Содержание к диссертации
Введение
Раздел 1. Краткая характеристика сложных систем средств их обслуживания и методов анализа. Задачи использования 8
Глава 1.1. Общие характеристики сложной системы 8
Глава 1.2. Методы исследования сложных систем как объектов эксплуатации и ремонта 17
Глава 1.3. Задачи авиаремонтного научно- производственного объединения 19
Раздел. 2. Обзор работ по диагностированию состояния поступающей в ремонт авиационной техники ... 24
Глава 2.1. Получение и анализ диагностической информации о состоянии авиационных двигателей 24
Глава 2.2. Методы диагностирования авиационных двигателей 34
Глава 2.3. Использование нейротехнологий 82
Раздел 3. Перспективы использования балансных и растущих пирамидальных сетей для диагностирования и ремонта. Авиационных двигателей 96
Глава 3.1. Принципы управления сложными ситуациями, возникающими в процессе организации ремонта авиационных двигателей 96
Глава 3.2. Перспективы использования растущих пирамидальных сетей в задачах распознавания состояний авиационных двигателей в процессах эксплуатации и ремонта 104
Глава 3.3. К построению алгоритма диагностики на базе растущих пирамидальных сетей 117
Раздел 4. Вибродиагностика авиационных двигателей 125
Глава 4.1. Предварительные замечания 125
Глава 4.2. Анализ зависимости вибрации гтд от наработки 129
Глава 4.3. Статистическая обработка параметров вибрации с применением эвм 136
Раздел 5. Учет при ремонтах и корректировках ресурсов ударных нагрузок в процессе эксплуатации воздушного судна 151
Раздел 6. Статистическое оценивание качества ремонта по данным эксплуатации и определение вероятности обеспечения послеремонтного гарантийного срока 167
Глава 6.1. Прикладной алгоритм 167
Глава 6.2. Обзор результатов с обоснованием прикладного перевыборочного алгоритма 172
Раздел 7. Обоснование предложений, направленных на повышение эффективности эксплуатации и ремонта авиационных двигателей 178
Глава 7.1. О новом способе эксплуатации авиационного двигателя 178
Глава 7.2. Предложение по повышению эффективности диагностирования трансмиссионных подшипников 184
Глава 7.3. Оптимизация процедуры многократного диагностирования подшипников при косвенных методах диагностики 195
Глава 7.4. Предложение по повышению надежности топливной дренажной системы газотурбинного двигателя 200
Глава 7.5. О повышении срока службы лопатки компрессора.. 204
Заключение и общие выводы по работе 207
Список использованных источников
- Методы исследования сложных систем как объектов эксплуатации и ремонта
- Методы диагностирования авиационных двигателей
- Перспективы использования растущих пирамидальных сетей в задачах распознавания состояний авиационных двигателей в процессах эксплуатации и ремонта
- Анализ зависимости вибрации гтд от наработки
Введение к работе
Актуальность темы. Совершенствование процессов функционирования и эксплуатации авиационных двигателей (АД) на всех этапах становления и развития гражданской авиации оставалось актуальным и востребованным.
Конструкторская мысль, усилия инженеров, эксплуатирующих авиационную технику, всегда были направлены на повышение надежности, экономичности, контролепригодности, а в последние годы и экологичности авиационных двигателей.
В области повышения надежности, ремонтопригодности при конструировании и эксплуатации современных авиационных двигателей отечественного производства большой вклад внесли такие ученые, как Е.А. Гриценко, А. А. Иноземцев, Л.Ф. Красников, В.И. Люлько, A.M. Матвеенко, Ю.Н. Нечаев, В.А. Пивоваров, Н.Н. Сиротин, В.М. Чуйко и др. В области диагнострования - А.И. Биргер, СМ. Дорошко, И.В. Кета, А.А. Морозов, В.А. Степанова, В.И. Ямпольский и др.
В диссертации с позиций системотехники рассматриваются обобщенные характеристики авиационного двигателя как сложной технической системы.
