CC BY
32
ВОЕННО-СПЕЦИАЛЬНЫЕ НА УКИ
УДК 629.7.051.83-021.4; 629.7.027
ОПЕРАТИВНАЯ ДИАГНОСТИКА ТОРМОЗНЫХ КОЛЕС САМОЛЕТОВ ВОЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ ПО ТЕПЛОВОМУ СОСТОЯНИЮ
ТРИБОСОПРЯЖЕНИЙ
Д.Н. Смирнов
Рассмотрена оперативная диагностика тормозных колес самолетов военного назначения по тепловому состоянию трибосопряжений, состоящая из оценки качества посадки самолетов военного назначения и определения технического состояния тормозных устройств авиационных колес. В основу оперативной диагностики положен разработанный автором оригинальный способ инструментального контроля качества посадки самолетов военного назначения.
Ключевые слова: оперативная диагностика, термограмма, тормозные колеса, качество посадки, трибологическое тепловыделение, износ.
Анализ авиационных происшествий показал, что наибольшая их часть происходит во время выполнения посадки (большие посадочные скорость, вес и зачастую приземление с перелетом). Это сопровождается интенсивным торможением, вследствие чего, существенно повышаютсямеханические и тепловые нагрузки на элементы тормозных колес самолетов военного назначения (ВН), что приводит к их перегреву и возможным разрушениям и в свою очередь повышает вероятность возникновения авиационных происшествий.
Тормоза колес военно-транспортного самолета Ил-76 только за одно торможение после посадки должны поглотить около 177 МДж кинетической энергии, которая главным образом преобразуется в теплоту, вызывая нагрев отдельных элементов тормозного колеса до 500 °С. Температура на поверхности трения фрикционных элементов при этом может достигать 1000... 1100°С. При таком нагреве изменяются механические свойства материала элементов тормозных колес самолетов ВН.
Интенсивное торможение при повышенных посадочных скоростях и весе самолетов ВН, а также приземление с перелетом, приводит к перегреву фрикционных узлов и росту температуры элементов тормозных колес самолетов ВН и, как следствие, к усилению износа (потере способности тормозными дисками поглощать заданное количество энергии). С каждой посадкой актуальность контроля тормозных колес самолетов ВН возрастает.
В настоящее время известен оперативный способ определения технического состояния элементов тормозных колес самолетов ВН, основанный на контроле сигнализаторов превышения предельных температур - термосвидетелей, выплавляющихся при температуре 120.130 оС и проверке положения указателя износа, по состоянию которого определяют степень механического изнашивания тормозных дисков [1].
323
Основными недостатками этого способа являются: невозможность определения первопричины дефектов с помощью термосвидетелей т.е. является ли повышенный износ, разогрев или поломка элементов тормозных колес самолетов ВН следствием одной грубой посадки или они накопились в результате нескольких стандартных посадок; указатель износа не позволяет определять другие проблемы, которые могут неблагоприятно сказываться на рабочих характеристиках тормозов, такие как разрушение дисков, потери ведущих шипов, окисление, неравномерный износ дисков, прихватывание тормоза или загрязнение.
Поэтому важнейшей задачей, определяющей принципиальную возможность эффективного применения самолетов ВН, является оперативная и своевременная информация о фактическом техническом состоянии его функциональных систем, в том числе элементов тормозных колес, а также о возможных тенденциях изменения этого состояния.
Для определения первопричины дефектов предлагается способ инструментального контроля качества посадки самолетов ВН [2], который реализуется следующим образом.
После посадки самолетов ВН проводятся тепловизионные измерения элементов тормозных колес, как это показано на рис. 1 а, б, в, после чего, полученные термограммы и исходные посадочные характеристики заносят в базу данных посадок.
а
б
Рис. 1. Тепловизионные измерения элементов тормозных колес
после посадки ВС ВН
Измерительная система содержит тепловизионный прибор, электронно-вычислительную машину и специализированную программное обеспечение.
Тепловизионный прибор служит для инфракрасной термографии элементов тормозных колес после посадки самолетов ВН и передачи изображения поверхности этих устройств в устройство обработки информации. Устройство обработки информации имеет экран для отображения визуальной информации термограммы поверхности элементов тормозных колес самолетов ВН. Система программирования обрабатывает данные термограмм и выдает результат оценки качества посадки. Процедуру осуществляют дистанционно, без вмешательства в конструкцию и до проведения регламентных работ по обслуживанию самолетов ВН.
