zaharov

Как только новое изделие начало выполнять свои рабочие функции и стала возрастать наработка t, в его элементах появляются необратимые процессы, связанные с износом, усталостью, коррозией, изменением свойств материалов. Влияние каждого из перечисленных факторов для различных изделий неодинаково.

В течение второго периода работы изделия эти необратимые процессы начинают накапливаться, степень повреждения элементов растет, но до определенного времени она не достигает предельного значения и постепенные отказы практически не возникают. Однако после некоторой наработки они начинают проявляться и доля их постепенно увеличивается (см. рис. 5.9).

Ресурс изделий целесообразно ограничивать первыми двумя периодами их работы, т.е. в третьем периоде они не должны работать. Однако требуемые ресурсы авиационной техники постоянно растут, несмотря на наличие явлений старения (третий период). Определение наработки, при которой начинает заметно сказываться старение изделия, является ответственной и сложной задачей, на ее основе решается вопрос о назначении ресурса. При этом в первую очередь должны учитываться экономические соображения и условия обеспечения безопасности полета.

Начало третьего периода жизненного цикла и крутизна возрастания интенсивности отказов для одного и того же типа изделия зависят от условий его эксплуатации (эксплуатационный фактор), совершенства конструкции и технологии изготовления.

5.6. Резервирование элементов гидросистем

Основным способом обеспечения надежности гидросистем современных зарубежных самолетов и вертолетов, а также гидросистем ряда отечественных ЛА является резервирование.

При резервировании наряду с основными элементами или запасами работоспособности, необходимыми для выполнения системой заданных функций, предусматриваются резервные элементы (запасы работоспособности), так называемый резерв. В соответствии с ГОСТ 27.002-83 различают нагруженный, облегченный и ненагруженный резерв, а также резерв восстанавливаемый и невосстанавливаемый. В гидросистемах ЛА применяют, как правило, восстанавливаемый резерв, т.е. в случае обнаружения отказа резервных элементов в процессе эксплуа-

тации осуществляется их ремонт или замена с последующей проверкой работоспособности системы.

Понятие нагруженного, облегченного и ненагруженного резерва применяется для разграничивания однотипных резервных элементов по уровню их безотказности и долговечности. При этом элементы нагруженного резерва имеют тот же уровень безотказности и долговечности, что и резервируемые ими основные элементы системы; элементы облегченного резерва обладают более высоким уровнем безотказности и долговечности, а для элементов ненагруженного резерва условно полагают, что они, находясь в этом режиме, никогда не отказывают и не достигают предельного состояния.

Примером применения нагруженного резерва является установка в системе управления самолета Ту-154 трехкамерных рулевых приводов, работающих от трех независимых гидросистем. В этом случае все три камеры рулевого привода и их золотниковые распределители работают в одинаковых условиях и имеют одинаковую вероятность безотказной работы.

В случае использования облегченного резерва резервные элементы испытывают меньшие, чем основные, нагрузки или имеют облегченные условия работы. Так, дублирующая гидросистема вертолета Ми-8 до отказа основной гидросистемы находится под давлением, равным давлению слива, вследствие чего насос дублирующей гидросистемы испытывает небольшие нагрузки и изнашивается гораздо меньше.

Ненагруженный резерв часто применяют в качестве аварийных источников гидроэнергии. Например, используемые в гидросистемах самолетов «Трайдент» и ТУ-204 две насосные станции с приводом от электродвигателей переменного тока и насос с приводом от воздушной турбины вступают в работу в случае отказа всех трех основных гидронасосов.

Основным параметром, характеризующим резервирование, является кратность. Под кратностью резервирования понимается отношение числа резервных элементов к числу резервируемых ими основных элементов системы, выраженное несокращенной дробью.

Кратность резервирования

K m n l , l l

где m – число резервных элементов; n – общее число элементов; l – число основных элементов, необходимых для нормального функционирования системы.

