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

В том случае, если не возникает необходимости деления объ­ ектов авиационной техники на составные части, пользуются тер­ мином «изделие» или «техническое устройство». Эти термины относятся к любой законченной конструкции, предназначенной для решения определенной практической задачи. Система может состоять из одного или многих технических устройств.

Все элементы, составляющие какие-либо системы, можно разделить на три группы:

•— активные, участвующие в рабочем процессе системы пос­ редством функционирования под нагрузкой (механической, электрической);

—базовые, составляющие основу для правильного взаимно­ го расположения и взаимодействия активных элементов (рамы, панели, контейнеры, кронштейны и т. д.);

—вспомогательные, которые служат для создания нормаль­ ного функционирования активных и базовых элементов (все раз­ новидности контровок и т. д.).

Элементы каждой группы могут утратить работоспособность из-за различных видов отказов, но активные элементы относятся к наиболее изнашивающимся, поэтому оценка надежности сис­ тем зависит в основном от показателей безотказности и восста­ навливаемости именно этих элементов. При расчете надежности систем соединения между элементами (сварные, штуцерные, фланцевые соединения трубопроводов, клеевые и паяные соеди­ нения электропроводов) также могут являться источниками от­ казов, т. е. обладать собственной ненадежностью, поэтому они также должны учитываться как первичные элементы.

К основным понятиям надежности относятся также понятия отказа, дефекта и неисправности.

Под отказом авиационной техники понимается всякая поте­ ря работоспособности (полная, частичная, временная) системы (агрегата) при отклонении ее (его) параметров от установлен­ ных норм, проявившаяся или в полете или на земле.

Отказы, происшедшие от момента начала разбега самолета при взлете до момента сруливания с ВПП после посадки, отно­ сятся к отказам авиационной техники в воздухе.

Отказы авиационной техники, которые создают аварийную обстановку в полете, являются предпосылками к летным проис­ шествиям.

Отказы могут происходить из-за разрушения и трещин на де­ талях, износов трущихся поверхностей, заклинивания или зали­ вания золотников, загрязнения рабочих жидкостей гидравличе­ ских систем, нарушения контактов электрических цепей и т. д.

Любое техническое устройство (агрегат) выполняет задан­ ные ему функции при рабочих параметрах элементов (деталей, узлов), значения которых находятся в определенных пределах допусков (рис. 28).

50

При выходе параметров за поле допуска можно говорить о появлении отказа.

Все отказы по характеру своего проявления различаются на постепенные и внезапные. Постепенные отказы появляются в результате старения материала, износа рабочих поверхностей деталей, физических изменений материалов под воздействием различных факторов, приводящих к непрерывному изменению рабочих характеристик технического устройства от номинально­ го значения. Эти изменения могут привести к выходу величины этого отклонения за пределы установленных допусков.

Отказы бывают независимыми и зависимыми. Отказ какоголибо элемента в системе, не послуживший причиной отказов других элементов, считается независимым и наоборот.

Отказы могут быть окончательными и перемежающимися.

Окончательным отказом является такой отказ, при котором не происходит самостоятельное без вмешательства обслуживаю­ щего персонала восстановление работоспособности изделий. К ним относятся отказы, связанные с поломками деталей, значи­ тельным износом трущихся поверхностей деталей, изменением сопротивления и емкости конденсаторов и т. д. Отказы авиаци­ онной техники являются в основном окончательными отказами. Система будет работать надежно только после их устранения в процессе ремонта или регулировки. Перемежающийся отказ про­ должается короткое время, после чего система самовосстанавливается и работает надежно. Так, под воздействием влажности, температуры и пыли многие элементы радиотехнического и ави­ ационного оборудования меняют свои параметры. Например, конденсаторы, катушки индуктивности, сопротивления имеют различные температурные коэффициенты. При определенных из­

51

менениях параметров этих элементов изделие может потерять свою работоспособность, т. е. может наступить отказ. Дальней­ шее изменение этих параметров может привести к такому со­ четанию значений параметров элементов, при которых работо­ способность изделия будет восстановлена. Поэтому перемежаю­ щиеся отказы могут встречаться, в первую очередь, в сложных изделиях радиотехнического и авиационного оборудования.

Все отказы технических устройств по своему происхождению можно разделить на конструктивно-производственные и эксплуа­

тационные.

Конструктивно-производственные отказы происходят, как правило, на первом этапе эксплуатации вследствие недостатков в конструкции и технологии изготовления, а также несовершен­ ного контроля качества продукции.

