Концепція системи поточного контролю та діагностування ГТД “ діагноз-якість-надійність” Текст научной статьи по специальности «Экономика и бизнес»

УДК 681.3.069:681.3.015

Ю. М. Чоха

КОНЦЕПЦ1Я СИСТЕМИ ПОТОЧНОГО КОНТРОЛЮ ТА Д1АГНОСТУВАННЯ ГТД " Д1АГНОЗ-ЯКЮТЬ-НАД1ЙНЮТЬ"

Анотаця: ОбТрунтовуеться принципово новий пдхд до процесу д1агностики ГТД з вико-ристанням комплексних д1агностичних показник1в якост \ техн ¡чного стану \ над ¡йност \ функцонування ав1адвигуна для прийняття експлуатацйного р1шення.

Вступ

До числа прюритетних науково-технчних проблем, що породжуються практикою проектування, виробництва й використання за призначенням тех-нiчних об'eктiв та складних динамiчних систем, вiдносяться проблеми пошуку методiв i розробки оптимальних технологй управлiння якiстю технч-ного стану (ТС) та надмнютю функцюнування (НФ) цих об'eктiв (систем) [1].

Зважаючи на бурхливий розвиток Ытелектуаль-них iнформацiйних технолопй у виглядi експертних систем значно зросла зацкавленють дослiдникiв та iнженерiв до вирiшення зазначених проблем у промисловост, на транспортi, вiйськовiй справi та iнших практичних застосувань науковоемких тех-нологiй ресурсозбереження [2].

Особливо''' актуальностi проблема управлiння якiстю ТС та НФ у процес експлуатацп набула для таких функцiонально важливих складних динамiч-них об'ектiв як сучасн ГТД, в яких деградацйн процеси, пошкодження та вiдмови функцюнальних складових створюють небезпечнi посилання до виникнення льотних подм, значною мiрою вплива-ють на безпеку, регулярнють та ефективнiсть по-льотiв повпряних суден [3].

Переведення авiацiйних ГТД на новi бiльш про-гресивн форми та технологи експлуатацп потребуе виршення ряду задач, пов'язаних з поточною оц-нкою та прогнозуванням ТС окремих екземплярiв двигунiв, що дiагностуються. Поряд iз задачами технчно''' дiагностики авiадвигунiв (за критерiями змЫи газодинамiчних параметрiв, рiвнем вiбрацil', кнетики накопичення закоксування паливних форсунок, продуктв зношення пар тертя у мастилi i т.д.) велике значення набувають задачi, пов'язанi з оцнкою змiни якостi ТС та НФ конструктивних вузлiв (елементiв) ГТД в умовах регулярно''' експлуатацп.

Враховуючи той беззаперечний факт, що яксть ТС i НФ конструктивних вузлiв сучасних ГТД взае-мно корельован, 'х можна вважати критерiально визначальними характеристиками при контролi та дiагностуваннi авiадвигунiв у процесi експлуатацií. Проте, якщо виршення прямо' задачi дiагностики ГТД щодо оцiнки змiни 'х якостi та надiйностi фун-

© Ю. М. Чоха 2006 г.

кцонування пов'язано iз значними труднощами, то можливий бiльш простий i ефективний пiдхiд - ви-рiшення обернено' задачi дiагностики, тобто за виз-наченою змiною дiагностичних параметрiв ГТД кон-тролювати та оцнювати змiну якостi ТС та НФ ГТД в цтому i конструктивних вузлiв (елементiв) зокре-ма порiвняно iз зафiксованим ТС на початку експлуатацп (або псля останнього ремонту).

Пд якiстю технiчного стану ГТД, вщповщно до чинних стандартв якостi, розумiють сукупнiсть вла-стивостей ГТД, як обумовлюють його придатнють до використання за призначенням. Оцнка якостi ТС ГТД здiйснюеться за комплексним дiагностич-ним показником якост ТС (№у, який являе собою узагальнену ктькюну характеристику властивостей двигуна, що входять до складу його якост ТС та розглядаються вщповщно до визначальних умов життевого циклу (проектування, виробництва або експлуатацп).

Пд надмнютю функцiонування ГТД, вщповщно до чинних стандартiв, розумють спроможнiсть двигуна використовувати задан функцп (а саме ство-рення задано' величини тяги при заданй величинi витрати палива) при збереженн за часом напра-цювання значень експлуатацйних показникiв в за-даних межах, якi вiдповiдають заданим режимам та умовам експлуатацп. Оцнка надмносл функцю-нування ГТД здмснюеться за комплексним дiагно-стичним показником надмност функцiонування (Р5), що являе собою узагальнену ктькюну характеристику того, що в межах заданого часу напра-цювання двигуна вЫ не втратить працездатност.