Большое внимание уделяется новейшим моделям искусственного интеллекта на базе растущих пирамидальных и балансных сетей.
Обосновывается их применение для более эффективного решения задач диагностики состояний (поиску отказов и определению режимов работы) авиационных двигателей в интересах их технического обслуживания и ремонта.
Особое место в работе отведено вибродиагностике состояний авиационных двигателей. Обосновывается утверждение о необходимости учета при корректировках устанавливаемых ресурсов АД ударных нагрузок, котором они подвергаются в процессе эксплуатации.
По-новому ставится и решается задача статистического оценивания качества ремонта АД по ограниченным эксплуатационным данным и определения вероятности обеспечения послеремонтного гарантийного срока.
Заключительный раздел диссертации органично вписывается в общее ее содержание, в нем рассмотрены конкретные предложения автора по повышению эффективности эксплуатации и ремонта современных газотурбинных двигателей, реализованные в конкретных образцах.
Цель и задачи исследования. Цель исследования заключается в том, чтобы на основе современных достижений фундаментально-прикладной науки и личного многолетнего опыта работы автора диссертации в научно-производственном авиаремонтном объединении поставить и решить следующие (выносимые на защиту) вопросы:
? обоснование на основе сравнительного анализа выбора модели искусственного интеллекта для автоматического определения состояния АД на борту воздушного судна;
? принципы управления сложными ситуациями, возникающими в процессе организации ремонта АД;
? корректировка ресурсов бортовых систем при учете ударных нагрузок;
? статистическое оценивание качества ремонта на ограниченной статистике в эксплуатации;
? оптимизация процедуры многократного диагностирования подшипников при косвенных методах;
? предложения по повышению эффективности эксплуатации и ремонта АД.
Объект и методы исследования. Объектом исследования является процесс технического обслуживания и ремонта авиационных двигателей. Методы исследования связаны с использованием теории вероятностей и математической статистики, метода последовательного анализа (правил остановки наблюдений), моделей искусственного интеллекта и дискретной оптимизации.
Научная новизна работы обусловлена оригинальными постановками возникающих в последние годы и нерешенных задач в области определения состояний и нагруженности работы авиационных двигателей, их диагностики, корректировок устанавливаемых ресурсов, статистического оценивания качества ремонта по ограниченным исходным данным.
Практическая значимость диссертации состоит в том, что предложенные в ней решения позволяют существенно повысить надежность авиационных двигателей, достоверность их контроля и диагностирования, более полно учитывать состояние авиационных двигателей при организации ремонтных работ.
Результаты работы успешно реализованы в конкретных образцах авиационных двигателей, а также в технологиях ремонта авиационных двигателей отечественных воздушных судов, о чем имеются соответствующие акты.
Апробация и публикация результатов диссертации. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на семинарах секции «проблемы воздушного транспорта» РАН (2000-2001г.г.), на семинаре кафедры «Оптимального управления факультета вычислительной математики и кибернетики» МГТУ им.М.В.Ломоносова (2003г.), на семинаре «искусственный интеллект в авиации» (г.Рыбинск, 2004г.), на межведомственных, отраслевых и международных семинарах и совещаниях различного уровня.
По теме диссертации автор имеет 7 печатных работ, включая патенты и авторские свидетельства об изобретениях и статьи в научных вестниках МГТУ ГА.
Методы исследования сложных систем как объектов эксплуатации и ремонта
Для создания оптимальных математических моделей эксплуатации авиационных систем и комплексов, наиболее полно отражающих и описывающих происходящие процессы изменения их состояния и управления этим состоянием, с успехом используются достижения в теории управляемых случайных процессов. При этом учитываются и аддитивные накопления повреждений в системах, подверженных случайным ударным нагрузкам в случайные моменты времени.
В рыночных условиях авиаремонтное предприятие должно более тесно взаимодействовать с авиакомпаниями (АК) и в деле повышения надежности техники с наиболее выгодным привлечением средств из доходов авиакомпаний. Здесь возникает задача, которая ранее нигде не рассматривалась. Для решения этой новой задачи необходимо привлечь и новые методы исследования.
