CC BY
171
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Аэромеханика и прочность, поддержание летной годности ВС
УДК 629.7.017.083.2
ЭКСПЛУАТАЦИЯ АВИАТЕХНИКИ ПО СОСТОЯНИЮ. КОНТРОЛЬ И УПРАВЛЕНИЕ НАДЁЖНОСТЬЮ
Е.С. ДАЛЕЦКИЙ, С.В. ДАЛЕЦКИЙ
По заказу редакционной коллегии
Рассмотрены основные положения информационного обеспечения и процедура контроля и управления надёжностью изделий авиатехники при эксплуатации по техническому состоянию.
Эксплуатация ВС реализуется последовательной сменой организационных и технических состояний процесса эксплуатации (ПЭ), исследование и анализ которого выполняются статистическими методами. Процесс эксплуатации (ПЭ) включает технические состояния ВС, связанные с объективными закономерностями изменения технических качеств ВС как объекта эксплуатации, и организационные состояния, определяющие субъективный процесс организации и планирования использования ВС. Объективный процесс технической эксплуатации (ПТЭ) реализуется в системе ТОиР, которая не включает организацию и планирование эксплуатации и представляет совокупность взаимосвязанных элементов: ВС, средств ТОиР, исполнителей и устанавливающей правила их взаимодействия документации для поддержания надежности и готовности ВС к полетам. Эффективность системы технической эксплуатации (ТЭ) определяется затратами труда, времени и средств, необходимых для обеспечения требуемых уровней надежности и готовности ВС в ожидаемых условиях эксплуатации. Таким образом, для анализа системы ТЭ необходимо из ПЭ выделить объективный ПТЭ, параметры которого и определяют эффективность системы ТОиР.
В системе ТЭ реализуются два процесса:
1. Процесс изменения технического состояния АТ на последовательных этапах жизненного цикла ВС с начала эксплуатации и до списания (ПТС).
2. Процесс последовательной смены организационных состояний ВС в эксплуатации (ПТЭ).
Задача контроля состояния АТ в системе ТЭ заключается в определении количественных
характеристик указанных процессов и формировании информационного процесса (ПИУ), устанавливающего соответствие между техническими и организационными состояниями ВС:
Пиуу = Пто е ПТЭ) при 1е Ы (1)
Техническим состоянием ВС в процессе эксплуатации возможно управлять следующими способами:
■ изменением условий эксплуатации (уровней функциональных и региональных факторов)
- Птс(у);
■ изменением конструкции систем, изделий и оборудования - ПтС(д);
■ изменением режимов ТОиР - ПТС(ТоиР).
Изменение реальных условий эксплуатации ВС и, соответственно, их систем, изделий и оборудования связано с введением эксплуатационных ограничений, что сужает эксплуатационные допуски и область применения ВС по назначению. Такое направление по управлению техническим состоянием ВС принимается в исключительных случаях, как временная внеплановая мера на период исследования обстоятельств и условий появления в эксплуатации нерасчетных изменений технического состояния конкретных изделий, которые привели к особым ситуациям полетов в реальных условиях эксплуатации данного типа ВС. Процесс ПТС(У) в этом случае изменяется скачкообразно и управляющим воздействием ПТЭ возвращается к положению до скачка.
Изменение конструкции проводится с целью адаптации ВС к реальным условиям эксплуатации таким образом, чтобы расширить область применения ВС и устранить причины появления нерасчетных изменений технического состояния конкретных изделий. Такое управление процессом ПТС(Д) также является неплановым и выполняется либо после временного изменения условий эксплуатации до их возвращения к начальным, либо для придания изделию лучших эксплуатационных качеств и повышения надежности.
В системе ТЭ управление ТС реализуется путем выполнения работ ТОиР в 1-х состояниях технической эксплуатации ВС {ф } [1].
Основным информационным потоком в системе ТЭ является информация о техническом состоянии АТ, характеризующая надежность АТ в процессе эксплуатации.
Согласно нормативным требованиям НЛГ, безопасность полетов, выражаемая через безотказность АТ, ранжированную по последствиям, обеспечивается в целом для парка ВС данного типа. В общем случае, реализация процесса ПТС, для парка ВС данного типа представляется простейшей схемой (рис. 1), дополнение которой блоками анализа, преобразования, сравнения и т.д. приводит к частным схемам.
| (И)
№ парк (В)
ВС
1 (Яй<ГмМ
Рис. 1. Информационная схема реализации процесса технических состояний парка ВС:
|Х;} - факторы лётной эксплуатации ВС; {К;} - региональные факторы эксплуатаци ВС;
{В;} - работы ТОиР
Рассматривая процесс ПТС как совокупность составляющих его процессов £ П ТС1 1-х изделий ВС, входные (Х, К,В) и выходные (Р1) параметры каждого ПТС1 процесса разделяют по каждому 1-му типу изделий таким образом, чтобы значение выходных характеристик Р по парку ВС соответствовало заданным нормативам.