Виходячи з таких мiркувань пропонуеться кон-цепця принципово ново'' динамiчноí системи поточного контролю i дiагностування авiацiйних ГТД типу "дi агноз-яю сть-надi йн i сть".

Базова багатомiрна динамiчна математич-на модель системи контролю i дiагностування ГТД

За базову математичну модель (ММ) прийнято систему нел i н i йних диференц йних р i внянь [4], як у загальному виглядi описують i оц i нюють динам i -ку змЫи ТС ГТД у процес експлуатац и в багатомi р-ному критер i альному простор i "час-д iагноз-якi сть-

надмнють

К si (ti) = К zo(t 0) ± (ДК Ее;

dK s,

Wst (К st (11)) = Ws o( К so (t 0)) -

dtl

dWSi dW

Si

d_К

Si

dt.

Д.,

(1)

Psi (Кs, (t,)) = Psо(Кso (to)) -

dPSi dP:

Si

dR^Sj dt j

Д/,

де WS¡(КZ¡, t¡), Ps(Кz(t¡)) - поточнi комп-

лекса дiагностичнi показники (КДП) вiдповiдно тех-нiчного дiагнозу, якостi ТС, надмност функцюну-вання ГТД, якi характеризуют поточний ТС авiад-вигуна у будь-який момент його дiагностування в умовах регулярно! експлуатаци; КЕ0( t0), Wso(Кso(to)), Pso(Кso(to)) початковi КДП вщповщно технiчного дiагнозу, якостi ТС, НФ ГТД, як мае ап-рiорно справний двигун на початку (у експлуатаци (або пюля останнього ремонту); А^вим - допуск на величину систематично! похибки вимiрювань штатно!' системи контролю параметрiв типового ГТД; Atj = tпот- ^ - абсолютне значення поточного на-працювання ГТД.

Похiднi КДП в рiвняннях системи (1) характе-ризують динамiку !'х змiни за часом напрацювання ГТД.

Визначення технiчного дiагнозу ГТД здмснюеть-ся за алгоритмами комплексного контрольно-роз-рахункового методу дiагностування та комбЫова-ного функцiонально-тестового методу щентифкаци несправностi [5, 6] за значеннями КДП двигуна в цтому (Кs) або його конструктивних вузлiв (К). При цьому поточнi значення КДП Кs¡(t/) можуть змЫю-ватись у двох напрямках вщ початкового КSo(to) за спввщношенням:

Ks,(1,) = Км(?0)±AKsi(Аг,), (2)

де Кso(to) = 1,0; □Кs(□t/) = □ -

абсолютне прирощення значення КДП у момент дiагностування ГТД, яке характеризуе мiсце виник-нення несправностi серед вузлiв "холодно!'" (-або "гарячо!'" (+□КS({□ti)) частин ГТД.

В той же час КДП якост ТС Ws((t¡) та надмност функцiонування Рs((t¡) можуть змiнюватись одно-бiчно у напрямку зменшення вщ Тх початкових зна-чень Wso(to) i Рso(to) за спiввiдношеннями:

((,) = о (Кso (^)) - АЖ3, (АКsi (А1,, (3) Рз,((,) = Рзо(^о((о)-Щ,(АКsi((,)), (4) де КSo( to)) = 1 ,0- □ WSексп.(□ КSвuм.),

PS0(КS0(t0))= 1,0-^експ.№вим.:> - початковi зна-чення КДП вiдповiдно якостi ТС i НФ ГТД у момент

початку експлуатаци (або пюля останнього ремонту); □ Ws(Кs(to)), ^,{^0)) - абсолюты значення величини змЫи КДП якостi ТС та НФ ГТД у момент проведення його дiагностування.

Отже, показники якост ТС та НФ являються монотонно зменшуваними функцiями КДП ГТД (К^ та часу напрацювання двигуна (^¡) з початку експлуатаци (або пюля останнього ремонту) на момент проведення дiагностування, тобто величини КДП якост ТС i НФ завжди менше одиницi. Графiчна Ытерпретаця розглянуто''' ММ представлена на рис. 1.

Методика визначення поточного ТС ГТД за значеннями комплексних дiагностичних по-казникiв

Вiдповiдно до рис. 1 вщзначимо характернi ек-сплуатацiйнi дiапазони можливих значень КДП ГТД ^^М}, ^/^М}, якi оцiнюють i ха-рактеризують поточний ТС двигуна у процес його регулярно!' експлуатац ''.