Задача планирования производства также трансформируется с учетом функционирования предприятия в рыночных условиях.
В современных условиях нельзя не учитывать и возможную работу предприятия в чрезвычайных условиях, при которых нужно будет не только ремонтировать, но и восстанавливать поврежденную авиационную технику.
При этом также возникает новая научная задача такой перестройки организации производства, при которой обеспечивался бы максимум выходной продукции.
В свете названных выше новых задач в объединении должны произойти и соответствующе изменения в научном, технологическом и организационном обеспечении производства.
Покажем это на примере эксплуатации авиационных систем и комплексов по техническому состоянию. Ясно, что переход к такому прогрессивному методу эксплуатации неизбежно приведет (и проводит) к существенному изменению системы технического обслуживания и ремонта авиационной техники.
Дело в том, что при этом переходе коренным образом преобразуется (усложняется) информационная база: база накопления, объединения, обработки статистической информации не о случайных величинах (как было ранее при формировании базы данных о надежности авиационной техники), а о случайных процессах состояния техники - процессах векторного типа со многими стохастически зависимыми составляющими. При этом аргументом этих процессов является реальное время, и именно в реальном времени принимаются решения об управлении состоянием техники.
Процесс накопления, обработки информации по каждому изделию авиационной техники и по парку изделий должен быть непрерывным на всех стадиях технического обслуживания и ремонта.
Только в этом случае система эксплуатации по техническому состоянию будем адаптивной и в конечном итоге полностью учитывать индивидуальные особенности каждого изделия.
На этом пути требуется совместными усилиями решить и проблему повышения точности измерения параметров авиационных систем и комплексов (как технически, так и с применением более современных алгоритмов фильтрации).
Выбираемые параметры обслуживания по состоянию (упреждающие, а в некоторых случаях и основные допуска на измеряемые параметры) следует уточнять и при необходимости корректировать в ремонтных предприятиях, база данных в которых должна быть связана с централизованной базой данных по всем однотипным эксплуатируемым изделиям.
При таком подходе к деятельности авиационных ремонтных предприятий еще большую значимость приобретает вопрос обоснования и корректировок межремонтных ресурсов стареющих агрегатов авиационных систем, прежде всего авиационных двигателей. Это особенно важно, так как в условиях рыночных отношений, к сожалению, стоимость запасного агрегата может стать главным критерием осуществления замены.
Методы диагностирования авиационных двигателей
В ряду различных методов контроля и диагностирования состояния авиадвигателей особое место занимают параметрические методы. Под этим кратким условным названием подразумеваются диагностические методы, базирующиеся на специальной обработке и анализе значений термогазодинамических и иных параметров, измеряемых на работающем двигателе. К числу термогазодинамических параметров относятся давление и температура, отношение давлений и температур, скорость течения, расход рабочего тела (воздуха, топлива), проходная площадь характерных сечений по газовоздушному тракту двигателя, тяга, углы установки поворотных лопаток компрессора и т.п., а также скорости вращения роторов. К числу измеряемых иных, нетермогазодинамических параметров (их иногда называют эксплуатационными параметрами), можно отнести давление и температуру масла, давление топлива, перепад давлений на масляных и топливных фильтрах, давление (или перепад давлений) в уплотнениях масляных полостей, в полостях суфлирования, уровни вибраций и т. п.
Параметрическим методам диагностирования присущи некоторые характерные отличия, которые в совокупности определяют особое место этих методов в системе контроля состояния двигателей. Такими отличиями являются.
1. Диагностическая информация, содержащаяся в указанных параметрах двигателя, собирается «на ходу», на работающем двигателе. При достаточной (по количеству и составу) номенклатуре этих параметров, при непрерывном или достаточно частом измерении и регистрации их значений в ходе испытаний или эксплуатации двигателя и умении извлечь диагностическую информацию открывается возможность обнаружить ряд неисправностей в ранней стадии, проследить историю их развития и прогнозировать дальнейшие его тенденции.