Каждый ПТС1 процесс для множества {1} изделий, находящихся в эксплуатации, реализуется в системе ТОиР ВС принятым методом эксплуатации этого типа изделий.
Парк ВС и соответственно множество {К;} 1-х изделий в эксплуатации рассматриваются как "черный ящик" относительно ТС каждого 1-го изделия / е {Ы{}, находящегося под воздействием входных факторов х^ с{х;}; к^ с {к}; Ву с {В1}. Техническое состояние {К;} изделий характеризуется выходной функцией Р;(1;) таким образом, что фактическое ТС каждого изделия на интервале наработки (?, t + At) остается неизвестным.
Множество работ ТОиР {Ву}, распределенных во времени поменьше (Т1н - назначенный ресурс 1-х изделий), определяет режимы ТОиР, управляющие ТС изделий в эксплуатации. Эффективность режимов ТОиР, с одной стороны, характеризуется затратами труда, времени и средств на обеспечение значений выходной функции Р;(1;) не ниже заданных нормативов [Р1н]. С другой стороны, режимы ТОиР формируются из работ трех видов: технологического обслуживания, контроля состояния, поддержания и восстановления надежности, выбор которых зависит от вида изделия, метода его эксплуатации и стратегии восстановления, что требует и соответствующего информационного обеспечения.
Работы технологического обслуживания { В1Т} назначают только для обслуживаемых изделий в объемах, определяемых видом изделия, формой (Ф;) организационного состояния, в котором находится ВС, его последующим назначением и в зависимости от условий эксплуатации. Информационная схема обеспечения режимов работ технологического обслуживания (рис. 2) замкнута по входным факторам х1 и к1 и выходным параметрам {Ф1} на работы {В1). Выполнение работ ВТ без изменения ТС изделий обеспечивает последовательную смену организационных состояний Ф; ВС в процессе эксплуатации.
Рис. 2. Информационная схема реализации работ технологического обслуживания изделия в эксплуатации
Плановые работы по контролю состояния {В1к}П обусловлены методом эксплуатации изделия и их выполнение не изменяет ТС изделия, а обеспечивает процесс технической эксплуатации информацией о ТС изделий и их соответствии нормативному уровню заданного вида предельного состояния. Реализация методов эксплуатации до выработки ресурса (ТЭР), до предот-казного состояния (ТЭП) и до отказа (ТЭО) обеспечивается соответствующими информационными схемами (рис. 3). При несоответствии ТС изделий заданным нормативам выполняются внеплановые работы по поддержанию и восстановлению надежности {В1н}н, т.е. выходной параметр, достигший предельного значения для данного метода эксплуатации 1-го типа изделий, замкнут на входные внеплановые работы {В1н} н.
При методе ТЭР (рис. 3а) выходным параметром является наработка изделия ^ до установленного ограничения ресурса [Т;], что приводит к прекращению дальнейшей его эксплуатации за счет выполнения работ по замене. Входные факторы х1 и к1 в этом случае не замкнуты на выходной параметр ^.
При методе ТЭП (рис. 3б) выходными параметрами являются контролируемые значения {П;} определяющего параметра П;. Достижение данным параметром заданного ограничения [П;] приводит к последующему восстановлению или изъятию ]-го изделия из эксплуатации. В общем случае значение [П;] зависит от 1;, т.е. [П;]=[П;(1)] и от условий эксплуатации, поэтому входные факторы х^. и ку в этом случае замкнуты на выходной параметр Пу(1), зависимость которого от наработки (1) требует и наличия контролируемого выходного параметра ^
При методе ТЭО (рис. 3в) выходным параметром является надежность изделия, выраженная через безотказность Р^). При достижении безотказности заданного ограничения [Р;] становится необходимым поддержание надежности за счет выполнения работ {В1н}. Входные факторы х; и к; в этом случае также не замкнуты на выходной параметр Р^), зависимость которого от наработки требует наличия контролируемого выходного параметра %
При всех методах эксплуатации требуется выполнение плановых работ по контролю состояния {В1к}П для определения заданного вида предельного состояния. Такой контроль проводится при заданных ограничениях [^] на его периодичность, что характеризуется замкнутой цепью ^ = [Ъ] выходного параметра ^ на входные работы {В1к}П.
