CC BY
50
УДК 629.7.02:519.2
ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОМЕНТА ПЕРВОГО ОСМОТРА И ПЕРИОДИЧНОСТИ ПОСЛЕДУЮЩИХ ОСМОТРОВ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ АВИАЦИОННОЙ
ТЕХНИКИ ПО СОСТОЯНИЮ
В.В. ИВАХА, В.В. НИКОНОВ
В статье представлена методика расчета момента первого осмотра и периодичности последующих осмотров элемента силовой конструкции авиационной техники при эксплуатации по состоянию. Приведены используемые расчетные зависимости, блок-схема последовательности анализа, а также пример использования предложенной методики.
Ключевые слова: периодичность осмотров, эксплуатация по состоянию.
В настоящее время существует тенденция перевода авиационной техники (АТ) на эксплуатацию по техническому состоянию. Это объясняется стремлением разработчика увеличить конкурентоспособность АТ на рынке, с одной стороны, а также желанием эксплуатирующей организации как можно более полно использовать заложенные в технику ресурсы, с другой стороны. Так по оценкам, проведенным в отрасли гражданской авиации, перевод техники на эксплуатацию по состоянию позволил сократить эксплуатационные расходы до 30%.
Для элементов силовой конструкции, отказ которых в эксплуатации недопустим, основным методом эксплуатации по состоянию является метод эксплуатации до предотказного состояния с контролем параметров. Основой данного метода является создание системы профилактических работ, заключающихся в контроле параметров, позволяющей с некоторой заданной степенью надежности предупредить развитие отказа до предельного состояния, соответствующего потере работоспособности исследуемого элемента силовой конструкции. Другими словами, задачей разработчика АТ является определение момента первого осмотра элемента силовой конструкции и периодичности последующих осмотров при заданном параметре технического состояния.
В качестве параметров технического состояния могут выступать такие показатели, как износ, коррозионное повреждение, изменение физико-химических свойств материала и др., но наиболее распространенным на данный момент в практике создания и эксплуатации АТ параметром технического состояния элемента силовой конструкции является длина усталостной трещины. Поэтому в представленной статье рассматривается последовательность определения момента первого осмотра элемента силовой конструкции ^ и периодичности последующих
осмотров х при возникновении и развитии усталостной трещины, длина которой принята в качестве параметра технического состояния элемента силовой конструкции АТ.
Момент первого осмотра предлагается определять, исходя из условия падения уровня безотказности ниже нормативного значения
P (t )< Pnoгm (1)
х bezot V 1 / bezot • V1/
В приведенной зависимости ^ - момент первого осмотра, а Рь™™ - нормативный уровень безотказности. В качестве нормативного значения безотказности предлагается принять значение, определяемое следующим выражением
рьогт = 1 -1-tp. (2)
Значение интенсивности потока отказов 1 зависит от степени ответственности исследуемого элемента конструкции и выбирается в соответствии с нормами летной годности самолетов, например АП-25, а ^ является заданным значением назначенного ресурса.
Значение РЬе2о1 (^) безотказности в момент первого осмотра предлагается определять из
функции плотности вероятности появления усталостной трещины, которая в соответствии с многочисленными исследованиями [5] описывается логарифмически нормальным законом
(^^о)
1 о ^2
и1 )=-/?=----------------------------------------------е ■ (3)
\12 - Р - С,,
igt,
В зависимости (3) lgt0 является средним значением логарифма наработки, соответствующей появлению трещины усталости, а slgto - среднеквадратическим отклонением логарифма
наработки до появления трещины. Значения lgt0 и slgto зависят от конструктивных особенностей и условий эксплуатации исследуемого элемента силовой конструкции АТ. Данные значения определяются на этапе проектирования и испытаний или назначаются в соответствии с требованиями АП-25.
Так как критерием отказа является развитие усталостной трещины до предельного размера, то при расчете наработки, соответствующей моменту первого осмотра t1 , необходимо учитывать
. * о. о.