2. За последние годы наблюдается определенная тенденция к увеличению объема информации о состоянии двигателя, получаемой на борту самолетов в полете. Преобладающая часть бортового оборудования (датчики, коммуникации, согласующие устройства и т.п.), необходимого для получения такой информации, используется и для других, не диагностических целей, например, для управления двигателем, для решения навигационных задач, оптимизации режимов полета и др. Таким образом, получение информации, необходимой для применения параметрической диагностики, либо вообще не требует, либо требует небольшого специального препарирования и дооборудования двигателей.
3. Термогазодинамические параметры газотурбинных двигателей (ГТД) связаны соотношениями, вытекающими из хорошо согласующейся с экспериментом теории этих двигателей. Этот факт обусловливает возможность достаточно строгого математического описания процессов проточной части двигателя и применения математических моделей для решения различных задач. Использование математических моделей в целях параметрической диагностики проточной части более плодотворно, чем, например, для диагностического анализа появления в масле металлов - следов износа и других подобных задач диагностики, которые пока мало поддаются аналитическому (замкнутому математическому) описанию.
В эксплуатации измерение параметров, необходимых для диагностического анализа, может производиться как при наземном обслуживании двигателей (при пред- и послеполетном опробовании, при регламентных работах), так и непосредственно в полете. Следует учесть, что:
- многие условия и режимы работы двигателей в реальном полете (например, максимальную приведенную частоту вращения и
пониженное давление рабочего тела по тракту, соответствующие дозвуковым полетам на больших высотах; высотные режимы работы турбины низкого давления ТРДД с большой степенью двухконтурности, поля давлений на входе при эволюциях самолета и т д.) нельзя имитировать при наземном опробовании двигателя на самолете;
- некоторые явления, обнаруживаемые в полете (например, неисправность маслосистемы, возрастание вибраций на определенных режимах полета, некоторые случаи помпажа, аномалии процессов горения и многие другие) при наземном опробовании двигателя часто не удается воспроизвести;
- измерение параметров в полете не требует дополнительных затрат времени, топлива и расходования ресурса двигателя, что неизбежно при получении диагностической информации в ходе наземного опробования.
По указанным причинам в эксплуатации всегда желательно собирать возможно полную диагностическую информацию по двигателям непосредственно в полете, что, конечно, не исключает использования и наземной информации. При испытаниях двигателей на заводах источником получения диагностической информации (в частности информации, необходимой для разработки и применения параметрических методов диагностики) является систематическая, хорошо организованная регистрация измеряемых параметров непосредственно в ходе различных испытаний (доводочных, длительных, специальных и т. д.).
Перспективы использования растущих пирамидальных сетей в задачах распознавания состояний авиационных двигателей в процессах эксплуатации и ремонта
Первые публикации о растущих пирамидальных сетях (РПС) появились в 1969г. С тех пор проводилось непрерывное исследование свойств и прикладных возможностей РПС как способа организации знаний интеллектуальных систем, обеспечивающего эффективное решение основных задач анализа данных, принятия и планирования решений [126-131]. Появились модификации РПС, ориентированные на различные типы приложений. Настоящая глава содержит описание последних версий основных алгоритмов построения и обучения РПС, обзор их модификаций и рекомендации об использовании в авиации.
Перечислим требования к организации знаний в интеллектуальных системах, выведенных на основе анализа свойств аналитических задач, процессов принятия и планирования решений и свойств человеческой памяти [131].