Так при значеннях К^^) в межах 1-го ступеня

(1,0 - АК^им) < Кsl (г,) < (1,0 + АК^им), (5)

(Ка(1 1>1 о

"w^tlfi

Рис. 1. Граф1чне подання ММ системи поточного контролю та д i агностування ГТД "д i агноз-яКсть-над 1йн ють": I, II, III -характеры експлуатацйн i д iапазони зм iни показник в якост ТС та над i йностi функцiонування в залежностi в i д д iапазону

зм i ни показника д iагнозу за часом напрацювання двигуна; Rb R2, R3 - сумарн i вектори поточних веюо^в показник в д iагнозу, якост i ТС та над i йност i функцонування в характерних д iапазонах Тх зм i ни

як характеризуют "справний" ТС ГТД, значення величини показника якост ТС WS({KEi (t)) знаходять-ся в межах дi апазону 1-го р i вня

(1,0 - AWSeKcn (АКХвим )) < WS1 (Kn (t, )) < 1,0 , (6)

яю характеризують "добрий" ступ i нь якост ТС ГТД, а величина показника надi йност функц онування Ps(t)) також знаходиться в межах дi апазону 1-го р вня

(1,0 - А^експ (AK^ )) < Psi (Kл (t, )) < 1,0 , (7)

як характеризують надмн ¡сть функц онування ГТД в межах "заданого" ("докритичного") р i вня.

При таких показниках дi агнозу, якост ТС i над-i йностi функц iонування ГТД може експлуатуватись на всх визначених нормативною документа^ ею штатних режимах без проведення проф тактичних заход i в, передбачених регламентом ТО.

Якщо поточн i значення КДП знаходяться в межах 2-го дi апазону

динамi ки поп ршення ТС.

У випадку, коли поточн i значення КДП Кл{^) набувають величин 3-го дi апазону

Клз (t, ) > (1,0 + АКлвым [АКЕ ] Клз(t,) < (1,0-АКлим[АКл]

доп

(11)

це означае, що ТС ГТД "непрацездатний", якому в ¡дпов щають значення показника якост ТС Ws(t) дi апазону 3-го ступеня

Wsз (t, ) < (1,0 -AWs екСп (АКлвим ) --AWsдоп ([АКл ]доп), (12)

що характеризуе поточну як сть ТС ГТД як "незадов ¡льну", а значення показника НФ ГТД Ps((t) також сягають дi апазону 3-го р i вня

Ps3(t,) < (1,0-AWsекСп(АКлвим) -

- ^S доп ([АКЛ] доп X

(13)

(1,0 + АК лвим ) < К Z2(t, ) <

< (1,0 + АКЕвим + [АКл ]доп);

(1,0 -АК Евим - [АК л ]

доп ) —

< К л2 (t, ) < (1,0 -АК лвим ),

(8)

де [AKy]âon - межево припустимий допуск на в ¡дхи-лення д агностичних параметр в в д ТУ, то це ха-рактеризуе "несправний", але "працездатний" ТС ГТД, тобто це передв ¡дмовний стан двигуна, при якому значення показника якост ТС знаходяться в межах дi апазону 2-го ступеня

(1,0 - AWseKcn (АК лвим ) - Ws доп (№ ]доп )) <

< Ws2 (Кл2 (t, )) < (1,0 - AWseKcn (AKw )),

(9)

де AWsdon ([AKy]âon) - межево припустимий експ-луатац i йний допуск на як сть ТС ГТД, тобто ступ i нь якост ТС вважаеться "задов тьним", а значення показника надмност функц онування знаходяться в межах дi апазону 2-го р i вня

(1,0 - Щексп (АК лвим ) - PS доп (№ ]доп )) <

< Ps 2 ( К л 2 (t, )) < (1,0 - APseKCn (АК^им )), (1 0)

а це означае, що надi йн i сть функц онування ГТД знаходиться на "недопустимому" ("закритичному") р i вн i.

При таких показниках дi агнозу, якост ТС i НФ подальша експлуатацiя даного екземпляру ГТД мае бути припинена для виконання спец i альних проф-тактично - в щновлювальних роб ¡т, що дозволяють п щвищити значення дi агностичних показникв до меж дi апазону 2-го або 1-го р i вня.

