Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор и обоснование 7
1.1 Диагностирование основных объектов летательного аппарата 10
1. 1. 1 Методы диагностики элементов конструкции планера 10
1. 1.2 Техническое диагностирование авиационных двигателей 24
1.1. 2. 1 Авиационный газотурбинный двигатель как объект диагностирования 24
1.1. 2. 2 Методы и средства технического диагностирования ГТД 26
1. 1.3 Методы и средства диагностирования систем летательных аппаратов и их агрегатов 43
1.1.3.1 Методы диагностирования гидравлической системы и ее агрегатов 43
2 Системы летательного аппарата как объекты диагности рования
2.1 Общие сведения 56
2.2 Контроль работы масляной системы 59
2. 3 Ограничения масляной системы 59
2.4 Неисправности масляной системы 60
2.5 Технология обслуживания масляной системы 61
3 Разработка методики распознавания неисправностей систем и агре гатов летательных аппаратов
3. 1 Методы распознавания в технической диагностике 63
3. 1. 1 Вероятностные методы распознавания 66
3.1.1.1 МетодБайеса 66
3. 1. 1.2 Метод статистических решений 68
3.1.1.2.1 Метод минимального риска 70
3.1.1.2.2 Метод минимакса 71
3. 1. 1. 2. 3 Метод Неймана-Пирсона 71
3. 1. 2 Детерминистические методы распознавания 71
3. 1. 2 .1 Линейные методы Методы стохастической аппроксимации 73
3. 1. 2. 2 Метрические методы распознавания 76
3. 1. 2. 3 Логические методы 77
3.1. 2.4 Распознавание кривых 77
3. 1. 2. 4. 1 Оценка неслучайных отклонений по контрольным уровням 77
3. 1. 2. 4, 2 Оценка текущего значения параметра 79
3. 1. 2. 4. 3 Сглаживание кривых 79
3. 2 Методика расчета 81
3. 2. 1 Применение обобщенной формулы Байеса для определения неисправного состояния 81
3. 2. 2 Определение вариантов и условий расчета 87
3.2. 3 Вывод расчетных выражений 90
4 Реализация методики распознавания неисправностей
4. 1 Определение условий расчета неисправных состояний масляной системы 136
4. 2 Признаки и неисправные состояния масляной системы 137
4. 3 Расчет и определение неисправностей масляной системы двигателя Д-ЗОКУ-154 145
4.3. 1 Определение вариантов расчета неисправных состояний масляной системы 157
4. 4 Основные результаты и выводы по работе 209
Заключение 211
Библиографическое описание 213
- Авиационный газотурбинный двигатель как объект диагностирования
- Технология обслуживания масляной системы
- Линейные методы Методы стохастической аппроксимации
- Расчет и определение неисправностей масляной системы двигателя Д-ЗОКУ-154
Введение к работе
Летательные аппараты (ЛА) являются одной из самых сложных технических систем, создаваемых и использующихся человеком. Но как любое техническое изделие, ЛА имеют свойство отказывать, то есть прерывать процесс функционирования, а это снижает безопасность полетов.
Устранить отказ или неисправность можно, но, не выявив и не устранив причину их вызывающую, нельзя гарантировать надежность. Причину можно определить по проявляющимся признакам (последствиям).
Если есть один признак, то он явно указывает на неисправный элемент, агрегат или изделие. Намного сложнее, когда неисправность проявляется несколькими признаками. В этом случае, даже высоко квалифицированный специалист не всегда способен определить причину неисправности. Требуется дополнительная проверка, контроль, время и материальные затраты. Проблемы, связанные с определением причины неисправности можно разрешить, используя методы распознавания. Рассчитанные и построенные на их основе модели, таблицы, графики, позволят сократить время на отыскание причины отказа или неисправности и снизить материальные затраты.
Цель работы
Повышение надежности и летной годности летательных аппаратов, путем разработки внедрения методов распознавания неисправных состояний агрегатов, изделий и систем.