В интеллектуальных системах знания разных типов должны быть объединены в иерархическую сетевую структуру, построенную на единых для всех видов знаний принципах. ? Сеть, представляющая знания, должна обладать развитыми ассоциативными свойствами и, таким образом, обеспечивать выполнение разнородных поисковых операций. ? Сеть должна отражать иерархичность реальных сред и в связи с этим должна быть удобной для представления родовидовых связей и структур составных объектов. ? Обязательными функциями памяти должны быть формирование ассоциативных связей путем выделения пересечений признаковых представлений объектов, иерархическое упорядочение, классификация, формирование понятий. Эти функции должны выполняться одновременно с восприятием информации. В сети должен быть обеспечен удобный двунаправленный переход между именами объектов (свернутое, конвергированное представление) и наборами значений признаков, определяющих объекты (развернутое представление). Сформулируем вначале основные определения, понятия, процедуры, относящиеся к РПС, опираясь на работы В.П. Гладуна [126-128,130, 131].
Растущей пирамидальной сетью называется ациклический ориентированный граф, в котором нет вершин, имеющих одну заходящую дугу. Вершины, не имеющие заходящих дуг, называются рецепторами, остальные вершины — концепторами. Подграф пирамидальной сети, включающий вершину а и все вершины, от которых имеются пути к вершине а, называется пирамидой вершины а. Вершины, входящие в пирамиду вершины а, образуют ее субмножество. Множество вершин, к которым имеются пути от вершины а, называются ее супермножеством.
В субмножестве и супермножестве вершины а выделяются 0-субмножество и 0-супермножество, состоящие из тех вершин, которые связаны с ней непосредственно. При построении сети входной информацией служат наборы значений признаков, описывающих некоторые объекты (материалы, состояния агрегата, ситуации, болезни и т.п.). Рецепторы соответствуют значениям признаков. В различных задачах это могут быть имена свойств, отношений, состояний, действий, объектов или классов объектов. Концепторы соответствуют описаниям объектов в целом и пересечениям описаний.
В начальном состоянии сеть состоит только из рецепторов. Концепторы формируются в результате работы алгоритма построения сети. Этот алгоритм описан в ряде публикаций, на которые были ссылки выше, предназначен для работы в ситуациях, когда признаковое описание каждого объекта полностью известно и вводится целиком. При появлении новых признаков, характеризующих объект, необходимо формировать новое полное описание объекта и заменять представляющую его пирамиду другой, соответствующей новому описанию. Однако в реальных ситуациях функционирования интегрального интеллектуального агента одновременное восприятие всех характеристик объекта далеко не всегда возможно. В этих случаях информация об объектах поступает по частям. Появляется необходимость изменить алгоритм построения сети таким образом, чтобы обеспечить возможность включения в существующие пирамиды объектов новых признаков по мере их появления, без замены пирамид в целом. Приведем описание такого измененного алгоритма.
При вводе признакового описания объекта рецепторы, соответствующие значениям признаков, входящих в описание, переводятся в состояние возбуждения. Процесс возбуждения распространяется по сети. Концептор переводится в состояние возбуждения, если возбуждены все вершины его 0-субмножества. Рецепторы и концепторы сохраняют состояние возбуждения в течение выполнения всех операций достройки сети.
Пусть при вводе описания объекта Fa - подмножество возбужденных вершин 0-субмножества вершины a; G - множество возбужденных вершин сети, не имеющих других возбужденных вершин в своих супермножествах.
Анализ зависимости вибрации гтд от наработки
Обработка зарегистрированных в полете уровней вибрации осуществляется в ЛДГСАТ группой сбора и обработки информации.
Определение ТС ГТД методом вибродиагностики проводится путем анализа изменения текущих характеристик параметра вибрации по времени наработки.
В основу процесса диагностирования двигателя данным методом положен визуальный анализ, который позволяет сравнивать текущие значения величины вибрации с признаками (эталонами) соответствующих неисправностей.
Перечислим основные признаки (эталоны) неисправностей.
1. На исправном двигателе зависимость регистрируемого в полете уровня вибрации по наработке (в пределах ±5 мм/с), уровень горизонтальной линии или шлейфа точек, который проходит относительно нулевой линии оси абсцисс, определяются измеряемой величиной вибрации, зависящей в основном от исходного технического состояния двигателя, его демпфирующих характеристик, места измерения, погрешности измерения и ряда других причин. На некоторых двигателях разброс точек при нормальной эксплуатации может изменятся в пределах ±(5-И0) мм/с.
