книги из ГПНТБ / Соломонов, П. А. Надежность планера самолета

до медленно и легко поддавалось контролю. Появление повреж­ дений этих элементов указывает на снижение прочностных ха­ рактеристик основных агрегатов конструкции. Следовательно, при появлении повреждений необходимо более тщательно конт­ ролировать состояние основных силовых элементов конструкции. Многие ответственные силовые конструкции могут быть выпол­ нены со встроенной сигнализацией, извещающей о нарушении целостности их элементов. В качестве примера можно привести

•сигнализацию, предупреждающую о появлении усталостных трещин в лонжероне несущей лопасти вертолета. Лонжерон ло­ пасти несущего винта имеет полую конструкцию. Полость лон­ жерона заполняется воздухом под небольшим избыточным дав­ лением и через манометр сообщается с сигнализатором. При появлении усталостной трещины в лонжероне давление в поло­ сти падает и загорается красная лампочка сигнализатора.

В некоторых случаях на труднодоступные элементы конструк­ ции может быть наклеена изолированная от конструкции прово­ лока, имеющая статическую выносливость, близкую к статиче­ ской выносливости этих элементов. Используя специальные выводы, можно «прозванивать» эти проводники и таким обра­ зом контролировать состояние элементов конструкции.

Для надежной работы элемента конструкции очень важен выбор его конструктивных, геометрических форм. Элементы кон­ струкции или системы по возможности должны быть равнопроч­ ными и свободными от концентраторов напряжений. Так как в большинстве случаев этого добиться не удается, элементам при­ даются формы, смягчающие действие концентраторов напря­ жений.

Большое значение для обеспечения надежности имеет выбор оптимальной схемы систем изделия. Схема по возможности должна быть наиболее простой. Элементы системы должны быть рассчитаны на работу в условиях, обеспечивающих их нормаль­ ное, надежное функционирование (ударные нагрузки, вибрации, температура, ее перепады, давление, его перепады, влажность и т. д.). Большое внимание должно быть уделено оптимальным температурным режимам, распределению температурных полей, разработке систем охлаждения.

При разработке систем целесообразно предусмотреть на­ стройку и контроль объективными и по возможности автомати­ зированными средствами. С этой целью системы снабжают спе­ циальными отводами для присоединения аппаратуры настройки и контроля. Во многих случаях необходимо предусматривать самоконтроль и самонастройку систем, выдачу информации

орежимах работы и возникших неисправностях, а иногда даже

ипрогнозирование возможных отказов.

При конструировании важен выбор допусков, обеспечиваю­ щих безотказную работу элементов систем в течение заданного периода работы. К ним относятся допуски на геометрические

90

размеры, амортизирующие данные подвесок, выходные парамет­ ры агрегатов и систем.

При разработке конструкции элементов, влияющих на рабо­ ту жизненно важных агрегатов и систем самолета, необходимо' правильно определить продолжительность и режимы их обкатки или тренировки.

Одним из основных условий повышения технологичности и обеспечения надежности самолета и его систем в процессе про­ ектирования является панелирование и агрегатирование монта­ жей. Основы панелирования должны быть заложены при проек­ тировании. Панелирование монтажей заключается в рациональ­ ном размещении на общих зональных панелях аппаратуры и коммуникаций, относящихся к различным системам. Панелиро­ вание, как показывает опыт многих самолетостроительных кон­ структорских бюро, позволяет значительно улучшить подходы к приборам, уменьшить количество разъемов коммуникаций, со­ кратить длину коммуникаций. Зональные монтажные панели, собирают на отдельных, специально оборудованных рабочих местах, применяя средства механизации и автоматизации. Окон­ чательно собранную панель проверяют при помощи объективных средств контроля и только после этого устанавливают на само­ лет. Наряду с созданием зональных монтажных панелей целе­ сообразно создавать блоки коммуникационной аппаратуры, трассы коммуникаций, жгуты проводов, которые можно было бы также собирать вне самолета.

Большое значение для повышения надежности имеет созда­ ние комплексированных приборов и агрегатирование элементов конструкции и систем.

Проектируемое изделие должно обладать высокой производ­ ственной и ремонтно-эксплуатационной технологичностью. Вы­ сокая ремонтная технологичность обеспечивается повышением взаимозаменяемости основных агрегатов, узлов и элементов, свободным подходом к основным агрегатам.

