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

диффузии: диффузия адсорбированных атомов, прямой обмен атомов местами, вакансионный механизм.

Ряд отказов авиационной техники может происходить как из-за поверхностного поглощения (сорбционные процессы), так и из-за объемного поглощения вещества (адсорбция). Сорбция атмосферной влаги, газов и других веществ предшествует физи­ ко-химическим процессам, развивающимся под влиянием этих веществ на поверхности и в объеме материалов деталей и вызы­ вающим ухудшение их свойств. Наряду с адсорбцией на внеш­ ней поверхности из внешней среды возможна, особенно в метал­ лах, также внутренняя адсорбция, при которой примеси, растворенные в твердом теле, адсорбируются на внутренних по­ верхностях, чаще всего на границах зерен или каких-либо де­ фектах структуры. Процесс, обратный процессу адсорбции — отделение от поверхности молекулы ранее поглощаемого ею вещества — называют десорбцией (отрицательной адсорбцией). В результате взаимодействия противоположно направленных процессов адсорбции и десорбции устанавливается адсорбцион­ ное равновесие, которое зависит от большого количества факто­ ров: природы и свойств молекул адсорбируемого вещества, природы и состояния поверхности, температуры, наличия элект­ рического поля и т. д.

До недавнего времени считались общепринятыми классиче­ ские представления о пластической деформации и разрушении материалов как о критических состояниях, наступающих тогда, когда действующие в материале напряжения достигают некото­ рой критической величины. Поэтому при напряжениях, меньших предела упругости, пластическая деформация вообще не может развиваться, а разрушение тела происходит (практически мгно­ венно) только тогда, когда напряжение достигает предела проч­ ности. Однако в процессе эксплуатации технических устройств,

впервую очередь, самолетов имели место разрушения агрегатов

ицелых конструкций, хотя уровень напряжений в них был неве­ лик. В связи с этим в последние годы разрушение материала рассматривается не как критическое состояние, а как постепен­ ный кинетический термоактивационный процесс, развивающийся

вмеханически напряженном материале с момента приложения

кнему нагрузок [12].

тальных свойств прочности является ее зависимость от времени, деформация и разрушение должны характеризоваться не пре­ дельными напряжениями, скоростью деформации и разрушения, а также долговечностью •— временем, требующимся для разру­ шения. Пределы упругости, текучести, прочности являются с

40

этой точки зрения лишь некоторыми условными характеристика­ ми. Скорость процессов механического разрушения .нагруженно­ го твердого тела и соответственно время до разрушения зависят от структуры и свойств тела, от напряжения, вызываемого на­ грузкой, и температуры. Предложен ряд эмпирических формул, описывающих зависимость времени до разрыва т (или скорости разрушения 1/Е) от этих факторов [12, 13]. Наибольшее призна­ ние получила установленная экспериментально для многих ма­ териалов следующая температурно-временная зависимость проч­ ности — зависимость между напряжением сг, температурой Т и временем т от момента приложения постоянной механической нагрузки до разрушения образца

Однако время разрыва при постоянной нагрузке образцов, изготовленных из одного материала, есть случайная величина (зависящая от случайных размеров и распределения элемен­ тарных дефектов в образцах материала), распределяющаяся по некоторому вероятностному закону. Уменьшению прочности на­ груженной детали способствуют побочные процессы, вызываемые агрессивным действием среды, давлением поверхностно-активных веществ и т. д. При отсутствии поверхностно-активной среды временная зависимость до разрушения определяется выраже­ нием

В настоящее время считается, что разрушение при напряже­ ниях ниже критических не может произойти без теплового дви­ жения атомов и молекул, которое является фактором, принци­ пиально обусловливающим разрыв материала при этих напря­ жениях. Разрушение рассматривается как процесс, в котором в результате тепловых флуктуаций преодолевается кинетический барьер, сниженный вследствие действия напряжений. При этом процесс разрушения представляет собой ряд элементарных ак­ тов, связанных с тепловым движением атомов и молекул.