Несмотря на повышение общего уровня культуры производ­ ства, улучшения технологии, а также конструктивного совершен­ ства, в отдельных довольно редких случаях могут иметь место конструктивно-производственные отказы. Наиболее часто встре­ чающимися конструктивно-производственными отказами дета­ лей и узлов авиационной техники, послужившими причиной их разрушения, являются:

— недостаточная конструктивная прочность (стойки шасси и другие детали органов приземления самолетов, рулевые и не­ сущие винты вертолетов, рабочие лопатки компрессора и турби­ ны, диски турбин реактивных двигателей, гильзы цилиндров и детали кривошипно-шатунной группы поршневых двигателей);

—наличие значительных концентраторов напряжений (ма­ лые радиусы галтелей, отсутствие фасок на кромках отверстий, отсутствие скруглений, острых кромок и др.);

—■применение сварки в напряженных местах и некачествен­ ное выполнение сварки;

—недостаточная чистота обработки деталей, особенно по­ верхности галтелей, отверстий, сопряжений, а также в местах действия наибольших напряжений (стойки шасси большинства самолетов и других деталей);

—несоответствие геометрии деталей чертежу;

—наличие на ряде деталей грубых производственных де­ фектов (литейных и термических трещин, заковов, закатов и

др-);

—резкие переходы от сварного шва к основному материалу;

—небрежность исполнителей при сборке и испытаниях агре­

гатов;

—несовершенство технологии изготовления и регулировки отдельных узлов. Иногда разрушения элементов конструкции планера, силовых установок, отдельных деталей систем могут

происходить из-за несоответствия материалов, из которых они изготовлены, техническим условиям (большая загрязненность

52

неметаллическими включениями, неоднородная микроструктура, обезуглероживание материала и т. д.).

К эксплуатационным отказам относят отказы, вызванные ошибками обслуживающего персонала и летного состава при эксплуатации самолета, а также отказы, появившиеся из-за слу­ чайных причин. Кроме этого, различают отказы, возникающие вследствие таких закономерных причин, как износ и старение материалов. Они проявляются в основном на последнем этапеэксплуатации.

Кроме отказа, когда изделие уже потеряло способность вы­ полнять заданные функции, в теории надежности имеется поня­ тие дефекта. Дефектом считается всякое повреждение и разре­ гулировка системы (агрегата) или отдельного элемента (узла или детали), не приведшие к потере их работоспособности. При наличии дефекта изделие можно в течение некоторого времени эксплуатировать практически без нарушения заданных техниче­ скими условиями функций. К дефектам можно отнести: растрес­ кивание лакокрасочного покрытия планера самолета или защит­ ного покрытия его агрегатов; нарушение контровки болтов, гаек; заершенность тросов; вмятины на трубопроводах; перего­ рание осветительных лампочек; трещины несиловой обшивки планера самолета и т. д. К дефектам следует также отнести отк­ лонения величины производительности насоса, а также емкости конденсатора за пределы допуска, если эти отклонения не приве­ ли к нарушению работы систем, в которые они входят. Несвоев­ ременное или некачественное устранение дефекта может приве­ сти к отказу.

Под неисправностью понимается качественное состояние са­ молета, которое характеризуется наличием отказов и дефектов,, выявленных на нем в процессе эксплуатации и ремонта.

Необходимо иметь в виду, что существует целый ряд измене­ ний в техническом состоянии агрегатов, деталей и систем, кото­ рые не приводят к немедленному выходу агрегатов из строя, однако наличие этих изменений не позволяет обеспечить безот­ казную работу агрегатов с начала эксплуатации до проведения очередного осмотра или очередных регламентных работ. Так как в течение указанного времени не представляется возможность контролировать развитие этих изменений, то, несомненно, целе­ сообразно такие изменения, относительно которых нельзя с пол­ ной уверенностью сказать, что они не приведут к отказу агрега­ та до момента выполнения очередных работ или осмотров, так­ же считать отказами.

Существуют, наконец, такие изменения в техническом состоя­ нии изделий, которые не приводят к немедленному отказу изде­ лий. Влияние этих изменений на работоспособность изделий настолько мало, что лишь в течение времени, значительно превышающего время между очередными регламентными ра­ ботами или осмотрами, эти изменения развиваются настолько,

53

что приводят к отказам. Наличие таких изменений в техниче­ ском состоянии изделий не угрожает выходом из строя и поэто­ му их не следует относить к категории отказов.

