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

Полученные путем обработки статистические данные по не­ исправностям используются также для определения необходимо­ сти и продолжительности предварительной приработки систем и их агрегатов. Решение этого вопроса может быть получено из анализа характеристик изменения частоты или интенсивности отказов. Как было указано, эти кривые для различных объектов авиационной техники могут иметь разнообразный вид. Системы с большим количеством однородных агрегатов (элементов) обыч­ но имеют ярко выраженный участок повышенной интенсивности отказов в начальный период эксплуатации. Для таких систем приработка, т. е. начало эксплуатации после предварительной

Рис. 72. График изменения средней частоты неисправностей:

/ —планера маневренного самолета; 2—систем маневренного само­ лета

наработки t0, значительно повысит надежность работы. Проме­ жуток времени от t —0 до t = t0 является желательным периодом приработки системы. Системы, состоящие из разнородных агре­ гатов, имеют более пологую ^-характеристику на первом участ­ ке (рис. 73). В этом случае предварительная тренировка систе­ мы не дает существенного эффекта.

В процессе эксплуатации часто бывает необходимо дать оцен­ ку правильности установления технического ресурса для отдель­ ных агрегатов, систем или всего самолета. Это можно сделать, используя статистические данные по отказам. Однако для этого необходимо проанализировать достаточное количество статисти­ ческих данных. На основании анализа характеристик частоты или интенсивности отказов можно весьма обоснованно оценить правильность установления ресурса и возможность его продле­ ния. На рис. 74 приведены кривые интенсивности отказов для двух систем. Установленный технический ресурс обозначен через ^о- Анализ этих характеристик показывает, что для системы, ин­ тенсивность отказов которой характеризуется кривой, изобра­ женной на рис. 74, а, ресурс установлен правильно. Для второй системы (см. рис. 74,б) технический ресурс установлен непра­ вильно. Ресурс этой системы может быть продлен до наработки t2. Для систем, имеющих подобную характеристику, следует ре­ комендовать проведение предварительной тренировки продол­ жительностью А и установление ресурса продолжительностью

V-

180

Уже указывалось на важность регламентных и профилакти­ ческих работ, обеспечивающих высокую эксплуатационную на­ дежность авиационной техники, выполняемых инженерно-техни­ ческим составом эксплуатирующих организаций. Статистические данные о неисправностях позволяют дать оценку правильности установления сроков выполнения регламентных и профилактиче­ ских работ для сложных систем, имеющих большой технический ресурс. Для этого необходимо построить кривые изменения час­ тоты отказов по времени эксплуатации. При установлении из­ лишне длительного периода между вы­ полнением регламентных работ после *(*)

некоторого времени эксплуатации бу­ дет наблюдаться повышение частоты отказов. Это указывает на необходи-

т

мость смещения срока проведения регламентных работ на более ранний период. На рис. 75 приведена кривая средней частоты отказов системы со сроками выполнения регламентных работ tPl и tp2. Анализ изменения средней частоты отказов показыва­ ет, что правильнее выполнять регламентные работы в сроки t\ и: t2 (см. рис. 75).

Для оценки правильности сроков проведения регламентных работ по самолету и его системам целесообразно построить кри­ вые изменения частоты отказов, имевших место в полете и при подготовке к полетам, без учета отказов, выявленных при выпол­ нении регламентных работ. Эти кривые позволяют более четко выявить моменты повышения частоты отказов, а следовательно,, дают возможность оценить своевременность выполнения регла­ ментных работ (рис. 76 и 77). Однако повышение частоты отка­ зов может быть вызвано недостаточным эксплуатационным со­ вершенством авиационной техники. Построенные графики изме­ нения средней частоты отказов с учетом отказов, выявленных

18-1

при выполнении регламентных работ, показывают, что частота отказов значительно повышается в моменты времени, соответст­ вующие выполнению регламентных работ. Это связано с тем, что

При анализе отказов должны учитываться услобия работы и нагружения (температура, давление, обороты, напряжение, де­ формация, нагрузка и т. д.) деталей и агрегатов, а также осо­ бенности и условия эксплуатации авиационной техники. Кроме

Рис. 76. График изменения интенсивности потока не­ исправностей без учета неисправностей, выявленных при выполнении регламентных работ:

/—интенсивность потока неисправностей самолета без учета неисправностей, выявленных при выполнении регламентных работ; 2—интенсивность потока неисправностей агрегатов электрооборудования без учета неисправностей, выявленных при выполнении регламентных работ

того, при проведении анализа необходимо принимать во внима­ ние не только абсолютную величину и частоту отказов, но и важность функций, выполняемых агрегатом, на котором произо-

182.

шел отказ. Так, основные силовые элементы конструкции плане­ ра, силовых установок, управления самолетом, а также агрегаты оборудования и систем должны иметь высокую эксплу­ атационную надежность. Такие отказы, как трещины основных силовых элементов конструкции планера и шасси, органов уп­ равления самолетом, трещины лопаток компрессора и турбины двигателей, отказы гидравлических и топливных систем могут привести к тяжелым летным происшествиям и поэтому требуют особого внимания со стороны инженерно-технического состава.