2. Наиболее опасными являются неисправности, приводящие к резкому скачкообразному изменению уровня вибрации (обычно за 1-3 полета), они вызываются обрывами рабочих лопаток компрессора или турбины, поломками других деталей ротора, образованием трещин в дисках, разрушением подшипников и др.
3. Постепенное изменение уровня вибрации (за несколько сот часов) вызывается процессами износа, приводящими к увеличению дисбаланса или ослаблению затяжки подвески двигателя. Интенсивное нарастание уровня вибрации в течение достаточно короткого срока времени (за 8-10 полетов) может быть обусловлено интенсификацией процессов износа, развитием трещин в роторе.
4. Другим признаком изменения технического состояния ГТД является изменение величины разброса (дисперсии) уровня вибрации, причинами увеличения разброса могут быть разбандажирование рабочих лопаток компрессора, а также явления, приводящие к увеличению аэродинамической неравномерности воздушного потока (например, значительное количество забоин на лопатках, деформация трактовых колец, приводящая к появлению уступов в газовоздушном тракте, и др.).
5. Признаком изменения в ТС ГТД могут являться случайные выбросы параметра и разбросы уровней вибрации. В этом случае на установившемся режиме полета уровень вибрации, как правило, остается в пределах, указанных в п.1.; при изменении же режима работы двигателя и режима полета возможно резкое увеличение уровня (иногда сопровождаемое кратковременным загоранием табло или лампочки повышенной вибрации), затем через несколько секунд уровень вибрации возвращается к исходному значению. Причинами выбросов может явиться совместное действие нескольких факторов. Один из них связан с изменением ТС ГТД (обычно это ослабление затяжки соединений ротора из-за вытяжки или смятия соединительных элементов), а другой, - с увеличением динамических сил, возникающих на переходных режимах полета.
6. Указанные в п.п. 3...5 признаки могут быть вызваны и неисправностями бортовой виброизмерительной аппаратуры (ИВ). Как правило, при отказах элементов РІВ наблюдаются: - резкое снижение (скачок) регистрируемого показывающим прибором уровня до нуля (при обрыве коммуникаций); - увеличение разброса регистрируемого параметра при неизменных условиях работы двигателя и режимах полета (при нарушении контактов соединений, отказов вибропреобразователей и др.; - нарастание (или снижение) уровня вибрации из-за износа вибропреобразователей (ВП) и их амортизаторов.
7. Как уже указывалось выше (см. п.2), изменение уровня вибрации может происходить и по причинам, не связанным с неисправностями ГТД или аппаратуры ИВ. Они возникают в результате проведения некоторых работ по техническому обслуживанию двигателя и самолета и по ряду других причин.
Основными причинами изменения уровня вибрации в этих случаях являются: - замена и регулировка виброаппаратуры и ее элементов, что приводит к скачкообразным изменениям вибрации или снижению разброса параметров; - замена рабочего колеса вентилятора или компрессора низкого давления (НД), что также приводит к скачкообразному изменению параметров вибрации; - перестановка двигателя (в том числе съем и установка в ту же мотогондолу), что также вызывает подобные изменения; - регулировка скольжения ротора, что приводит к скачкообразным изменениям вибрации; - потеря амортизационных свойств подвески двигателей; - изменение условий полета или режима работы двигателя, на котором производится регистрация параметров, что может вызвать изменение разброса.
Визуальный анализ информации проводится в следующем порядке.
Из поступающих в ЛДТСАТ карт регистрации параметров выписываются значения уровней вибрации, номер самолета, двигателя и силовой установки, наработка двигателя, дата полета. На миллиметровую бумагу в координатах «X» - «Y» наносятся точки уровня вибрации в зависимости от времени наработки (количества полетов).