период живучести t , определяемый по результатам исследования развития усталостной трещины от минимально обнаруживаемого lobn значения размера до его предельного lpred значения.
Таким образом, выражение для определения значения безотказности в момент первого осмотра примет вид
ti-t*
Pbeaol (tl ) = 1 - J f,g, (t) d (t ) = 1 - F (ti ). (4)
В приведенной зависимости значение F (t1) имеет смысл вероятности появления усталостной трещины в элементе силовой конструкции АТ.
С учетом (1)...(4) условие для определения момента первого осмотра элемента силовой конструкции АТ можно записать следующим образом
F(t1 )>1 tp. (5)
Для оценки периодичности осмотра t предлагается использовать функцию изменения безотказности R при наличии усталостной трещины, полученную в работах [2, 3] для авиационной техники гражданской авиации. В общем виде функция R имеет следующую зависимость
[1, t* > t
г t*i . (6)
1 - F (t - t*)(1 - Pobn )“UJ , t* < t
В соотношении (6) обозначение int [•] имеет смысл целой части числа.
Особенностью функции R изменения безотказности при наличии усталостной трещины является то, что она учитывает не только значение t наработки, соответствующей моменту анализа безотказности, и вероятности развития усталостной трещины до предельного размера F (t -1*), но и Pobn - значение вероятности обнаружения усталостной трещины при осмотре. Указанная
особенность дает возможность разработчику АТ исследовать влияние такого параметра, как контролепригодность элемента силовой конструкции на необходимую периодичность контроля.
Значение R безотказности при наличии усталостной трещины предлагается назначать равным значению нормативного уровня безотказности Pbneoz™, определяемому по зависимости (2).
R (t,t*, t, P0bn ) =
В общем виде предлагаемую последовательность определения момента первого осмотра элемента силовой конструкции ^ и периодичности последующих осмотров х можно представить в виде блок-схемы, приведенной на рис. 1.
Расчёт значений момента первого осмотра элемента силовой конструкции ^ и периодичности последующих осмотров х предлагается начинать с построения расчетной модели для анализа статической и усталостной прочности, а также формализации условий нагружения рассчитываемого элемента силовой конструкции (Блок 1).
Следующим этапом является расчёт значения предельной длины 1ргей усталостной трещины, соответствующего падению прочности элемента силовой конструкции менее 0,67 от начального уровня или становлению условия хрупкого разрушения (Блок 2).
По полученным данным Блока 2 производится анализ контролепригодности рассматриваемого элемента силовой конструкции (Блок 3). В случае отсутствия возможности контроля усталостной трещины в процессе эксплуатации предлагается производить доработку конструкции или условий эксплуатации исследуемого элемента силовой конструкции АТ (Блок 4).
Следующим этапом расчета является анализ существующих средств диагностики, выбор наиболее подходящего для контроля рассматриваемого элемента силовой конструкции и назначение минимально обнаруживаемого размера усталостной трещины 1оЬп при заданной вероятности обнаружения РоЬп (Блок 5).
При полученных значениях 1ргей и 1оЬп в случае выполнения условия 1ргей > 1оЬп, проверяемого в Блоке 6, производится расчет периода живучести 1* элемента силовой конструкции АТ (Блок 7). Если при сравнении значений 1ргей и 1оЬп в Блоке 6 условие 1ргей > 1оЬп не выполняется,
предлагается производить доработку конструкции или условий эксплуатации исследуемого элемента силовой конструкции АТ.
Следующим этапом (Блок 8) является сравнение полученного значения периода живучести 1* с нормативным значением 1 *погт, определенным в нормативных документах. Сравнение производится по аналогии с Блоком 6.
В случае невыполнения условия 1* > 1 *погт производится расчет момента первого осмотра ^ элемента силовой конструкции АТ (Блок 9). Расчет производится по зависимостям (1).. .(5).
Расчет функции безотказности Я при наличии усталостной трещины (Блок 10) производится по зависимости (6). При этом в качестве исходных данных назначается начальное значение периодичности контроля х (Блок 11).