Задачи исследования
Сбор и анализ статистического материала о неисправных состояниях систем ЛА.
Анализ и определение возможности применения метода Байеса к неисправным состояниям агрегатов, изделий и систем ЛА.
Определение возможных вариантов расчета вероятности появления неисправных состояний при проявлении различных сочетаний признаков неисправностей.
Определение условий реализации математической модели определения неисправных состояний при проявлении различных сочетаний признаков.
Разработка методики определения неисправных состояний агрегатов, изделий и систем ЛА, с использованием метода Байеса.
Применение разработанной методики в практической деятельности при техническом обслуживании и ремонте ЛА.
Объектом исследования является агрегаты, изделия и системы авиационной техники в неисправных состояниях.
Предметом исследования является функциональные связи агрегатов, изделий, систем ЛА и математическая модель поиска неисправностей, основанная на методе Байеса.
Научная новизна диссертационной работы заключается:
В решении задачи поиска неисправных состояний агрегатов, изделий и систем ЛА с использованием вероятностного метода распознавания -метода Байеса.
В обосновании условий построения математической модели вероятности появления неисправных состояний агрегатов и систем ЛА.
В разработке математической модели для вероятности появления того или иного неисправного состояния агрегатов и систем ЛА, с использованием метода Байеса.
В разработке методики определения неисправных состояний конкретных систем ЛА.
В разработке методики представления результатов расчетов диагностирования неисправного состояния агрегатов и систем в виде, удобном для использования в процессе технической эксплуатации авиационной техники.
Практическая ценность работы заключается в том, что:
1. Использование методики определения неисправных состояний ЛА
с применением вероятностного метода Байеса, позволяет сокращать время
и затраты при проведении работ по восстановлению надежности ЛА и
обеспечению безопасности полетов.
2. Разработанная методика определения неисправных состояний
авиационной техники, применима к любым системам всех типов самолетов
и вертолетов.
Применение методики на новых типах ЛА, в период их освоения, когда еще не накоплен опыт технической эксплуатации, даст возможность ускорить процесс восстановления надежности.
Разработанные методики и математическая модель, дают возможность группам надежности и технической диагностики авиакомпаний самостоятельно использовать их при выполнении работ по восстановлению надежности ЛА.
Авиационный газотурбинный двигатель как объект диагностирования
Авиационный двигатель является наиболее сложным и ответственным изделием AT. Отказ двигателя приводит к сложной ситуации в полете, а возможно, и к тяжелым последствиям. Поэтому авиационному двигателю уделяется особое внимание в технической диагностике.
Диагностика авиационных ГТД базируется на общей теории технической диагностики и ее развитие неразрывно связано с прогрессом в авиадвигателестроении и совершенствованием системы эксплуатации ЛА. За последние годы развития авиации значение технической диагностики авиационных ГТД значительно возросло в связи: с поступлением в эксплуатацию более сложных в изготовлении и применении авиационных ГТД с большими тяговооруженностью и ресурсом, с повышенными требованиями к надежности; с необходимостью выявлением неисправностей на ранней стадии их развития с целью предотвращения отказов в полете; с затруднением быстро находить неисправности без применения специальных методов и средств диагностирования; с переходом на прогрессивные методы технического обслуживания и ремонта.
Авиационный ГТД характеризуется наличием взаимодействующих многих сложных систем: компрессора, камеры сгорания, турбины, топли-ворегулирующей аппаратуры, систем смазки, суфлирования, запуска, отбора воздуха, управления поворотом лопаток спрямляющих аппаратов и т. д. Поэтому оценка технического состояния ГТД возможна на основании измерения и анализа параметров этих систем и параметров, отражающих взаимосвязь между системами. Опыт эксплуатации показывает, что для диагностирования современного ГТД глубиной до узла необходимо измерить и специально обработать до 1000 параметров. Трудности выбора параметров для диагностирования состоят в том, что каждому режиму работы двигателя соответствуют свои параметры. Это объясняется динамикой взаимодействия газовых потоков в проточной части двигателя и вращающихся масс роторов, тепловой инерционностью двигателя. Основные неисправные состояния авиационных ГТД. Неисправные состояния ГТД приводятся по его основным узлам.
