведение вертикальной перегрузки n_у на число нагружений Х (т.е. n_yX), а по оси абсцисс число нагружений Х. Это позволяет получить в любой момент эксплуатации математическое ожидание Х и дисперсию dx возможного появления остаточной деформации и оценить вероятность отказа
q(t) 0,5 Φ(/dz)
Эта зависимость, как уже указывалось, легко приводится к виду, удобному для вычислений с использованием таблиц функции Лапласа, то есть:
q(t) 0,5 Φ[β (k-1)]
где β= /dz; K= /; dz
Наконец, уровень надежности определяется как
P(t) 1 q(t).

Если это значение надежности меньше установленного, то это сигнал к проверке возможного появления остаточных деформаций упомянутых деталей и возможной их замене.

Аналогичным путем можно оценить работоспособность и других элементов самолета. При этом возможности и эффективность способа будут повышаться при увеличении числа контролируемых параметров, а его оперативность от степени использования ЭВМ.

При β const можно, задаваясь различными значениями (К) от 1 (когда q(t) ) до некоторых значений, которые должны быть больше единицы, используя таблицы функции Лапласа и принимая допустимые значения вероятностей отказов, строят такой график (см.фиг.4): q(t) Φ (k, β).

При этом удобно функцию q(t) строить в логарифмическом масштабе.

Имея такой график, можно воспользоваться им для оценки надежности устройства: P(t) 1 q(t).

Пусть, например, задается допустимая вероятность отказа q_доп(t) 10^-7, тогда, зная условия работы устройства, его элемента или, наконец, одной наиболее ответственной детали, определяют ее коэффициент качества βʹ .

Из теории вероятности и практики оценки надежности известно, что коэффициент качества β должен быть не менее 6, тогда удовлетворяется требование достаточно высокого уровня надежности.

Далее по известному графику (см.фиг.5) находят значение K'_необх.

Это минимальное предельно-допустимое значение К, характеризующее запас работоспособности.

Всякое изменение К это следствие изменения текущего значения контролируемого параметра х, и если оно приводит к значению К << К'_необх, то вероятность отказа q_доп(t) становится выше предельно-допустимой.

Отказ еще не наступил, но, чем больше вероятность его наступления, тем более срочными должны быть меры по устранению причин снижения надежности.

Итак, предлагаемый способ оценки надежности, опирающийся на приведенные выше выкладки, предполагает сохранение всех существующих подтвержденных опытом эксплуатации стандартизированных контрольных операций, связанных с эксплуатацией и техническим обслуживанием авиационной техники, но дает возможность отказаться от крайне невыгодного трудоемкого дорогостоящего и, главное, не всегда необходимого планового капитального ремонта.

Предлагаемый способ дает возможность своевременно, заранее до наступления отказа, обнаружить снижение надежности отдельных элементов или летательного аппарата в целом и принять меры, обеспечивающие безопасность полетов. В отдельных случаях по причинам субъективного характера или при наступлении естественного снижения надежности по объективным причинам авиационная техника должна направляться в капитальный ремонт, но это не плановый ремонт после выработки ресурса, а неизбежный ремонт по необходимости.

Таким образом, это не сравнение реально замеренной величины с эталонной, а сравнение вероятностей появления таких величин.

Предложенный способ может найти применение и при эксплуатации самолетов по ресурсу, но он приобретает особую ценность при эксплуатации по состоянию.

Формула изобретения

СПОСОБ ОЦЕНКИ И ПОДДЕРЖАНИЯ НАДЕЖНОСТИ САМОЛЕТОВ И ИХ СИЛОВЫХ УСТАНОВОК ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ АВИАЦИОННОЙ ТЕХНИКИ ПО СОСТОЯНИЮ, включающий статистический учет и системный анализ изменения контролируемых параметров, отличающийся тем, что из числа контролируемых параметров выбирают и систематизируют после каждого полета те параметры, которые оказывают непосредственное влияние на надежность элементов конструкции, вероятностным путем, используя таблицы функций Лапласа, определяют запасы работоспособности Z этих элементов как разность предельно допустимого Y и текущего X значений контролируемого параметра, оценивают вероятность отказа q(t), при этом вероятность отказа q(t) определяют по зависимости:
q(t) = 0,5-Φ[β(K-1)],
где Φ[...] функция Лапласа;



математическое ожидание и среднеквадратичное отклонение допустимого значения контролируемого параметра;
математическое ожидание и среднее квадратичное отклонение действительного значения контролируемого параметра;
dz среднеквадратичное отклонение запаса работоспособности Z,
оценивают уровень надежности D(t) 1 q(t) и в случае снижения ее ниже установленного уровня принимают меры по восстановлению надежности.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5

Другие изменения, связанные с зарегистрированными изобретениями

Изменения:
Зарегистрирован переход исключительного права без заключения договора
Дата и номер государственной регистрации перехода исключительного права: 18.02.2010/РП0000560
Патентообладатель: Селиханович Аркадий Григорьевич; Мартынов Виктор Семенович; Гришин Андрей Николаевич; Варакин Борис Алексеевич; Аристархов Геннадий Геннадиевич; Автоманов Анатолий Иванович; Шенгардт Александр Сергеевич; Каулина Елена Витальевна; Федосеева Татьяна Витальевна; Савина Зинаида Георгиевна; Шунаев Валерий Павлович; Титов Александр Владимирович
Прежний патентообладатель: Федосеев Виталий Николаевич; Савин Валентин Иванович; Шунаев Валерий Павлович; Титов Александр Владимирович; Селиханович Аркадий Григорьевич; Мартынов Виктор Семенович; Гришин Андрей Николаевич; Варакин Борис Алексеевич; Аристархов Геннадий Геннадиевич; Автоманов Анатолий Иванович; Шенгардт Александр Сергеевич

Номер и год публикации бюллетеня: 19-1995

Извещение опубликовано: 27.04.2010        БИ: 12/2010

---