Например, для трехкамерного рулевого привода системы управления самолета Ту-154, обеспечивающего требуемые характеристики управляемости самолета при работе любой одной камеры, кратность резервирования K = (3 – 1)/1 = 2. Резервирование с кратностью резерва один к одному называется дублированием.

На рис. 5.10 приведена разработанная в соответствии с ГОСТ 27.002-83 классификация видов резервирования, применяемых при проектировании функциональных систем ЛА.

Основными видами резервирования являются: функциональное, информационное, временное, нагрузочное и структурное. Сочетание различных видов резервирования в одном и том же объекте представляет собой смешанное резервирование.

Функциональное резервирование заключается в том, что в случае отказа одного элемента его функции передаются другому элементу, который выполняет при допустимом снижении эффективности как

Резервирование

Рис. 5.10. Классификация видов резервирования

свои функции, так и функции отказавшего элемента. Например, в случае отказа основного и резервных каналов дистанционной системы управления ЛА управление рулями и элеронами может осуществляться с помощью системы улучшения устойчивости и управляемости (СУУ). При этом имеет место допустимое для обеспечения завершения полета ухудшение характеристик управляемости ЛА. Другим примером функционального резервирования может служить использование реверсирования тяги авиадвигателей и аварийной системы торможения Ту-154 при отказе основной системы торможения.

Информационное резервирование заключается во введении избыточной информации для обеспечения работы логических устройств или устройств встроенного контроля, применяемых в гидросистемах, системах бустерного управления, шасси н других функциональных системах ЛА. Так, контроль за работой гидросистемы современного пассажирского самолета, как правило, осуществляется с помощью датчиков давления, индикаторы которых устанавливаются на приборных досках пилотов в кабине экипажа. Дополнительно также устанавливаются сигнальные лампочки индикации отказов гидросистемы, связанные с сигнализаторами падения давления в системе ниже установленного уровня.

В особо важных для обеспечения безопасности полета системах кроме световой сигнализации индикации отказов дополнительно применяется звуковая сигнализация. Так, на многих отечественных самолетах при выпуске шасси в случае непостановки шасси на замки кроме световой сигнализации срабатывает и звуковая. Информационное резервирование помогает экипажу принимать правильное решение при отказах или ложных срабатываниях в системе встроенного контроля.

Нагрузочное резервирование – это увеличение запасов прочности элементов агрегатов авиационного гидропривода по отношению к воспринимаемой ими нагрузке. Это резервирование не обеспечивает сохранения работоспособности системы при отказе элемента, а лишь снижает вероятность его отказа. При этом под нагрузкой необходимо понимать не только механические усилия, но и любые воздействия (вибрационные, климатические и т. д.), способствующие возникновению отказа элемента. Примером такого резервирования может служить принятие при проектировании силовых элементов авиационного гидропривода достаточных запасов по статической и усталостной прочности.

Временное резервирование предусматривает использование запасов времени в случае возникновения отказа. Так, в дистанционную систему управления ЛА, как правило, вводят определенное временное запаздывание в отключении отдельных подканалов сервоприводов при отключении электропитания. Это позволяет сохранять работоспособность системы при кратковременном случайном отключении электропитания.

Рассмотренные выше виды резервирования во многих случаях тесно связаны со структурным резервированием, которое является основным видом, применяемым при создании гидравлических систем ЛА, и заключается в том, что в систему вводятся резервные элементы, выполняющие те же функции, что и основные. Структурное резервирование, в свою очередь, подразделяется на общее и раздельное. Под общим понимают резервирование, при котором резервируемым элементом является система (или подсистема) в целом. При раздельном (поэлементном) резервировании резервируемыми являются отдельные элементы (агрегаты) системы. Как общее, так и раздельное резервирование может выполняться с перестройкой и без перестройки структуры системы при возникновении отказов ее элементов. Резервирование с перестройкой структуры системы при возникновении отказов называется динамическим. Если резервирование осуществляется без перестройки структуры системы, то имеет место постоянное резервирование. Все виды резервирования с постоянной структурой в большинстве случаев являются дополнительными для резервирования с переменной структурой.