Компрессор! абразивный и эрозийный износ лопаток и проточной части, повреждение лопаток посторонними предметами и помпаж компрессора, обрыв лопаток из-за появления усталостных трещин.
Камера сгорания: прогар жаровой трубы и корпуса камеры сгорания, деформация и трещины жаровой трубы и корпуса камеры сгорания из-за неравномерного распределения поля температур.
Газовая турбина: вытяжка рабочих лопаток турбины вследствие воздействия на них центробежных сил в условиях высокой температуры; об-горание или перегрев сопловых и рабочих лопаток из-за нарушения процесса сгорания топлива; обрыв или разрушение рабочих лопаток из-за превышения температуры газов или неправильной эксплуатации ( останов двигателя без предварительного охлаждения на пониженных режимах ), повышенной вибрации ГТД; усталостные или термические трещины на пере и хвостовиках лопаток.
Подшипники опор ротора двигателя: конструктивно - производственных причин, масляного голодания, попадания посторонних частиц на дорожки качения, повышенных вибраций двигателя, перегрева или усталостных разрушений.
Масляная и топливная системы двигателя: появление стружки в масле из-за разрушения деталей двигателя; большой расход масла из-за внешних утечек, износа уплотнительных колец и втулок; падение и колебание давления масла в результате разрегулировки и выхода из строя маслонасо-сов, редукционных клапанов и т. д.; перегрев масла в результате отказа агрегатов системы: радиаторов, насосов; внешняя негерметичность соединений; разрушение крыльчатки и подшипников подкачивающего насоса, Методы и средства технического диагностирования ГТД
В настоящее время для диагностирования ГТД применяются различные методы ТД, использующие множество различных по своей природе диагностических сигналов. Методы технической диагностики ГДТ представлены на рисунке 1.4.
Виброакустическая диагностика ГТД. При работе ГТД все его детали, узлы и агрегаты совершают вынужденные и резонансные колебания. Эти колебания зависят от величины и характера возмущающих сил, их частот, от упруго-массовых характеристик элементов конструкции двигателя, которые, в свою очередь, зависят от ряда конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов.
Технология обслуживания масляной системы
К неисправностям масляной системы относятся: а) отклонения параметров маслосистемы от нормы; б) наличие стружки на фильтрующих элементах основного мас ляного фильтра; в) наличие стружки на фильтре фильтра-сигнализатора; г) наличие стружки на магнитных пробках. 2 К неисправностям по отклонению параметров маслосистемы от нормы относятся: а) Мало давление масла (на режиме малого газа - менее 2,5 кгс/см , на остальных режимах - менее 3,5 кгс/см2). б) Утечка масла из маслобака в двигатель на стоянке (более 1 кг в су тки). в) Повышение уровня масла в маслобаке выше 33±1 кг (попадание топлива в масляную систему). 3 К неисправностям фильтра-сигнализатора относятся: а) Отсутствие сигнала - табло «СТРУЖКА В МАСЛЕ» не го рит. При осмотре фильтра во время проведения регламентных работ обнаружена стружка. б) Ложный сигнал - табло «СТРУЖКА В МАСЛЕ» горит. При осмотре фильтра стружка не обнаружена. 1 Слив масла из системы Слив масла из масляной системы производится в следующих случаях: -при консервации масляной и топливной систем, если масло в двигателе не соответствует нормам; -при замене агрегатов масляной системы; -в случае замены марки масла. 2 Заполнение системы маслом Заполнение маслом маслосистемы производится в следующих случаях: -при замене двигателя; -при замене агрегатов масляной системы; -в случае замены марки масла. 3