Локальный характер разрыва твердых тел показывает, что кинетика разрушения (и долговечность материала) определяет­ ся прежде всего развитием трещин разрушения. Механизм про­ цесса разрушения при длительном воздействии нагрузки сво­ дится к постепенному росту микротрещин до критического раз­

41

мера в результате флуктуационного разрыва атомных связей в вершине (устье) трещины. Следовательно, развитие микротре­ щин в напряженном материале детали представляет собой сущ­ ность процесса разрушения.

Целый ряд исследований [12, 13, 2] показывает, что микро­ трещины обычно образуются в местах расположения различного рода дефектов (включений, неоднородностей, царапин и т. д.) после приложения нагрузок и их развитие занимает основную часть времени до разрушения. Различают две стадии роста тре­ щины: стадию медленного роста с увеличивающейся скоростью (стадию ускоренного роста), преобладающую по времени, и ста­ дию быстрого роста с постоянной скоростью, близкой к скорости звука в материале — длительность этой стадии составляет нез­ начительную долю по сравнению с длительностью ускоренной стадии и временем разрыва образца. Исследования показывают, что общей особенностью кинетики разрывной трещины под дей­ ствием постоянной (растягивающей) нагрузки является самоускоренный, лавинообразный характер роста трещин.

На первой стадии, определяющей временные эффекты разру­ шения, существенную роль играют тепловые флуктуации атомов и молекул. Всегда существует вероятность того, что некоторые частицы у вершины трещины получают вследствие тепловых флуктуаций избыток кинетической энергии, достаточной для раз­ рыва связей между ними. Эта вероятность тем больше, чем вы­ ше температура и больше упругие напряжения у вершин тре­ щин. Рост трещин на второй, конечной стадии разрушения не зависит от температуры, т. е. представляет собой безакгивационный атермический процесс разрушения тела локальными напря­ жениями, близкими к пределу молекулярной прочности, и связан со скоростью перераспределения упругой энергии.

Согласно теории Гриффитса [13] трещина будет увеличивать­ ся в размере, если изменение энергии упругих деформаций а>е

ет только конечной предельно быстрой стадии разрушения и что для начала роста трещинок требуется либо высокое напряжение, что следует из этого условия, либо дополнительная причина, которой может явиться, например, флуктуационный разрыв пер­ пендикулярных связей в вершине трещины. В теории дислока­ ции рассматривается несколько механизмов образования и рос­

42

та трещин путем торможения и скопления дислокаций на препятствиях, например у границ зерен, объединения вакансий. Время до разрушения, долговечность под нагрузкой определя­ ются скоростью роста трещин на ускоренной стадии V;

\ t — vHa4exp р/ при а= const, Т = const;

( 1. 8)

v„a4 = v0 expaa, = v0e x p ( y ^ ^ - ) ,

где о; — среднее напряжение в оставшейся неразорванной части

длина трещины; а и vo—постоянные, определяемые свойствами материала; р — коэффициент, характеризующий самоускорение процесса разрыва при данном значении напряжения и температуры.

Экспоненциальная связь между скоростью роста трещин и напряжением определяет лавинообразный характер развития трещин; увеличение длины трещин под действием постоянной нагрузки приводит к постепенному увеличению напряжения ei, что, в свою очередь, резко увеличивает скорость роста трещин и вызывает самоускорение процесса ее развития. Экспоненциаль­ ный характер зависимости скорости распространения трещины от напряжения объясняет, почему имеющиеся в материале дефек­ ты, создавая локальные перенапряжения, становятся центрами разрушения. Скорость роста трещин при наличии перенапряже­ ния намного выше средней скорости развития микротрещин в остальном неперенапряженном объеме образца.