Рис. 77. График изменения интенсивности потока отказов в воз­ духе агрегатов электрооборудования и двигателя:

Особенно важное значение в обеспечении безопасности полетов имеет также надежная работа пилотажно-навигационного и ра­ диотехнического оборудования.

Наиболее ценным статистическим материалом, необходимым для оценки надежности, являются данные по неисправностям всего парка самолетов. Однако сбор статистических данных по всему парку требует больших трудозатрат и времени. Кроме то­ го, возникают трудности в обработке этих данных. Поэтому в ряде случаев определяют оптимальное количество наблюдаемых самолетов. В отдельных случаях устанавливают оптимальное значение суммарного налета этих самолетов.

В основу такого подхода положено эргодическое свойство, по которому определяющим фактором является суммарная нара­ ботка испытываемых изделий в часах. В этом случае испытания 10 образцов в течение 1000 ч каждого эквивалентны испытаниям 100 образцов по 100 ч, так как Тсум= 10000 в обоих случаях оди­ наково. Эргодическое свойство можно использовать только тог-

183

.да, когда рассматриваются невосстанавливаемые изделия с из­ менением надежности по экспоненциальному закону.

Как правило, количество проверок определяют исходя из за­ данной степени достоверности и точности результатов. Величи­ на достоверности оценки показывает, что истинное значение оце­ ниваемого по выборочным данным параметра распределения будет определяться соответствующей частью проверок. Так, среднее значение безотказной работы какого-либо узла с досто­ верностью (3 = 0,8 показывает, что если зафиксировано опреде­ ленное количество отказов, то 80% из них определяет математи­ ческое ожидание (т. е. среднее значение безотказной работы или среднее значение времени устранения) и 2 0 % выходит за преде­ лы доверительных интервалов. Относительная ошибка q харак­ теризует степень точности определения среднего значения по данным выборки. Функциональная связь q и количество наблю­ дений выражается формулой

где Jq — аргумент, определяемый из таблиц нормального зако­ на распределения по заданной степени достоверности

Р; о — среднее квадратичное отклонение;

>?ср—'Среднее выборочное изменение оцениваемого крите­ рия;

п•— число наблюдений.

Впроцессе эксплуатации при небольшом количестве изде­ лий и при одинаковых условиях оценка надежности может быть приближенной. Оценка надежности всех узлов, систем и агрега­ тов самолета в течение межремонтного срока их службы воз­ можна на базе статистических данных, получаемых в процессе эксплуатации. В этом случае исключается возможность создания одинаковых условий по следующим причинам:

1) к моменту начала наблюдений самолеты имеют неодина­ ковый налет;

2 ) самолеты используют неодновременно и в различных кли­ матических условиях;

3)время эксплуатации самолета до отработки межремонтно­ го срока службы неодинаково;

4)квалификация личного состава и, следовательно, качество обслуживания различны.

Расчет оптимального количества наблюдаемых самолетов производится в предположении, что закон распределения выхода из строя узлов и агрегатов известен. Например, многочисленные опыты показывают, что плотность распределения отказов меха­ нических систем в большинстве случаев приближается к нор­ мальному закону. Основная особенность, отличающая этот за-

184

кон от других, состоит в том, что нормальный закон является' предельным, к которому при определенных условиях приближа­ ются другие законы распределения. Учитывая, что значительная часть отказов ненадежных узлов возникает из-за износа, а пол­ ный .выход из строя изделия связан с аварийным износом, дан­ ный закон распределения принимается в качестве исходного при

стью связано с обоснованием минимально допустимых значений Р и q. Численные значения достоверности р обычно устанавли­ ваются опытно или в зависимости от степени ответственности и значимости выполняемых изделием задач. При исследовании на­ дежности механических систем можно принимать минимально допустимый уровень достоверности р== 0,8. Необходимую сте­ пень точности результатов определяют исходя из следующих со­ ображений. Верхний предел значений относительной ошибки целесообразно ограничить величиной <7= 0,2, поскольку для повы­ шения точности определения среднего значения безотказной ра­ боты до <7= 0,1 при р= 0,8 необходимо в 4,5 раза больше наблю­ даемых изделий, чем при <7= 0,2. Кроме того, достижение высокой точности вследствие увеличения количества наблюдаемых само­

185

Глава V

ОЦЕНКА И ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ И ТЕХНИЧЕСКОГО РЕСУРСА ПЛАНЕРА САМОЛЕТА

5.1. Изменение методов определения и восстановления технического ресурса планера самолета

За последнее время в гражданской авиации появились новые первоклассные самолеты. Эти самолеты по своим летно-техниче­ ским характеристикам, оборудованию и, особенно, по применя­ емым в их конструкциях материалам, значительно отличаются от предыдущих самолетов. Изменение авиационной техники при­ водит к изменению методов технической эксплуатации и восста­ новления технического ресурса планера самолета. Под техниче­ ским ресурсом понимается общий возможный срок службы пла­ нера самолета в часах налета или количестве взлето-посадок с учетом всех видов ремонта и работ по восстановлению его тех­