Промывка масляной системы Промывка масляной системы двигателя производится в следующих случаях: -при съеме двигателя, который эксплуатировался на масле ВНИИ НП-50-1-4Ф; -в случае необходимости замены масла ВНИИ НП-50-1-4Ф на масло МК-8 или МК-8П; -при обнаружении металлической стружки на ФСС и на масло фильтре, если двигатель допущен к дальнейшей эксплуатации. 4 Регулирование давления в маслосистеме Регулирование давления масла производится в случае, когда мало или велико давление масла в двигателе. Давление масла регулируется винтом редукционного клапана нагнетающего насоса, который установлен на КИМА. 5 Консервация масляной системы Консервация масляной системы предусматривает защиту масляной системы и трущихся деталей двигателя от коррозии при хранении. Для консервации масляной системы применяются масла МК-8 и МК-8П. При соответствии масла основным требованиям масляная система двигателя считается законсервированной. Как исключение, допускается консервация двигателя маслом ВНИИ НП-50-1-4Ф с отметкой об этом в формуляре. 6 Консервация и упаковка агрегатов Консервация агрегатов масляной системы производится при необходимости длительного хранения, а также при направлении их на завод-поставщик для исследования. Консервации подвергаются: откачивающий насос передней опоры, откачивающий и подкачивающий насосы КПМА и центробежный суфлер задней опоры. 7 Редукционный клапан подкачивающего насоса Редукционный клапан подкачивающего насоса расположен на КПМА с левой стороны (по полету). Редукционный клапан служит для регулировки давления масла на входе в нагнетающий насос. 8 Обратный клапан Обратный клапан расположен на крышке подкачивающего насоса и служит для предотвращения ухода масла из маслобака во время стоянки.
После монтажа клапана производится проверка на герметичность. 9 Масляный фильтр Масляный фильтр расположен в нижней части КПМА. Демонтаж фильтра из корпуса КПМА производится с целью осмотра и промывки фильтра. 10 Фильтрующие секции маслофильтра Демонтаж фильтрующих секции маслофильтра производится с целью глубокой промывки сеток фильтрующих секций или их замены. Глубокая промывка делается через 250±25 час, Одной из основных задач технической диагностики является распознавание технического состояния объекта в условиях ограниченной информации. Анализ состояния проводится в эксплуатационном режиме, при котором получение исчерпывающей информации крайне затруднительно, и поэтому на основании полученной информации не всегда представляется возможным сделать однозначное заключение. В связи с этим приходится применять различные методы распознавания. Распознавание технического состояния объекта диагностирования -это отнесение его состояния к одному из возможных классов( диагнозов). Совокупность последовательных действий в процессе распознавания называется алгоритмом распознавания. Существенной частью распознавания является выбор параметров, описывающих состояние объекта. Они должны быть достаточно информативными, чтобы при выбранном числе диагнозов процесс распознавания мог быть осуществлен.