Процессы разрушения материалов сводятся главным образом к постепенному росту деформаций и трещин, к постепенному накоплению локальных дефектов, которое становится возмож­ ным вследствие необратимого характера последовательных еди­ ничных нарушений. Необратимость процесса накопления пов­ реждений подтверждается результатами опытов с прерыванием нагрузки и последующим нагружением. При этом суммарное время пребывания под нагрузкой до разрушения в среднем рав­ но долговечности образцов материалов при непрерывном нагру­ жении.

рых соответствует долговечность т(аг) (причем время действия каждого напряжения равно Л/,), разрыв образца произойдет тогда, когда сумма относительных уменьшений долговечности (располагаемого ресурса) станет равной единице. Для случая дискретной зависимости напряжения от времени t, когда напря­ жение в отдельных интервалах времени остается постоянным,

43

изменяясь только при переходе от одного интервала к другому, условие разрушения образца будет

ствия при незначительном напряжении не оказывает заметного влияния на последующую долговечность образца. Однако это предположение может оказаться недействительным, например,

(1.10) возможна из-за структурной неоднородности материала. На величину ошибки оказывают также влияние скорости измене­ ния напряжения на различных интервалах времени (частота нагружений, рис. 26).

Процессы разрушения при циклическом режиме нагружения, для которого давно установлена временная зависимость прочно­ сти, и при статическом нагружении обычно противопоставляют­ ся друг другу. Предполагается, что закономерности разрушения при циклическом и статическом нагружении различны. Однако кинетическая теория разрушения твердых тел дает основание

44

Внекоторых случаях могут происходить процессы теплового разрушения твердых тел. В зависимости от скорости нагревания тепловое разрушение представляет собой процесс плавления или испарения твердого тела. Медленное нагревание кристалличе­ ского твердого тела сопровождается его плавлением и испаре­ нием расплавленной части вещества, быстрое нагревание вызы­ вает испарение твердого тела.

Впроцессе эксплуатации происходит старение материалов. Старением называют процессы изменения физико-механических свойств материалов. Обычно старение обусловлено недостаточ­ но стабильным состоянием материала в процессе длительной эксплуатации или хранения. При старении может происходить как ухудшение, так и улучшение определенных свойств материа­ лов. Используемое в промышленности старение сплавов, естест­

венное и искусственное, сопровождающееся выделением кристаллов новых фаз, является одним из основных методов улучшения определенных свойств некоторых сплавов, например, повышения механической прочности алюминиевых, медных и никелевых сплавов, повышения жаропрочности никелевых спла­ вов и т. д.

На летательных аппаратах и их.системах в процессе эксплу­ атации старению, в первую очередь, подвергаются агрегаты и детали, выполненные из резино-технических изделий. Старение этих материалов вызвано в основном распадом основных цепей микромолекул на осколки более простого строения, а также из­ менением строения макромолекул и взаимодействием между ними. Эти процессы происходят под влиянием физических (теп­ ло, свет и т. д.) или химических (кислород, вода и т. д.) фак­ торов. При старении могут изменяться структура, молекуляр­ ный вес, химический состав материалов.

Процессы, происходящие часто при старении, существенно ухудшают механические свойства материалов: снижается проч­ ность при растяжении, увеличивается хрупкость при низких тем­ пературах, снижается стойкость к истиранию. При старении каучуков и резин утрачивается их эластичность, увеличивается газонепроницаемость и ухудшаются диэлектрические свойства. Скорость старения резино-технических изделий зависит от структуры макромолекул, концентрации кислорода в окружаю­ щей среде, температуры поверхности соприкосновения с атмо­ сферой, света, наличия катализаторов и кислотных продуктов.

Зная физические характеристики и параметры элементов, а также скорости их изменения, можно определить время выхода параметров, определяющих работоспособность агрегатов и сис­ тем, за допустимые пределы, т. е. время отказа.