Одним из радикальных путей повышения надежности авиа­ ционной техники является также использование унифицирован­ ных агрегатов, схем, элементов. Унифицированные схемы, узлы, агрегаты и элементы, как правило, лучше отработаны, провере­ ны в процессе эксплуатации и имеют более совершенную техно­ логию изготовления. Кроме того, наличие унифицированных из­ делий позволяет лучше обеспечить эксплуатирующие организа­ ции запасными частями.

Конструкция самолета, двигателей, агрегатов их оборудова­ ния и систем должна позволять быстро обнаруживать неисправ­ ности, а еще лучше сигнализировать об их появлении. Кроме основных эксплуатационных качеств, изделие должно обладать рядом свойств, облегчающих его эксплуатацию. К ним относят­ ся — простота обслуживания, минимальные затраты труда на подготовку к эксплуатации, механизация и автоматизация таких

91

подготовительных операций, как заправка топливом, смазочны­ ми маслами, зарядка аккумуляторов и др. Кроме того, изделие должно быть приспособлено к длительному хранению и транс­ портировке.

Одним из наиболее важных и эффективных средств обеспече­ ния и оценки надежности являются испытания. Для предвари­ тельного расчета надежности той или иной системы необходимо знать нагрузки и условия работы агрегатов и деталей. С этой целью используют материалы по эксплуатации предшествующих и самолетов аналогичных типов, а также расчетные методы. Од­ нако эти материалы могут дать лишь приблизительное представ­ ление об условиях работы агрегатов планера самолета, его сило­ вой установки, оборудования и систем. Поэтому при испытании первого образца самолета нужно стремиться более точно опре­ делить внешние нагрузки и условия работы элементов конструк­ ции планера самолета, силовых установок, агрегатов их оборудо­ вания и систем. На основании выявленных нагрузок и условий работы агрегатов самолета должны быть внесены коррективы в расчеты надежности систем и в технические условия на агрега­ ты, приборы и системы. Однако исследования нагрузок и усло­ вий работы элементов конструкции планера самолета, его сило­ вых установок, агрегатов оборудования и систем не должны ограничиваться этапом проектирования и испытания опытных образцов. Нагрузки и условия работы зависят от особенностей и условий эксплуатации. Кроме того, они могут изменяться в про­ цессе эксплуатации. Поэтому исследования нагрузок и условий работы должны продолжаться в процессе серийного производ­ ства и эксплуатации.

Испытания подразделяются:

по месту проведения — на лабораторные, стендовые, эксплу­

атационные; по объему — на испытания агрегатов, блоков, систем;

по величине нагрузки или интенсивности воздействия факто­ ров — на нормальные, ускоренные (форсированные) и гранич­ ные;

по периодичности — на разовые, периодические и непрерыв­ ные;

по задачам проведения — на прочностные (статические, пов­ торно-статические, вибрационные, динамические), испытания на функционирование, работоспособность, ресурс, испытания на надежность;

по выявлению результатов воздействия отдельных факторов или групп факторов (эксплуатационных нагрузок) таких, как температура, давление, влажность, морской туман, акустические шумы, агрессивные среды, биологические факторы, магнитные, радиационные поля и др.

Испытания опытных образцов в зависимости от назначения изделия подразделяются на лабораторные (стендовые), прово­

92

димые на месте изготовления изделия, и летные испытания, проводимые на летательном аппарате.

При заводских испытаниях опытных образцов проводится доводка изделия до состояния, обеспечивающего выполнение всех его функций, определяются все необходимые характеристи­ ки, устанавливается их соответствие техническим условиям. Кро­ ме того, при этих испытаниях проводится проверка работы изделий на предельных значениях нагрузок, комплексная про­ верка и отработка изделия в основных вариантах применения, проверка и отработка контрольно-поверочной аппаратуры, пред­ назначенной для контроля технического состояния в эксплуата­ ции. При испытаниях, как правило, должны проверяться: соответствие изделия и агрегатов, входящих в его системы, тех­ ническим условиям, комплектность, масса, габариты изделия; соответствие технических характеристик и условий применения изделий и материалов, поставляемых другими предприятиями, взаимозаменяемость сменных блоков и качество сочленения разъемных и контактных узлов; возможность и удобство подклю­ чения контрольно-измерительной и проверочной аппаратуры; характеристики ремонтопригодности.

Кроме этого, в процессе испытаний целесообразно проверять плавность хода механизмов управления, работу органов регули­ ровки и управления, уровень акустических шумов, качество уп­ лотнений, отсутствие резонансных колебаний конструктивных элементов, устойчивость к механическим и климатическим воз­ действиям и т. д.