Граф iчна i нтерпретаця запропоновано''' методики визначення поточних показник в якост ТС i над-i йност функцi онування ГТД представлена на рис. 2, 3. Зведен дан щодо ранжування експлуатац й-них дi апазон iв змiни комплексних дi агностичних показникв в щпов щно до розроблено''' концепц и си-стеми поточного контролю i д iагностування ГТД типу "д агноз-як сть-над йн сть" представлено у таблиц 1.

де АР8доп ([ДК£]доп) - межево припустимий експ-луатац йний допуск на над йн сть функц онування ГТД, тобто надi йн i сть функц i онування знаходиться в межах "допустимого" ("критичного") р i вня.

При таких показниках дi агнозу, якост ТС i НФ ГТД може експлуатуватись з певними обмеження-ми або особливим контролем з прогнозуванням

{КЫЦ)

М

{КиШ

ТС „холодноУ"* частини ГТД н е ир ац е здат и ий (Ку *ГС „холодно!"^ частини ГТД несправннй,але працездатнии 4-1—-к- ТС „справний"' (Кт ТС „гарячоГ * частини ГТД несправннй,але працездатнии )п.ал (Ку ТС „гарячог" частини ГТД непрацездатннй Кг(1)<1,0

1 1 ч \ ) 1 г \ \ \ 1 1у VI 1 \ \ Г 1 ч' \ \ 1 1 1 Л к ■ 1—1 с £§ 1—I

ч \ \ \ \ \ \ \ \ V \ к

V \ \ у/У, V/. У / / ( '.ЩЩ М е\а,, задан н" як скп \ Л в в >- г> гг\

X \ Ч ч ч

\ \ \ V ч \ \

ч \ \ \ ч Ч

V/, V/, V/ /У/ * У -Г . № у у 2) Меж; 1 „зад ЭВ1ЛЫ я £ОСТ1 А 2 Я > н и

1,0 ■

Рис. 2. Графiчне визначення ступенiв та дiапазонiв величин показника якостi технiчного стану ГТД (М5) за дiапазонами величин комплексного дiагностичного показника (КЕ(0) двигуна, що дiагностуeться

\ Ра<1.0 - / л к ■и Ш 'а гл

\ (Рз м ¡¿/У ежа //> цопус ' Ч/Ч III МО г° 1ЙНОС Г1

ч * \ X Л Щ Я) а '3*

ч Ч > \ X

С Ч \

ч Ч ч ср., -л ■ : Мея ^¿за, 1а но Г ■ над1 ЬюСТ Ч

ч ч ч ч ч ч / Ч ч \ л а и И 'а т—1

_[_ ■ Ь. \ 1 ■ ч _1_ \ / ч ч _1_ Ч 1—1—

Кг(1)<1,0 (КЕ2)„

(КЕЗ(1)} ТС „холодноУ" част и ни ГТД

непрацездатнин -►

{кЕ2(0}

ТС „холодно!"' частини ГТД несправннй але

1,0 (КЕ1)„

{К:л(1)> ТС „справний"

ТС „трячо!"

частини ГТД

несправннй але 4—————тт»

{Кнф} ТС „гаряЧо!" частини ГТД

непрацездагний -

працездатнии

ирацездатнпп

Рис. 3. Графiчне визначення рiвнiв та дiапазонiв величин показника надiйностi функцiонування ГТД (Р3) за дiапазоном величин комплексного дiагностичного показника (КЕ(0) двигуна, що дiагностуeться

Таблиця 1 - Ранжування i характеристика експлуатац i йних дi апазон i в 3Mi ни КДП та показникв якост ТС i надiйностi функц онування проточно! частини ГТД в систем i д i агностування ' 'д i агноз-як сть-надiйн ють"

Ранги та характеристика дiапазонiв дiагностування Дiапазон значень показникiв

техшчного дiагнозу якостi технiчного стану (Wsi) надiйностi функцiонування (Psi)

1. Докритичний ТС: ГТД справний, доброго ступеня якосп та заданого рiвня НФ (1,0 -АК^им) < ) < < (1,0 + АК^вим ) "СПРАВНИЙ" (1,0 -АГ^експ (АК£вим )) < < WS1(К£l(tl)) < 1,0 "ДОБРИЙ" (1,0 -А^експ (АК£вим )) < < Ps1(K£1(ti )) < 1,0 "ЗАДАНИЙ"