Для каждого типа системы (технического устройства) приз­ наки работоспособного и неработоспособного (отказа) состояния будут различны. Эти признаки также будут меняться в зависи­ мости от рассматриваемой задачи.

Необходимо иметь в виду, что в некоторых системах при от­ казе одного или нескольких агрегатов лишь несколько снижает­ ся их эффективность использования.

2.2. Основные количественные характеристики надежности самолета

Надежность долгое время была чисто качественным, не под­ дающимся контролю параметром технических устройств.

В процессе создания новых образцов техники проводились мероприятия по повышению их надежности. При проектирова­ нии решались частные задачи обеспечения надежности (подбор деталей, материалов, режимов работы и т. д.), но зачастую это делалось эмпирически, без всестороннего изучения и обеспече­ ния надежности на научной основе. Не были разработаны коли­ чественные критерии оценки надежности.

В настоящее время количественные критерии надежности по­ лучили широкое применение для оценки надежности авиацион­ ной техники в процессе проектирования, опытного строительства,

время налета самолета (наработки, количества взлето-посадок,

Таким образом, P(t) представляет собой вероятность того, что величина заданного времени функционирования t меньше, чем величина времени появления первого отказа ii. Противопо­ ложным событием q(t) является вероятность появления отказа

Иными словами, вероятность отказа q(t) представляет веро­ ятность того, что заданное время функционирования t больше, чем величина времени появления первого отказа 0- Понятия «вероятность безотказной работы» и «вероятность отказа» всег­ да относятся к какому-либо определенному периоду времени ра­ боты элемента или системы. Сумма вероятностей безотказной

54

работы и появления отказа как противоположных событий рав­ на единице:

где P(t) — функция надежности элемента (системы); q(t) —функция ненадежности элемента (системы).

гатов, элементов), через n(t) — число отказавших за это время устройств и через N0=N(t) + п (t) — число однотипных техниче­ ских устройств, поступивших на эксплуатацию или испытания. Тогда статистическая вероятность без­

отказной работы Р*(t) в соответствии с определением вероятности для лю­ бого времени может быть вычислена по формуле

правных в течение заданного времени однотипных технических устройств к числу технических устройств, поступивших на экс­ плуатацию или испытания. При увеличении количества техниче­

С увеличением наработки (налета) t общее количество отка­ зов n(t) в технических устройствах постепенно увеличивается. Поэтому n(t) и вероятность появления отказа q(t) являются монотонно нарастающими функциями. При этом кривая q(t) (рис 29) изображает собой интегральную функцию распреде­ ления случайной величины — времени появления отказа техни­ ческих устройств. Характеристика P(t) имеет противоположный характер относительно кривой q(t) и является монотонно убы­ вающей функцией. Функции P(t) и q(t) имеют следующие свой­ ства:

э5

1) Р (0) = 1, т. е. можно рассматривать безотказную работу лишь тех элементов и систем, которые были исправны в момент включения

В процессе эксплуатации в большинстве случаев требуется определить степень надежности самолета, его силовой установ­ ки, агрегатов оборудования' и систем в течение некоторого опре­ деленного периода эксплуатации, одного полета, посадки и т. д. При этом известно, что они имели уже некоторую наработку ta (налет). Вероятность безотказной работы технического устрой­ ства в период наработки ta—h при условии, что оно уже безот­ казно проработало перед этим в течение времени ta, определяет­ ся условной вероятностью

т. е. вероятность безотказной работы технических устройств в течение времени ta—tb при условии, что они безотказно прора­ ботали перед этим в течение времени 0—ta, выражается отно­ шением количества исправно проработавших технических уст­ ройств в течение времени 0—tb к количеству исправно прорабо­ тавших технических устройств в течение времени 0—ta.

Надежность элементов не всегда удобно характеризовать вероятностью безотказной работы, так как для малых периодов времени работы элементов значения P(t) будут близкими к единице. Например, вероятность безотказной работы подкачи­ вающего топливного насоса в течение 1 часа Р(1) ~ 0,9999...

Поэтому наряду с вероятностью безотказной работы P(t) ис­ пользуется в качестве характеристик надежности плотность ве­ роятности отказов f(t). Статистическая плотность вероятности отказов f'(t) есть отношение количества отказов Длгоднотип­

56

ных технических устройств в единицу времени, взятых для дан­ ного отрезка времени Д^, к числу технических устройств N0, по­ ступивших на эксплуатацию или испытания, т. е.