Следующим этапом является сравнение полученного значения безотказности при наличии усталостной трещины с нормативным уровнем безотказности Р^о™ (Блок 12). В случае невыполнения условия Я > Рьпеогт производится анализ возможности изменения принятого значения периодичности контроля х (Блок 13) и повторение расчета по Блокам 10.12. При анализе, осуществляемом в Блоке 13, существенным является экономический анализ обоснованности принятого значения периодичности контроля.
В случае невозможности изменения значения х предлагается производить доработку конструкции или условий эксплуатации исследуемого элемента силовой конструкции АТ.
1. Конструктивные особенности. * 4. Доработка конструкции. Изме-
У словия эксплуатации нение условий эксплуатации i к
2. Определение 1ргей
5. Анализ средств диагностики, назначение 1оЬп и РоЬп
7. Расчет периода живучести 1 * *
_____________________^____________________
9. Установление момента первого осмотра ^
10. Расчет функции без- 11. Выбор периодично-
отказности Я сти контроля х
15. Установление периодичности контроля х
Рис. 1. Блок-схема расчета момента первого осмотра и периодичности последующих осмотров элемента силовой конструкции АТ
При выполнении условия Я > Рьпеогт производится анализ принятого значения периодичности контроля х (Блок 14). Так же, как и в блоке 13, основой является экономический анализ обоснованности принятого значения периодичности контроля.
При положительном результате анализа, проводимого в Блоке 14, производится установление периодичности контроля х рассматриваемого элемента силовой конструкции АТ (Блок 15). А при отрицательном - переход в Блок 13 анализа возможности изменения принятого значения периодичности контроля х .
Приведем пример использования предложенной методики определения момента первого осмотра и периодичности последующих осмотров элемента силовой конструкции АТ. Для этого зададимся некоторыми исходными данными.
В качестве элемента силовой конструкции АТ примем диск первой ступени компрессора низкого давления авиационного двигателя. Назначенный ресурс диска двигателя 1Р назначим 10000 ч.
При усталостной трещине, длина которой выбрана в качестве параметра технического состояния, отказ диска первой ступени компрессора низкого давления будет означать разрушение диска, следовательно, потерю работоспособности двигателя в целом. Данный отказ является недопустимым в эксплуатации, так как может вызвать катастрофическую ситуацию. При этом, в соответствии с АП-25, значение интенсивности потока отказов должно быть выбрано равным 1 = 10-9 на ч налета.
При заданном назначенном ресурсе двигателя и принятом значении интенсивности потока отказов нормативный уровень безотказности будет равен Рь”™ = 0,99999, а вероятность отказа (в данном случае вероятность появления усталостной трещины), как обратная величина, будет
т-,погт 1 1 /-\-5
равняться = 1-10 .
Среднее значение наработки, соответствующей появлению трещины усталости, примем равным назначенному ресурсу ^ = 1Р = 10000 ч.
Значение среднеквадратического отклонения логарифма наработки до появления трещины усталости о^ зададим по рекомендациям методов определения соответствия (МОС) к АП-
25.571 о1§1 = 0,15 .
Также примем, что развитие усталостной трещины от минимально обнаруживаемого размера 1оЬп до предельной длины 1ргей, соответствующей разрушению диска первой ступени компрессора низкого давления авиационного двигателя, происходит за 20 ч. Другими словами, период живучести составляет 1* = 20 ч.
При заданных исходных данных построим графики изменения вероятности появления усталостной трещины в зависимости от наработки и периодичности осмотра в зависимости от вероятности обнаружения усталостной трещины при осмотре с целью определения момента первого осмотра 11 периодичности последующих осмотров х соответственно.
Рис. 2. Изменение вероятности появления усталостной трещины в элементе силовой конструкции АТ в зависимости от наработки
По графику (рис. 2) с учетом условия (5) и принятых значениях интенсивности потока отказов и назначенного ресурса момент первого осмотра диска первой ступени компрессора низкого давления авиационного двигателя будет равен ^ = 2180 ч.