2. Критичний: ТС ГТД працездатний, задовшьного ступеня якосп допустимого рiвня НФ ■ (1,0 + АКЕвим ) < К£2 (ti) < < (1,0 + АКЕвим + [АК£ ]доп); (1,0 -АК Евим - [АК £ ]до„) < < КE2(ii) < (1,0-АКЕвим), несправний але працездатний" (1,0 -АГ?еКСп (АК£вим ) -- Wsдоп([АК£]доп )) < < Ws2(K£2(ti )) < < (1,0 -АWsексп (АК£вим )) "задовiльний" (1,0 -АPsексп (АК£вим ) - - PS доп ([АК £ ]доп )) < < PS2 (К£2 (ti)) < < (1,0 - АР^експ (АК£вим )) "допустимий"

3. Закритичний: ТС ГТД непрацездат-ний, незадовшьно! якосп i недопустимого рiвня НФ ■ К£3 (ti) > (1,0 + + АК£вим[АК£] доп ); К23 (ti) < (1,0 -- АК£вим[АК£] доп ) " непрацездатний" Ws 3(t,) < (1,0 -- ^S експ (АК£вим ) --АWs доп ([АК£ ]доп ) "незадовшьний" Ps3(ti ) < (1,0 -- експ (АК £вим ) --Aps доп ([АК£ ]доп ) "недопустимий"

Висновки

Основною особлив i стю зазначено''' системи д i агностування е поеднання визначеного за ККР методом поточного дi агнозу ГТД як об'екта в цтому, так i на р iвн i конструктивних вузл i в (елемент в) за новими критер iями - якост техн i чного стану та над-i йност функцiонування двигуна (вузла, елемента), що дозволяе розширити просторову оц i нку техн i ч-ного стану ГТД з двомi рно''' ("час напрацювання-д i агноз") до чотиримi рно''' ("час напрацювання-дi аг-ноз-як сть ТС-над йн сть функц онування"). Такий п ¡дхщ дае можлив i сть значно глибше оц i нювати по-точний ТС ГТД як з технолопчно''' точки зору (за сту-пенем якост ТС), так i з точки зору безпеки експлу-атац ' (за р внем над йност функц онування).

Запропоноване ранжування можливих експлуатац i йних значень комплексного дi агностичного показника (КЕ(0) дозволяе визначити характерн i ступен i, р iвн i й дi апазони змi ни показникв якост ТС та надi йност функцi онування ГТД, що, у свою чергу, дае можлив i сть надавати просторову характеристику поточного ТС конкретного екземпляру двигуна, що дi агностуеться (табл. 1)

Розроблена математична модель системи дi агностування 'д агноз-як сть-надi йн i сть" i алгоритми визначення и поточних показникв дозволяе досить просто адаптувати 'х в автоматизован i та експертн i системи дi агностування ГТД.

Концепц i ю системи поточного контролю та д i агностування "д i агноз-як сть-надi йн i сть" можна вва-жати базовою для розроблення ново!' стратеги екс-плуатаци ав i атехн i ки, зокрема ГТД, за техн iчним станом з контролем р iвня льотно!' придатност.

Список лiтератури

1. Барзилович Е.Ю. Модели технического обслуживания сложных систем. - М.: Высшая математика, 1982. -231 с.

2. Дубровин В.И., Субботин С.А., Богуслаев А.В. Интеллектуальные средства диагностики и прогнозирования надежности авиадвигателей. - Запорожье: ОАО "Мотор-Сич", 2003. -279 с.

3. Безпека ав i аци / В.П. Бабак, В.П. Харченко, В.О. Максимов та i н.; За ред. В.П. Бабака. -К.: Техн ка, 2004. - 584 с.

4. Чоха Ю.М. Математична модель динамiчноl' системи дi агностики ГТД "д агноз - як сть-надi йн i сть" / В i сник НАУ. - К.: НАУ, 2006. - №1. - С. 76-79.

5. Дмитр i ев С.О., Чоха Ю.М. Застосування комплексного контрольно-розрахункового методу дi агностування конструктивних вузл i в типових ТРДД для динамi чних ЕСД // Вестник двигате-лестроения. -2004.- № 1. - С. 27-

29.

6. Дмитриев С.А., Чоха Ю.Н. Методика применения функционально-тестового метода идентификации неисправностей ТРДД в среде динамической ЕСД. // Вестник двигателестроения. -2004. - № 2. -С. 173-176.

Поступила в редакцию 07.02.2006 г.

Аннотация: Обосновывается принципиально новый подход к процессу диагностики ГТД с использованием комплексных диагностических показателей качества технического состояния и надежности функционирования авиадвигателя для принятия эксплуатационного решения.

Abstract: Is motivated in principal new approach to process of the diagnostics GTE with the use of the complex diagnostic factors quality technical condition and reliability of the operation gasturbine engine for taking the working decision.