Система программирования обрабатывает данные термограмм и решением обратной задачи теплопроводности выдает значение интенсивности трибологического тепловыделения Q'(t), приходящейся на единицу поверхности фрикционного контакта тормозного устройства.
Так как при торможении кинетическая энергия движения самолетов ВН преобразуется в тепловую энергию, интенсивность трибологического тепловыделения можно рассчитать по формуле:
в
3
(№) = т
2п п FS
ст фп к° т (1)
где т - масса самолета ВН, кг; V - скорость движения самолета ВН при приземлении, м/с; Sт - путь торможения, м; Пст - количество стоек шасси, шт.; пфп - количество фрикционных пар, шт.; Fk- площадь касания тормозных дисков, м2.
Интенсивность трибологического тепловыделения с учетом теплового состояния шасси перед посадкой рассчитывается по формуле
ет^ео , (2)
где к - коэффициент пропорциональности, учитывающий время между предыдущими взлетно-посадочными мероприятиями, к = 1.2 (значение уточняется по результатам полетов).
После снятия термограмм трех посадок самолета ВН производят программный расчет интенсивности трибологического тепловыделения для этих измерений и рассчитывают среднеквадратичное отклонение по формуле
= ^(61«) - ))+(62 (0 )) + (63«) - О'д)) (3)
Затем рассчитывают коэффициент вариации:
V = . (4)
При значении коэффициента вариации V = 0,1...0,3 посадка признается удовлетворительной.
При этом нижний предел 0,1 относится к благоприятным погодным условиям и высоким значениям коэффициента сцепления пневматика колеса с поверхностью взлетно-посадочной полосы (ВПП), а, соответственно верхний предел 0,3 применяется для сложных условий посадки (мокрая ВПП, гололед, сильный боковой ветер).
Если при всех посадках 6'1,2,з(?) < 6"(0, посадочные мероприятия признаются удовлетворительными.
Значение коэффициента вариации V > 0,3 говорит о выделении существенно большего количества тепловой энергии, что в свою очередь означает ошибки в процессе управления приземлением самолетом ВН или неисправное состояние тормозных устройств колес самолета ВН (износ тормозных дисков, окисления углеродного фрикционного материала, разрушение узлов поддержания суммарного зазора между дисками; разрушение конструктивных элементов тормоза из-за появления процессов схватывания в фрикционных узлах, поломка нескольких ведущих шипов на диске, поломка ряда приводов в тормозных дисках).
Пример результата расчета интенсивности трибологического тепловыделения для трех посадок самолета ВН представлен на рис. 2.
Рис. 2. Интенсивность трибологического тепловыделения
325
Из рис. 2 следует, что интенсивность трибологического тепловыделения увеличивается с изменением посадочных характеристик, уровня подготовленности летного состава, условий посадки самолета ВН, увеличении износа тормозных дисков и достигает своего максимума в конце длины пробега Ьпр1 через 11 секунд, Ьпр2 через 28 секунд, Тпрз через 40 секунд после касания ВС взлетно-посадочной полосы (ВПП), далее протекает процесс распространения теплоты а, б, в, сопровождающийся нагревом элементов тормозных колес самолета ВН.
Контролируемые и обрабатываемые значения, получаемые с помощью тепло-визионных измерений и моделирования, после каждой посадки самолетов ВН, формируют тенденции изменения технического состояния тормозных устройств колес самолетов ВН, позволяющих выявлять момент зарождения дефекта в виде температурной аномалии.
Тепловое состояние элементов тормозных колес самолетов ВН, полученное как при тепловизионных измерениях (рис. 3), так и в результате моделирования (рис. 4), при сравнении их с эталонными (полученными в процессе государственных испытаний самолетов ВН), позволяет выявить локальные максимумы температур и аномалии температурных полей, которые сигнализируют о необходимости более детального анализа этих зон на предмет выявления возможных дефектов [3].