Линейные методы Методы стохастической аппроксимации
Линейные методы разделения, методы стохастической аппроксимации имеют целью определение положения разделяющей плоскости, делящей всё пространство на области диагнозов ( состояний ) Пусть в пространстве признаков ( рис. 11 ) содержатся точки, принадлежащие к диагнозам (состояниям ) Si,..., Sn ( в нашем случае двум ). Для каждого из этих диагнозов существуют скалярные функции fj(X)(i=l, 2,..., п ), Которые удовлетворяют условию f;(X) fj(X) при XGS; ( j=l,2, ... , n; і).Такие функции называются дискриминантными. Дискри-минантная функция fj(X) зависит от всех координат пространства, т. е. fi(X)=f(xb х2) хп) и для точек диагноза Sj имеет наибольшее значение по сравнению со значениями дискриминантных функций других диагнозов Sj Записываются дискриминантные функции следующим образом : где Хі1ї...Ді/н+л -«весовые» коэффициенты. Для удобства геометрической интерпретации вектор " X " дополняется еще одним компонентом xN+l = 1. Если диагнозы Si и S2 имеют общую границу, то уравнение разделяющей поверхности будет иметь вид Существенное значение имеет разделение на два состояния Si и S2. Смотри рисунок 3. 3. Этот случай называется дифференциальной диагностикой или дихотомией. При распознавании двух состояний в качестве разделяющей функции можно принять разность соответствующих дискриминальных функций Разделяющая функция дает следующее решающее правило:
Для повышения надежности распознавания применяют " пороги чувствительности - є", и тогда решающее правило имеет вид при f( Х) 8, XeSi ; при f(X) -c ,XeS2; при -s f(X) e - отказ от распознавания (т. е. требуются дополнительные исследования). Таким образом, в общем виде разделяющую функцию при диагностировании на два состояния можно представить в виде скалярного произведения Разделяющая поверхность является плоскостью в ( w+І ) - мерном пространстве или гиперплоскостью. Уравнение разделяющей гиперплоскости Последнее уравнение означает, что "весовой" вектор перпендикулярен разделяющей гиперплоскости. В дополнительном пространстве признаков разделяющая гиперплоскость всегда проходит через начало координат. Следовательно, вектор X однозначно определяет положение разделяющей плоскости в пространстве признаков. Разработан специальный ал горитм определения "весового" вектора с помощью обучающей последовательности, состоящей из совокупности образцов с известным диагнозом. Эти методы распознавания базируются на предположении, что изображения объектов с одинаковым состоянием более близким друг к другу, чем изображения объектов, имеющих различные состояния, и основаны на количественной оценке этой близости. В качестве изображения объекта принимается точка в пространстве признаков, а мерой близости считается расстояние между точками. Рассмотрим метрический метод на примере, приведенном на рисунке 3.4. Допустим, что для диагностирования в пространстве признаков предъявлен объект X и используется диагностическая мера расстояния L. Для отнесения объекта X к одному из диагнозов определяют расстояние L до эталонных точек ai и а2.
Расчет и определение неисправностей масляной системы двигателя Д-ЗОКУ-154
В числителе: произведение значения Р( S ,) - вероятность появления неисправного /-го состояния (для рассматриваемого случая - S2) - ($2) , на значение Р(К / S /) - вероятность проявления комплекса признаков (для нашего случая - проявление одного признака - kj), в неисправном і- ом состоянии (для рассматриваемого случая - S2). Исходя из этих обозначений, в числителе получим выражение: P(S2) Р(к і / S2). В знаменателе: сумма произведения значения P(S с) - вероятность появления сочетаний неисправных состояний, то есть их совместное появление (для рассматриваемого случая Sj и S2 - определяют количество слагаемых), на значение Р(К / S с) - вероятность проявления комплекса признаков (применительно к нашему случаю - проявление одного признака kj), в сочетании неисправных состояний (для рассматриваемого случая - Si и S2) - Р(к i/Sj) и Р(к 1/S2). Исходя из этих обозначений, в знаменателе получим выражение: P(Sj)P(k \/S\) + P(S2)P(k 1/S2). Сведем полученные выражения в вид Сравнив полученные результаты по II варианту - проявление одного признака в двух неисправных состояниях (S] и S2), приходим к определенному выводу.