действуют различные разрушающие факторы: нагрузки от поры­ вов ветра, маневренные нагрузки, ударные и вибрационные на­ грузки, окружающая атмосфера с колебаниями ее температуры, влажностью, засоренностью различными активными веществами, солнечные лучи. Под влиянием этих факторов элементы конст­ рукции планера самолета подвергаются коррозии, происходит износ трущихся поверхностей, а от действия ударных и вибра­ ционных нагрузок могут появиться трещины или разрушения от­ дельных элементов, узлов и деталей; происходит накопление повреждений в результате сложного взаимодействия всей сово­ купности нагрузок. Характер и быстрота этих изменений зави­ сят от совокупности нагрузок, действующих на элементы конструкции в процессе эксплуатации, от конструктивного офор­ мления детали, агрегата, элемента конструкции, применяемых материалов, от продолжительности хранения, особенности усло­ вий и продолжительности эксплуатации [7, 13, 22].

187

В авиационной технике долгое время считалось, что если планер самолета удовлетворяет требованиям статической проч­ ности (прочность при однократной нагрузке) и выносливости не­ которых частей самолета (подмоторных рам поршневых самоле­ тов, маслобаков и бензобаков), подвергающихся воздействию вибрационных нагрузок, то он может при соответствующем и

•своевременном ремонте эксплуатироваться достаточное время, и при нагрузках, меньших максимальных эксплуатационных, не разрушится. При этом имеется в виду, что элементы конструк­ ции планера свободны от автоколебаний, что обеспечивается расчетом и испытаниями.

Однако уже на самолетах периода Великой Отечественной войны и особенно послевоенного периода начали появляться не­ исправности элементов конструкции планера, угрожающие бе­ зопасности полетов, хотя эти самолеты удовлетворяли требова­ ниям статической и вибрационной прочности.

Эти неисправности появляются в основном на самолетах со значительным налетом, большим количеством взлетов и посадок или при технологических и других отступлениях. Обнаружить их в большинстве случаев очень трудно. Для осмотра элементов конструкции планера самолета нередко требуется разборка са­ молета и применение сложной контрольно-проверочной аппара­ туры.

Появление перечисленных неисправностей предъявило новые требования к элементам конструкции планера—обеспечение прочности планера самолета при многократно повторяющихся эксплуатационных нагрузках — требования обеспечения стати­ ческой выносливости или прочности при повторных нагрузках. Это требование является дополнением к прежним требованиям обеспечения статической и вибрационной прочности.

Появление проблемы обеспечения статической выносливости элементов конструкции планера самолета можно объяснить сле­ дующими причинами:

а) увеличился общий срок службы самолета, исчисляемый количеством часов налета и количеством взлето-посадок. Так, современные транспортные самолеты имеют налет, измеряемый десятками тысяч часов. Увеличение палета самолетов привело к увеличению количества нагрузок, испытываемых элементами конструкции планера в процессе эксплуатации;

б) значительно повысились летные показатели современных самолетов. Увеличение скоростей полета самолета, скоростей взлета и посадки привело к повышению частоты нагружений (количество нагружений в единицу времени), количества и ве­ личины нагрузок;

в) повысилась прочность применяемых в самолетостроении сплавов (увеличилось временное сопротивление сгв). Повышение прочности сплавов при той же степени использования их стати­

188

ческой прочности вызвало снижение статической выносливости планера самолета;

г) в результате исследовательских работ были уточнены рас­ четные случаи элементов конструкции планера, что привело к значительному приближению действительных нагрузок к расчет­ ным и, следовательно, к снижению существовавшего «запаса» статической выносливости конструкции.

Кроме того, для современных скоростных самолетов при по­

статической выносливости, что может значительно снизить тех­ нический ресурс планера этих самолетов.

В связи с увеличением мощности двигателей пульсирующие акустические давления, создаваемые реактивной струей как ис­ точником сильного шума, могут также вызвать деформации обшивки и некоторых элементов конструкции планера. Весьма неблагоприятной характеристикой акустических давлений, соз­ даваемых реактивной струей, является их высокая частота, ис­ числяемая сотнями циклов в секунду. Поэтому, если вызываемые ими повторные напряжения превышают предел выносливости, то усталостное разрушение может наступить довольно быстро.

Требования статической прочности сводятся к обеспечению прочности планера самолета при однократной статической рас­

нагрузки при грубой посадке, при маневре с максимальной пе­ регрузкой, при порывах ветра) не вызывали в конструкции оста­ точных деформаций, а разрушающая нагрузка была равна рас­ четной. Идеальным случаем выполнения конструкции нужно признать такой случай, в котором максимальная эксплуатаци­ онная нагрузка соответствует напряженному состоянию при пределе упругости конструкции. Однако установить предел уп­ ругости при испытаниях очень трудно, и критерием статической прочности конструкции планера самолета считаются статиче­ ские испытания до разрушения. Поэтому разрушающая нагруз­ ка, например крыла, должна быть всегда больше эксплуатаци­ онной (Ураз > ^эксп) • Число, равное отношению разрушающей нагрузки к эксплуатационной, называется коэффициентом без­ опасности /с. Тогда

189