Следует учесть, что метод ТЭО применим для восстанавливаемых и невосстанавливаемых изделий, что определяет и вид плана исследований надежности.
При ТЭО невосстанавливаемого изделия необходимо установить факт его отказа и заменить на новое. Отказавшее изделие в эксплуатацию не возвращается. Контроль надежности изделий на календарном интервале времени [Т1] рассматривается в этом случае как одновременные испытания на надежность N объектов с заменой отказавших новыми и прекращением испытаний по истечении заданного времени. На следующем интервале процесс повторяется. Такой план соответствует плану [NRT] испытаний на надежность (здесь и далее планы испытаний на надежность по ГОСТ 27.002). Безотказность этих изделий характеризуется интенсивностью отказов 1(1) и контролируется значениями наработки на отказ в полете ТОП или наработки на неисправность в межрегламентный период ТМ - для необслуживаемых изделий, или наработки на неисправность, выявленную в полете и на земле ТС - для обслуживаемых изделий.
При ТЭО восстанавливаемого изделия необходимо установить факт его отказа и заменить на исправное. Отказавшее изделие восстанавливается и возвращается в эксплуатацию на замену очередному отказавшему. Контроль надежности этих изделий на данном интервале времени [Т] рассматривается как одновременные испытания на надежность объектов с восстановлением отказавших и прекращением испытаний по истечении заданного времени Т . Это соответствует плану испытаний [NМТ]. Безотказность этих изделий характеризуется параметром потока отказов ю(1;) и контролируется значениями ТОП или ТМ для необслуживаемых изделий и ТС для обслуживаемых.
Контролируемые уровни надежности могут устанавливаться для всей совокупности изделий данного типа или для групп изделий эксплуатирующихся в одинаковых условиях или на ВС одного авиапредприятия. При контроле всей совокупности изделий необходимо обеспечить однородность результатов наблюдений относительно условий эксплуатации.
Получение в эксплуатации значений контролируемого параметра надежности изделия ниже установленного контрольного уровня является сигналом для принятия решения о последующих действиях с целью восстановления надежности. Эти действия могут заключаться в проведении дополнительных плановых восстановительных работ или ремонта восстанавливаемых изделий, проведении доработок или ограничении ресурса восстанавливаемых и невосстанавливаемых изделий.
При введении дополнительных плановых работ ТОиР контрольные уровни надежности изделий и план исследований надежности на последующих этапах остаются без изменений. В случае конструктивной доработки, изделия после доработки могут приобрести новые качества и соответственно могут измениться контрольные уровни и план исследования надежности этих изделий.
При ограничении ресурса, изделия списываются по отработке ресурса или ремонтируются. Превышение контрольного уровня с последующим ограничением ресурса и списанием изделий приводит к снятию с эксплуатации всех изделий, наработка которых на данном этапе превышает установленное ограничение, и замену их новыми. План испытаний в этом случае принимает вид [Ки(г1п1)(г2п2)...(гк-1)(пк-1)гк]. Новые изделия, установленные взамен списанных, в дальнейших исследованиях надежности не учитываются.
Рис. 3. Информационные схемы реализации методов эксплуатации изделия:
а) ТЭР; б) ТЭП; в) ТЭО
Превышение контрольного уровня с последующим ограничением ресурса и ремонтом изделий приводит к плану испытаний [NMT] в случае неполного восстановления качеств изделий при ремонте и плану [NRT], если изделия после ремонта рассматриваются как новые.
Ограничение по наработке может вводиться не для всех изделий, а ранжированно, по условиям эксплуатации групп изделий. После ограничения по наработке эти изделия в дальнейшем эксплуатируются по методу ТЭР.
Расчет надежности изделий при ТЭО производится известными методами математической статистики на основе плана испытаний, выбранного в соответствии с изложенными рекомендациями. В зависимости от плана испытаний, значения получаемых оценок надежности могут различаться в 1,5-2 раза.
Таким образом, план исследования надежности изделий при ТЭО определяется правилами замены отказавших изделий, их классификацией относительно работ ТОиР и последующими действиями в системе ТОиР с целью восстановления надежности этих изделий в эксплуатации. Схема информации о техническом состоянии изделий в эксплуатации при ТЭО является разомкнутой, т. е. нет прямой связи между ТО каждого изделия и выходной информацией.
Входные эксплуатационные факторы {х;} и {k;} не замкнуты на выходной параметр Pi(t), зависимость которого от наработки требует контроля и выходного параметра tj Если P;(t < TH) = const, где Тн - назначенный ресурс ВС, то контроль P;(t) не имеет смысла и i-ое изделие эксплуатируется без контроля безотказности и наработки изделия до списания ВС.