Виды и последовательность испытаний по определению коли­ чественных характеристик надежности указываются в програм­ ме испытаний и выбираются в зависимости от назначения изде­ лия и тактико-технических требований.

Лабораторные испытания опытных образцов дают первичную информацию о работе элементов, узлов, устройств при воздей­ ствии на них различных факторов. Однако при лабораторных испытаниях нельзя учесть всего разнообразия факторов, имею­ щих место при эксплуатации опытных образцов на летательных аппаратах различных классов. Для одного и того же агрегата, системы характер нагрузок, уровни, последовательность и цик­ личность их действия могут изменяться в зависимости от типа летательного аппарата. Поэтому, как показывает опыт, характе­ ристики надежности, полученные при лабораторных испытаниях, значительно отличаются как по уровню, так и по характеру от­ казов. В связи с этим, кроме лабораторных испытаний, прово­ дится большой объем летных испытаний.

Для вновь проектируемых самолетов целесообразно прово­ дить как изолированные испытания большинства агрегатов жизненно важных систем в лабораторных условиях, так и комп­ лексные ресурсные испытания этих систем на натурных стендах.

93

К наиболее жизненно важным системам относятся двигательная установка, топливная система, воздухозаборник, система управ­ ления, электро- и гидросистема и система жизнеобеспечения. Кроме этого, тщательной и всесторонней проверке должны под­ вергаться планер самолета и шасси. В задачу комплексных ре­ сурсных испытаний, как правило, входит:

—'Определение характеристик надежности систем в целом и отдельных ее элементов при работе в системе;

—разработка мероприятий по конструктивной доводке от­ дельных элементов систем и обеспечению повышения надежно­ сти и ресурса всей системы;

—определение сроков службы систем и агрегатов и сроков

выполнения регламентных работ;

— уточнение инструкции по эксплуатации изделия и отдель­ ных его систем.

Так как многие системы самолета и двигателя взаимосвя­ заны, испытания желательно проводить при совместной их рабо­ те. В качестве натурного стенда может быть использован макет самолета, на котором проводилась конструктивно-технологиче­ ская отработка. На этом макете выдерживаются все геометри­ ческие размеры, а положение агрегатов и коммуникаций должно соответствовать истинному их расположению. В качестве стен­ дов для ресурсных испытаний гидравлической, воздушной, топливной систем и систем управления также могут быть исполь­ зованы отдельные агрегаты самолетов, на которых проводилась отработка монтажей трубопроводов и электропроводки систем. Стенд для ресурсных испытаний должен быть оборудован спе­ циальной измерительной и испытательной аппаратурой.

В связи с тем, что подвергать испытанию, как правило, мож­ но ограниченное количество агрегатов и систем, продолжитель­ ность испытаний должна в два-три раза превышать гарантиру­ емые сроки службы агрегатов и систем. Нагрузки и условия работы должны быть по возможности близки к номинальным эксплуатационным нагрузкам. Для вновь проектируемых само­ летов целесообразно изготавливать, как минимум, три комплек­ та агрегатов: для полноразмерного стенда, для полных изолиро­ ванных испытаний и для установки на самолет. Первый вылет самолета с этими агрегатами возможен после положительных результатов испытаний первых двух комплектов (рис. 44). Гото­ вые агрегаты, устанавливаемые на самолет для летных испыта­ ний, должны пройти входной контроль на соответствие техниче­ ским условиям и чистоту обработки. Большому объему проверки целесообразно подвергать трубопроводы систем (их геометрические размеры, соответствие материалов, прочностные характеристики). Далее измеряются напряжения в трубопрово­ дах (монтажных и переменных) и проводятся ресурсные испыта­ ния. Ресурсные испытания целесобразно повторять, если посту­ пают новые типы трубопроводов, изменяется их материал

94

(когда поступают двигатели новой серии), а также через опре­ деленный календарный период серийного производства.

На современных летательных аппаратах применяются слож­ ные системы управления, которые включают большое количест­ во различных устройств.

Часть из этих устройств имеет сложную электронную схему с датчиками н исполнительными механизмами. У каждого эле­ мента таких устройств есть определенная степень надежности.

Рис. 44. Типовая схема объема и последовательности испыта­ ний агрегатов в ОКБ

Хотя каждый отдельный элемент имеет высокую степень надеж­ ности, необходимо рассматривать ситуации, когда возникает отказ одного из этих элементов. Отказы элементов системы уп­ равления могут вызвать резкие возмущения летательного аппа­ рата или автоколебания конструкции.