Третий (III) вариант не требует расчета. Это связано с тем что, если оба признака проявляются в одном неисправном состоянии, то это однозначно указывает именно на эту неисправность. Но в целях проверки возможности применения обобщенной формулы Баейса проведем расчет и посмотрим на результат. Переходим к рассмотрению III варианта - проявление двух признаков и к2) в одном неисправном СОСТОЯНИИ ;). Для случая I а) - одновременное проявление двух признаков (к( и к2) в одном неисправном состоянии (Si). Необходимо получить- PfSj/ к\ к2). Обобщенная формула Баейса (3. 27) В числителе; произведение значения Р( S j) - вероятность появления неисправного /-го состояния (применительно к рассматриваемому случаю -Si) - P(Si), на значение Р(К / S /) - вероятность проявления комплекса признаков (для рассматриваемого случая - одновременное проявление признаков- kt и к2), в неисправном состоянии (для рассматриваемого случая - Si) — Р(к, k2/Si) или P(k]/Si) P(k2/S[). Исходя из этих обозначений, в числителе получим выражение: P(S) P(kik2/Si) или P(S ki) Р(к i/S]) Р(к2/ Si). В знаменателе: сумма произведения значения P(S с) - вероятность появления сочетаний неисправных состояний (для рассматриваемого случая только S]- определяют количество слагаемых) - P(S]), на значение Р(К / S с) - вероятность проявления комплекса признаков (для рассматриваемого случая - одновременное проявление признаков - к] и к2), в сочетании неисправных состояний (в рассматриваемом случае только Si) - P(kj/ S]) и Р(кг/ S]). В результате в знаменателе получаем выражение - P(Si) Р(к[/ Si) Р (кг/ Si), То есть нет суммы, ввиду отсутствия второго слагаемого (неисправное состояние только одно - Si). Сведем полученные выражения к виду Исходя из него, видим, что вероятность появления этого неисправного состояния равна единицы. Для случая I б) - при неявном проявлении одного (первого) признака (, и к2) в одном неисправном состоянии ). Необходимо получить-P(S\ Ік\к2) Обобщенная формула Баейса (3.27)
В числителе: произведение значения P(S,) - вероятность появления неисправного /-го состояния (применительно к рассматриваемому случаю - S) - P(Si), на значение Р(К / S ;) - вероятность проявления комплекса признаков (для нашего случая - не проявление признака kj и проявление признак к2) - кх к2, в неисправном /- ом состоянии (для рассматриваемого случая - Si)- Р(к} k2lS{) или P(k} /5,,)/ (Jt2/51). Исходя из этих обозначений, в числителе получим выражение: P(S, )P(Jt, /5,) / (it2 /S,). В знаменателе: сумма произведения значения P(S с) - вероятность появления сочетаний неисправных состояний (для рассматриваемого случая только - Si) - P(Sj), »а значение Р(К / S с) - вероятность проявления комплекса признаков (для рассматриваемого случая - не проявление признака к) и проявление признак кг), в сочетании неисправных состояний (в рассматриваемом случае только S[)- P{kxIS{) и Р(к2 /5,), В результате в знаменателе получаем выражение - P(Sl)P(kl /S])P(k2/S]). Сведем полученное выражение к виду То есть, получаем такой же результат, что и в случае I а). Для случая I в) - при неявном проявлении другого (второго) признака \к} ик2). Нам необходимо получить-P(Sl /к:к2) Обобщенная формула Баейса (3.27) В числителе: произведение значения Р( S ;) - вероятность появления неисправного /-го состояния (применительно к рассматриваемому случаю - Si) - P(Si), на значение Р(К / S ;) - вероятность проявления комплекса признаков (для нашего случая - проявление признак ki и не проявление признака к2) -кх Ї,, в неисправном /- ом состоянии (для рассматриваемого случая - Si) - (, ,/,) или Р{кх I S{)P{k2lSx). Исходя из этих обозначений, в числителе получим выражение: P{S{)P{k\ I Sj)P(k2 /S{). В знаменателе: сумма произведения значения P(S с) - вероятность появления сочетаний неисправных состояний (для рассматриваемого случая только - Si) - P(Sj), на значение Р(К / S с) - вероятность проявления комплекса признаков (для рассматриваемого случая - проявление признак k и не проявление признака к2), в сочетании неисправных состояний (в рассматриваемом случае только Si) - Р(кх IS{)P{k2ISx). В результате в знаменателе получаем выражение - / (,) Р(кх 15,) Р(ї2 / ,). Сведем полученные выражения в выражению