Статистическая оценка безотказности P;(t) в процессе эксплуатации требует следующей информации: о количестве изделий в эксплуатации (Ni) и количестве их отказов (nio), суммарной наработке изделий за оцениваемый период (Т) и виде плана испытаний.
Прогнозирование интенсивности отказов изделий требует информации о видах отказов и наработке изделий на момент отказа, с начала эксплуатации этих изделий, включая и результаты испытаний на надежность.
При методе ТЭП выходным параметром являются контролируемые значения {П^ определяющего параметра П; (или £П;), достижение которым заданного ограничения [П;] приводит к необходимости восстановления или изъятия j-го изделия из эксплуатации выполнением работ {BiH}, которые могут быть плановыми или неплановыми. В общем случае, значение [П;] зависит от наработки, и от условий эксплуатации, т.е. [Щ = [П^х^)], поэтому информация о текущих значениях {xjj, {ki}j, {ti}j замыкается на контролируемое значение Пу и информационная схема является замкнутой.
Метод ТЭП требует информации о текущем значении определяющего параметра Пу для каждого j-го изделия данного типа i и его сравнения с предельным значением [П;]. Контроль значений Пи может выполняться непрерывно или периодически, однако управляющие воздей-
ствия {Ву} могут выполняться только периодически через интервалы наработки или времени, в соответствии с организационными состояниями процесса ТОиР. Множество измеренных значений {Пу} обеспечивает в конечном счете решение задачи недопущения в эксплуатации появления значений Пу>[П;] или Пу<[П;] с заданной вероятностью, что соответствует общим положениям испытаний на надежность, рассмотренным для метода ТЭО, в зависимости от классификации изделий и правил восстановления исправности ВС при достижении предельного состояния [П;] для данного 1-го типа изделий в эксплуатации. Поэтому планы испытаний на надежность для метода ТЭП являются аналогичными как и для метода ТЭО, а контрольный уровень надежности устанавливается относительно допускаемого числа появления в эксплуатации предельных значений Пу>[П;] или Пу<[П;].
Таким образом, метод ТЭП требует информации: об условиях эксплуатации Ху и к; каждого 1-го изделия и его наработке, если П^П^х^ку) и информации, аналогичной методу ТЭО для подтверждения обоснованности предела [П;] допускаемого в эксплуатации и оценки надежности ВС в целом.
В предельном случае применения метода ТЭП, когда определяющий параметр П; контролировать невозможно или нецелесообразно по конструктивным, технологическим или организационным причинам, вводится ограничение по наработке таким образом, чтобы
Р;{(^) <[Т; }>[Р; ] , (2)
где [Т1] предельная величина наработки изделий в эксплуатации, равная межремонтному ресурсу для восстанавливаемых изделий или назначенному ресурсу для невосстанавливаемых.
Величина [Т1] устанавливается на основе комплексов исследований при проектировании, изготовлении, испытаниях и эксплуатации изделий. Контроль наработки ^ для каждого изделия не позволяет прогнозировать отказ конкретного ]-го изделия 1-го типа, однако обеспечивает заданную вероятность безотказной работы совокупности {} изделий при условии, что наработка любого ]-го элемента этой совокупности не превышает [Т;]. По мере накопления информации о техническом состоянии изделий в эксплуатации повышается достоверность оценки Р1 и значение [Т1] поэтапно увеличивается, пока (2) не превратится в равенство. Ограничение [Т1] может устанавливаться единым для всех изделий данного типа или ранжировано по группам изделий в зависимости от условий эксплуатации {Х1} и {к1}. В этом случае, цепь {Х1, к1} (рис. 3а.) замыкается на ограничение [Т;]. Планы испытаний на надежность при методе ТЭР также соответствуют рассмотренным для ТЭО в зависимости от классификации и правил восстановления изделий. Схема информации о ТС изделий в эксплуатации является разомкнутой, т.к. контроль наработки ]-го изделия не фиксирует его фактического ТС и нет прямой связи между ТС_]-го изделия, выходной информацией ^ и управляющими действиями {Ву}.
Применение метода ТЭР требует информации о текущей наработке каждого изделия, о соответствии условий эксплуатации {ху} и {ку} ]-го изделия установленным ограничениям [х;] и [к1], что обеспечивает заданную вероятность безотказности этих изделий при отработке ресурса [Т1], а также информацию, аналогичную при ТЭО для оценки обоснованности ресурса [Т1] и надежности ВС в целом.