При проектировании и лабораторных испытаниях системы управления должны быть изучены отказы ее элементов. При от­ казах элементов системы управления па всех разрешенных ре­ жимах эксплуатации должны быть исключены следующие слу­

чаи:

а) появление нагрузок, превышающих максимальную эксплу­ атационную нагрузку для конструкции летательного аппарата;

б) опасные колебания элементов конструкции; в) опасные изменения положения летательного аппарата

(например, при полетах на низких высотах не должно быть рез­ ких изменений высоты из-за опасности столкновения с землей).

До начала летных испытаний должно быть выполнено моде-

95

колебаниях конструкции с учетом взаимодействия упругой кон­

ности усилительных устройств (например, выход одной камеры гидроусилителя).

До начала летных испытаний должны быть проведены испы­ тания по оценке надежности системы управления на натурном стенде. На основании этих испытаний и лабораторных испыта­ ний агрегатов системы управления оценивается надежность эле­ ментов и всей системы в целом. При лабораторных испытаниях режимы вибраций и температуры должны быть максимально приближены к условиям работы агрегатов системы управления на самолете. После получения положительных результатов мо­ делирования и лабораторных испытаний проводятся летные ис­ пытания с имитированием отказов элементов системы управле­ ния. Электрическая схема имитации отказов должна быть опробирована на стенде, а затем на самолете при наземных испыта­ ниях. При имитации отказов элементов системы управления по­ ведение самолета также должно оцениваться моделированием.

3.2. Вопросы количественной оценки надежности на стадии проектирования

Одной из важнейших задач обеспечения надежности являет­ ся оценка ожидаемой .надежности на стадии проектирования. В большинстве случаев задача количественной оценки при про­ ектировании на базе принятых в практике конструирования рас: четных зависимостей может быть решена следующим образом. Пусть основной определяющей характеристикой исследуемого объекта (системы, узла, элемента), по которой можно судить о его работоспособности, является некоторая характеристика у. Объект считается надежным, если эта характеристика находит­ ся в пределах допустимых значений г/тр, например у > у Тр, и не­ надежными, если у < г/трДалее предположим, что характерис­ тика зависит от некоторых случайных аргументов х\, х2, ..., X/,...

• • •> %п'-

В процессе конструкторских расчетов определяются фиксиро­ ванные (минимальные или максимальные) значения исследу­ емых характеристик у, сравнение которых с заданными значени­ ями уТр позволяет судить о «запасах» этих характеристик.

96

Однако, являясь функциями случайных величин, значения иссле­ дуемых характеристик сами становятся случайными. Для того чтобы количественно оценить вероятность выполнения требова­ ний в отношении характеристики у, необходимо знать возмож­ ное рассеивание этой характеристики при заданных допустимых пределах изменения аргументов х{. Подобного рода задачи в некоторых случаях могут быть решены с помощью методов ли­ неаризации функций случайных аргументов. Так, если функция (3.1) линеаризуется в области практически возможных значений всех аргументов хи то параметры распределения характеристи­ ки у могут быть определены следующим образом:

Определив цараметры распределения исследуемой характе­ ристики у и зная закон ее распределения, можно произвести ко­ личественную оценку вероятности требований, предъявляемых к

т. е. решить задачу количественной оценки надежности исследу­ емой системы (узла, элемента).

Для определения показателей надежности изложенным мето­ дом необходимо знать закон и параметры его распределения каждого из аргументов xit влияющих на исследуемую характе­ ристику у, а также закон и его параметры исследуемой характе­ ристики у, определяющей работоспособность системы (узла, элемента). Иногда трудно применить предлагаемый метод из-за отсутствия этих сведений. Однако во многих случаях можно при­ нять нормальный закон распределения аргументов Хг и характе­ ристики у. На основании принятых допущений и требований технических условий к значениям аргументов Хг параметры рас­

пределения последних' могут быть определены следующим обра­ зом:

— если поле допуска Ах, аргумента х, задано техническими

где za— квантиль нормального распределения нахождения ар­ гумента Х{ с вероятностью а в пределах установленного допу­ ска Ах,-;

■— если поле допуска Ах* аргумента х,- задано односторонне

В каждом конкретном случае оценка вероятности а должна производиться на основе анализа достоверности методов контро­ ля величин х*. Если аргумент х, в формуле (3.1) является поп­ равочным коэффициентом, то параметры его распределения оп­ ределяются по формулам

где хтах, Хщщ — соответственно минимально и максимально воз­

^тр

где F0(U) — нормированная функция нормального распределе­ ния.

Безусловно, что точность и достоверность получаемых при проектировании расчетных показателей надежности исследу­

98