Рис.3. Термограмма шасси ВС Рис.4. Поле тепловыделения
при Упос = 60 м/с, Опос = 40000 кг, Ьпр = 700 м
Рассмотрим некоторые варианты развития событий при значение коэффициента вариации V > 0,3 по техническому состоянию тормозных устройств колес самолетов ВН и их локальных максимумов температур и аномалии температурных полей.
Степень механического изнашивания тормозных дисков оценивается путем сравнение измеряемого повышения температуры с ожидаемым повышением температуры. Разница между этими значениями указывает на степень механического изнашивания тормозных дисков, при этом, чем больше степень износа, тем больше повышается температура. Это связанно с потерей массы тормозных дисков и увеличением их энергонагруженности. Кроме того, задаем пороговое значение, представляющее разность между ожидаемой температурой для новых тормозных дисков и полностью изношенных. По мере того, как результаты оперативной диагностики будет приближаться к пороговому значению разности температур, техник самолета или бортинженер, в зависимости от типа самолета ВН, получат информацию о том, что техническое состояние тормозных диски близко к предельному. Данная информация позволит дать рекомендации командиру корабля о предстоящих посадках.
Тормозные диски, кроме механического изнашивания, могут терять массу по другим причинам, например, из-за окисления углеродного фрикционного материала, или из-за потери нескольких ведущих шипов. Такие потери массы приводят к большему повышению температуры, чем наблюдается при отсутствии дефектов [4].
Снижение массы, вызванное потерей ряда приводов в тормозных дисках, разрушением узлов поддержания суммарного зазора между дисками, разрушением конструктивных элементов тормоза из-за появления процессов схватывания во фрикционных узлах приводит к более резкому повышению температуры во время включения тормозов, по сравнению с повышением температуры, прогнозируемым при статистическом анализе изменения измеряемых и моделируемых значений в течение определенного периода времени.
Таким образом, анализ результатов статистической обработки данных, полученных при оперативной диагностике технического состояния тормозных колес самолетов ВН по тепловому состоянию трибосопряжений, показывает:
систематическая оперативная диагностика является эффективным методом для определения показателей эксплуатационной надежности;
полученные данные требуют тщательной обработки для сравнения данных по надежности, относящихся к различным годам;
с помощью статистической обработки, можно получить параметры эксплуатационной надежности тормозных колес самолетов ВН и выявить их особенности, тенденции развития и причины отказов.
Список литературы
1. Корнеев В.М. Конструкция и основы эксплуатации летательных аппаратов: конспект лекций. Ульяновск: УВАУ ГА (и), 2009. 130 с.
2. Способ инструментального контроля за качеством посадки летательного аппарата: заявка на пат. 2017143557 Рос. Федерация МПК: B64F 1/18, B64D 45/00: / Д.Н. Смирнов [и др.]; ФГБОУ ВО ВГУИТ.
3. Смирнов Д.Н., Ткачёв В.И., Сафонов Д. А. Моделирование системы теплови-зионного контроля тормозных механизмов воздушных судов. // Прикладная математика. Математическое моделирование систем и механизмов: сб. материалов конференции. Воронеж: ВГЛУ им. Г.Ф. Морозова, 2017. С. 492-495.
4. Патент РФ № 2284274 / 27.09.2006. Миллер Р.Д., Гриффин Н.Ч, Байли Д.А., Маршалл Р.Д. Контроль состояния тормозной системы // Патент России № 2284274.
Смирнов Дмитрий Николаевич, преподаватель, 48dimka54@,mail.ru, Россия, Воронеж, Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина»
OPERATIONAL DIAGNOSTICS OF BRAKE WHEELS FOR MILITARY AIRCRAFT ON THE THERMAL STATE OF TRIBROCONTENSIONS
D.N. Smirnov
The operative diagnostics of the brake wheels of military aircraft based on the thermal condition of the tri-rifles, which consists of assessing the quality of the landing of military aircraft and determining the technical condition of the brakes of the aircraft wheels, is considered. The basis for on-line diagnostics is the original method developed by the author for instrumental quality control of military aircraft landing.
Key words: operational diagnostics, thermogram, brake wheels, landing quality, tribological heat generation, wear.
Smirnov Dmitry Nikolaevich, lecturer, 48dimka54@,mail. ru, Russia, Voronezh, Military Educational and Scientific Center of the Air Force «N.E. Zhukovsky and Y.A. Gagarin Air Force Academy» (Voronezh)