Для построения графика зависимости периодичности осмотра от вероятности обнаружения усталостной трещины при осмотре выразим из зависимости (6) значение х . При этом будем рассматривать случай расчета функции безотказности Я при условии 1 > 1 * . Выражение для расчета периодичности контроля х примет вид
1 - Я
Л
(7)
Б (1 -1*)
18 (1 - Роьп )
Значение вероятности обнаружения усталостной трещины при осмотре в соответствии с рекомендациями МОС к АП-25.571 должно быть не менее РоЬп = 0,95. В этом случае определим минимально необходимую периодичность осмотра диска первой ступени компрессора низкого давления авиационного двигателя в эксплуатации. Минимальное значение периодичности будет равно х = 5,5 ч.
Следует отметить, что полученное значение периодичности может быть “невыгодно” с экономической точки зрения. Тем более, диск первой ступени компрессора низкого давления, как правило, имеет невысокий уровень контролепригодности. Следовательно, принятое значение вероятности обнаружения усталостной трещины при осмотре Роьп = 0, 95 может быть завышено, что, в свою очередь, ведет к завышенному значению периодичности осмотра.
Рис. 3. Периодичность осмотра в зависимости от вероятности обнаружения усталостной трещины при осмотре
Учитывая вышесказанное, а также блок-схему расчета момента первого осмотра и периодичности последующих осмотров элемента силовой конструкции АТ, представленную на рис. 1, возможно, потребуется доработка конструкции или условий эксплуатации рассматриваемого диска первой ступени компрессора низкого давления.
В качестве мероприятий по доработке конструкции или условий эксплуатации могут быть предложены следующие:
- изменение конструкции диска (уменьшение поля действующих напряжений, изменение материала, увеличение доступа при контроле) с целью увеличения периода живучести 1* и обеспечения более высокого уровня контролепригодности;
- внесение в эксплуатационную документацию средств неразрушающего контроля, обеспечивающих более высокое значение вероятности обнаружения усталостной трещины при осмотре РоЬп .
ЛИТЕРАТУРА
1. Авиационные правила. Нормы летной годности самолетов транспортной категории. МАК, ЛИИ им. Громова, 1994. - Ч. 25.
2. Дроздова О.Е., Никонов В.В., Трофимов А.М. Установление сроков неразрушающего контроля силовых элементов авиаконструкций // Научный Вестник МГТУГА. - М.: МГТУ ГА, 2004. - № 73.
3. Никонов В.В. Проблемы живучести в контексте перевода авиатехники на эксплуатацию по состоянию // Научный Вестник МГТУ ГА. - М.: МГТУГА, 2004. - №80(10).
4. Смирнов Н.Н. Чинючин Ю.М. Обслуживание и ремонт авиационной техники по состоянию. - М.: Транспорт, 1980.
5. Трощенко В. Т., Сосновский Л. А. Сопротивление усталости металлов и сплавов: Справочник. - Киев: Наукова думка, 1987. - Ч. 1, 2.
FIRST CHECK TIME AND FOLLOWING CHECK PERIODICITY DEFINITION IN EXPLOITATION ON CONDITION OF AVIATION TECHNIQUE
Ivakha V.V., Nikonov V.V.
The article presents the procedure of first check time and following check periodicity definition in exploitation on condition of aviation technique. Basic used calculation relations, block-diagram of analysis sequence and example of introduced procedure employment are represented.
Key words: procedure of first check time, condition of aviation technique.
Сведения об авторах
Иваха Владимир Валерьевич, 1984 г.р., окончил МГТУ ГА (2007), аспирант кафедры 701 МАИ (ГТУ), автор 5 научных работ, область научных интересов - обеспечение прочности и ресурса авиационной техники.
Никонов Валерий Васильевич, 1953 г.р., окончил МГУ (1976), доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой двигателей летательных аппаратов МГТУ ГА, автор более 100 научных работ, область научных интересов - прочность и живучесть летательных аппаратов.