Классификация информации по групповому признаку (для всей совокупности изделий, выборке изделий или индивидуально по изделию) определяется логическими условиями применения каждого метода эксплуатации при обеспечении безопасности полетов.
Реализация методов эксплуатации по достаточному условию обеспечения эффективности процесса технической эксплуатации (ПТЭ) сводится к выбору метода эксплуатации ТЭО или ТЭП, обеспечивающего максимальное сокращение затрат на ТЭ относительно альтернативного метода ТЭР согласно условию. Соответственно, информационное обеспечение достаточного условия выбора и реализации метода эксплуатации ТЭО или ТЭП требует статистической информации об эффективности применения метода ТЭР и дополнительной информации об относительной эффективности применения методов ТЭО или ТЭП по каждому типу изделий. Расчет
эффективности всех методов эксплуатации производится относительно удельных затрат на ТЭ одного изделия данного типа по каждому авиапредприятию при условиях, что годовой объем летной работы и срок службы ЛА в целом не меняется, а парк ЛА (изделий данного типа) остается неизменным в данном авиапредприятии.
Рассмотренные условия информационного обеспечения выбора методов эксплуатации изделий АТ позволяют определить достаточные условия их применения с позиции не только экономической эффективности, но и в зависимости от располагаемой и потребной информации, общие требования к которой сформированы на основе изложенных принципов. Конкретные информационные потоки формируются в системе ТОиР для каждого изделия АТ и ВС в целом. Схема информационного обеспечения методов эксплуатации по состоянию приведена на рис.4 и в табл. 1.
Таким образом, рассмотренные принципы и технологии обеспечивают выбор и внедрение методов эксплуатации по техническому состоянию изделий АТ, а предложенные схемы контроля обеспечивают контроль летной годности ВС и корректировку, при необходимости, принятых условий и технологий перевода АТ на ТЭС.
Таблица 1
Информационное обеспечение методов эксплуатации изделий
Информация ТЭО ТЭР ТЭП
Входная и н о о м ” о со Ю Е - категория; [Р- последствия отказа изделия {Х1 }е[Х1 ],{к1}е[к1 ] Е - категория; [Р1] - последствия отказа изделия Е - категория; [Р1] - последствия отказа изделия; условие: Пн = ^Р1(1,х,к)]
По эффективности {В^Ь; {Вш}н; (М; {Т1к}; {1ш}ш {Тш}ш Тг; пь {N1} Аналогично ЭО и дополнительно: Цц, З11; К11; [Т1] {Х1}; {kl}J; {В1к}п; {ВШЬ; {Ы; {Т1к }; {11н}; {Т1н}н;ТГ; nl, {Nl}
Управляющая По безопасности Р1(1) < Щ];1ч = [11] {В1к}ш {В1н}н tlj = [11] Т.. = [Т.] {В1к}п, {В1н}н П1(11,Х1,к1) = [П1] 1^| = [^Ь {Blk}п, {В1н}н
-к и ет ф со э нв о ви Пт АС^у ^ 0; 3 21; и21; К21 АС^у < 0 ; 3 21 ; и21; К21 АС^у ^ 0 ; 3 21 ; и21; К21
Выходная По безопасности Тч; Р1(1) Тч; Р1(1) Т^; Р^); П^х^)
По эффективности Т1ср; АС^у Т1 Т1ср; АС^у
Рис. 4. Укрупнённая схема информационного обеспечения реализации методов эксплуатации по состоянию
ЛИТЕРАТУРА
1. Далецкий С.В. Проектирование систем технического обслуживания и ремонта воздушных судов гражданской авиации. - М.: МАИ, 2001.
MAINTENANCE OF AERONAUTICAL PRODUCT IN ACORDANCE WITH CONDITION CONTROL AND MANAGEMENT OF RELIABILITY
Daletskiy E.S., Daletskiy S.V.
It was considered the main statements of aeronautical products reliability information support , control and managing procedures during maintenance in accordance with condition.
Сведения об авторах
Далецкий Станислав Владимирович, 1944 г.р., окончил МАИ (1969), доктор технических наук, начальник отдела ГосНИИ ГА, заслуженный работник транспорта РФ, почётный авиастроитель РФ, академик Российской академии транспорта и Российской академии проблем качества, эксперт Госстандарта РФ и Межгосударственного авиационного комитета, автор более 100 научных работ, область научных интересов - разработка, испытания и техническая эксплуатация воздушного транспорта.
Далецкий Евгений Станиславович, 1980г.р., окончил МАИ (2004), аспирант МГТУ ГА, область научных интересов - информационное обеспечение процессов эксплуатации ВС и контроль надежности авиатехники.