Для получения кривой появления отказов статистическим ме­ тодом весь диапазон времени наработки однотипными техниче­ скими устройствами разбивается на равные отрезки

где ktiz==ti —•

Обрабатывая статистические данные, определяют количество отказов Дщ, Ап2, . . ., Дщ технических устройств за эти проме­ жутки времени. При этом имеется в виду, что отказавшие техни­ ческие устройства не восстанавливаются, в дальнейшей эксплу­ атации не участвуют и не заменяются новыми.

На основании полученных данных строят статистическую кри­ вую плотности вероятности отказов.

Если перейти от дискретного спектра плотности вероятности отказов к непрерывному распределению, т. е. принять Д/-Д), то получим выражение для плотности вероятности отказов f(t):

Классическое распределение времени появления отказов ха­ рактеризуются кривой, изображенной на рис. 30.

Первый участок f(t) от 0 до ^ характерен для первого не­ большого периода наработки изделий и отличается повышенной плотностью вероятности отказов. На этом участке преобладают отказЬг, которые возникают в результате скрытых неисправно­ стей, вызванных ошибками при проектировании или нарушением технологии изготовления.

Особенно значительной плотность вероятности отказов в этот период бывает у технических устройств, состоящих из большого количества мелких элементов. Ранние отказы на этом участке могут быть устранены или сокращены путем отбраковки эле­ ментов (агрегатов, деталей). Для этого до их применения (уста­ новки на самолет, двигатель, системы) проводятся испытания в лабораториях на специальных стендах и установках на наибо­ лее тяжелых режимах работы. Продолжительность испытаний должна обеспечивать приработку агрегатов, в процессе которой выявляются агрегаты, имеющие скрытые производственные де­ фекты.

На нем наблюдается относительное постоянство плотности ве­ роятности отказов. На этом участке внезапные отказы изделий

57

происходят значительно реже. Отказы на участке ^ —t2 вызы­ ваются скрытыми дефектами производства, преждевременным старением материалов, из которых изготовлены изделия, внеш­ ними и другими причинами. Частота появления такого рода отказов обычно бывает небольшой. Период рабочего времени технических устройств, в течение которого устанавливается наи­ более низкая плотность вероятности отказов, называется перио­

ное повышение плотности вероятности отказов вследствие изно­ са деталей и старения их материала, называется периодом изно­ са и старения'.

Плотность времени появления ранних отказов на первом уча­ стке кривой f(t), возникающих из-за производственных дефек­ тов, хорошо согласуется с распределением Пуассона

где Tmt — безразмерное математическое ожидание для распре­ деления на участке /, выраженное целым числом отрезков вре­ мени;

t — текущее безразмерное количество отрезков времени на­ работки, выраженное целым числом отрезков времени;

е — коэффициент нормирования.

Распределение времени появления внезапных отказов на втором участке кривой f(t), вызванных скрытыми производст­ венными дефектами и преждевременным старением материалов, выражается экспоненциальной формулой

где Ттг — математическое ожидание времени безотказной рабо­ ты на участке II.

58

Плотность времени появления отказов на участке III, возни­ кающих в результате износа и старения, хорошо согласуется с кривой нормального распределения (рис. 31):

Подставив в выражение (2.14) параметр q{t), согласно фор­

системы и агрегаты становятся все менее и менее надежными. Поэтому необходимо иметь характеристики, . позволяющие оце­ нить надежность самолета в каждый данный момент. Однако плотность вероятности отказов не позволяет полностью дать та­ кую оценку.

Плотность вероятности отказов f(t) позволяет оценить плот­ ность вероятности появления отказов из общего количества технических устройств, поступивших на эксплуатацию или испы­ тания. Однако плотность вероятности отказов f(t) не дает воз­ можности оценить плотность вероятности появления отказа от­ дельно взятого технического устройства, так как при расчете f(t) берется общее количество технических устройств, первона­ чально взятых под наблюдение.

В качестве характеристики, выражающей плотность вероят­ ности появления отказа отдельно взятого технического устрой­ ства используется интенсивность 1 отказов А. Она определяется количеством отказов Ап, в единицу времени, отнесенным к ко­

1 В некоторых литературных источниках интенсивность отказов называ­ ется опасностью отказов или Ламбда-характеристикой.

59