Частным случаем динамического резервирования, широко применяемого при проектировании гидравлических и других функциональных систем ЛА, является резервирование замещением, при котором функции основного элемента системы передаются резервному только после отказа основного элемента.

Сравнительный анализ эффективности общего и раздельного резервирования. Рассмотрим основное соединение, состоящее из n элементов (рис. 5.11.).

Рис. 5.11. Основное (последовательное) соединение элементов

Отказ соединения наступает тогда, когда выходит из строя последний из работающих элементов. Для того чтобы в течение времени t отказала резервированная система, нужно, чтобы в это же время отказал каждый из m элементов. Так как все отказы независимы, то по теореме умножения вероятностей

то формулы (5.23) и (5.24) упрощаются. При этом надѐжность резервной группы:

Формула (5.25) легко разрешается относительно входящих в неѐ величин. Если, например, задана надѐжность элемента Q1 t и требуется найти такое число резервных элементов, при котором надѐжность Qрез t не будет превосходить заданной величины Q, то из неравенства

Если же, наоборот, задано число резервных элементов, то ненадѐжность каждого из них

Для экспоненциального распределения отказов при малых значенияхt, т.е. при достаточно высокой надѐжности формула (5.25) будет иметь вид

При ненагруженном резерве предполагается, что резервный элемент не может отказать, находясь в нерабочем состоянии, и что его надѐжность при этом не изменится. Кроме того, время, в течение которого отказавший элемент заменяется резервным, практически равно нулю, а переключающее устройство абсолютно надѐжно.

Основной элемент, проработав некоторое время t1 , выходит из строя, и на его место становится первый резервный элемент, который работает некоторое случайное время t2 , и т.д. Последний резервный элемент, проработав некоторое время tm , выйдет из строя, а с ним

выйдет из строя и вся резервная группа.

Таким образом, случайное время жизни резервированной группы

Предположим, что надѐжности элементов группы подчинены экспоненциальному закону. Тогда для вычисления надѐжности можно использовать приближѐнную формулу

Сравнивая формулы (5.29) и (5.33), можно получить наглядное представление о том, что вероятность отказа ненагруженного резерва в m! раз меньше нагруженного.

Рассмотрим теперь эффективности разных способов резервирования систем, показанных на рис. 5.13. Существуют два способа: резервирование системы в целом, или общее резервирование (рис. 5.13, а), и резервирование системы по элементам, или раздельное резервирование

(рис. 5.13, б).

б

Рис. 5.13. Системы резервирования

Однако при практической реализации раздельного резервирования в реальных гидросистемах ЛА имеют место отказы, связанные с потерей герметичности, а также с заклиниванием отдельных элементов гидропривода. Это приводит к необходимости включать в систему переключающие устройства, вероятность безотказной работы которых

меньше 1. Кроме того, при раздельном резервировании увеличивается число необходимых связей между агрегатами, которые осуществляются с помощью шлангов и трубопроводов и вероятность безотказной работы которых также меньше 1. Все это приводит к тому, что во многих случаях раздельное резервирование по сравнению с общим становится нецелесообразным. Поэтому при проектировании гидравлических систем современных ЛА и исполнительных гидроприводов систем управления, шасси и других агрегатов предпочтение отдается методу общего резервирования. Вместе с тем для отдельных агрегатов или их элементов, имеющих сравнительно низкую надежность, используется и раздельное резервирование, особенно когда резервные элементы конструктивно совместимы с основными и их отказы не нарушают функционирования системы. К таким агрегатам или их отдельным элементам относятся подшипники, фильтры, золотниковые распределители, уплотнительные узлы, источники питания, датчики обратной связи и некоторые другие.

При общем резервировании вероятность безотказной работы системы, с учѐтом формул (5.20) и (5.26)

где Pij – надѐжность n-го элемента в m-й параллельной цепи, m – общее

число цепей, в том числе (m – 1) – резервных.

При равнонадѐжных элементах формула (5.34) будет иметь вид

В случае раздельного (поэлементного) резервирования вероятность безотказной работы системы