Так, вероятность возникновения отказов вследствие наруше­ ния механической, электрической или тепловой прочности мож­ но определить как

46

Глава II

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НАДЕЖНОСТИ САМОЛЕТА

2 .1. Основные понятия надежности самолета

Эффективность использования самолетов и безопасность по­ летов в значительной степени зависят от надежности авиацион­ ной техники. Под надежностью понимается свойство авиацион­ ной техники выполнять заданные функции при сохранении своих летно-тактических и технических характеристик на земле и в воздухе в установленных пределах в течение требуемого проме­ жутка времени или требуемого налета. Надежность авиационной техники закладывается в процессе ее проектирования, производ­ ства, испытаний и доводки и обеспечивается системой эксплу­ атации и ремонта. Под долговечностью понимается свойство авиационной техники длительно сохранять работоспособность вплоть до наступления момента полной технической непригод­ ности или экономической нецелесообразности ее дальнейшей эксплуатации. Критерием долговечности является технический ресурс. Под техническим ресурсом понимается общий возмож­ ный срок службы изделия (налет, количество взлето-посадок, наработка агрегатов и систем, календарный срок эксплуатации и т. д.) с учетом всех видов ремонта и работ, проводимых в про­ цессе эксплуатации.

Приспособленность авиационной техники к выявлению, уст­ ранению и предупреждению неисправностей называется восста­ навливаемостью или ремонтопригодностью. Восстанавливаемость или ремонтопригодность не может быть обеспечена без эксплу­ атационной технологичности, являющейся необходимым услови­ ем восстанавливаемости.

Под эксплуатационной технологичностью самолета понимают совокупность таких его свойств, которые характеризуют степень его приспособленности к использованию при эксплуатации наи­ более экономичных процессов технического обслуживания для обеспечения заданного уровня надежности и исправности само­ летного парка.

48

Надежность, долговечность и восстанавливаемость обладают количественными характеристиками и, следовательно, могут быть подвергнуты объективной оценке.

Предметом теории надежности является исследование и раз­ работка способов оценки и обеспечения надежности техники. Рассматриваемые ниже вопросы надежности в большинстве слу­ чаев одинаковы для ряда технических устройств авиационной техники. Будут рассматриваться системы (технические устрой­ ства) и единичные рабочие части систем — элементы. Система есть совокупность совместно действующих агрегатов, предназ­ наченных для самостоятельного выполнения определенной прак­ тической задачи. В состав системы могут входить более простые системы — подсистемы. Под агрегатом (элементом) понимается часть системы, которая не предназначается для самостоятельно­ го практического применения.

В качестве примера системы можно привести систему пита­ ния авиадвигателя топливом, практическим назначением кото­ рой является размещение необходимого количества топлива и бесперебойная его подача к форсункам камер сгорания на всех режимах полета в требуемых количествах и под необходимым давлением. В этой системе можно выделить в качестве подсис­ тем: питание двигателей основным топливом, питание двигате­ лей пусковым топливом, автоматику управления расходом и из­ мерением количества топлива, дренажирования баков, центра­

качивающие насосы, фильтры и т. п. Некоторые из этих элемен­ тов, например, основной насос, может, в свою очередь, рассмат­ риваться как система, состоящая из автомата запуска,.автомата приемистости и других подсистем, каждая из которых состоит из таких элементов, как золотники, тяги, дроссельные пакеты, сервопоршни и т. д.

Современный самолет можно характеризовать как сложную

конструкции, элемент есть самостоятельная часть системы, име­ ющая определенные функции, то при исследовании надежности выбор границ элемента зависит от характера решаемой задачи.

В теории надежности в качестве элементов могут рассматри­ ваться как отдельные детали и совокупности деталей (серво­ поршни, золотник, обратный клапан и т. д.), предназначенные для простейшего преобразования физических величин, так и це­ лые сложные механизмы, приборы и устройства (агрегаты).

Часто выделяют типовые элементы, применяемые в различ­ ных системах, выполняющие близкие функции, характеризую­ щиеся сходными конструктивными особенностями и технологией изготовления.

49