Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор современного состояния основных проблем поддержания летной годности ВС ГА 19
1.1. Система подержания летной годности отечественных изделий авиационной техники 19
1.2. Основные направления совершенствования системы поддержания летной годности за рубежом 24
1.3. Краткий обзор литературы по теории эксплуатации сложных технических систем по состоянию и описание исследуемой проблемы 37
2. Оптимальные математические модели эксплуатации авиационных двигателей по техническому состоянию 40
2.1. Одномерная модель оптимального управления состоянием авиадвигателя 40
2.2. Многомерная оптимальная модель эксплуатации авиадвигателя по техническому состоянию 43
3. Модели скорейшего обнаружения «сбоев» в работе авиационного двигателя при автоматизированной обработке информации о его состоянии 54
4. Разработка предложений по внедрению автоматизированной системы в интересах эксплуатации авиадвигателей ВС ГА по техническому состоянию 64
4.1. Общие положения и требования к обобщенной базе данных по эксплуатируемым авиадвигателям ВС ГА 64
4.2. Методика локализации повреждений авиадвигателя с точностью до модуля 67
4.3. Алгоритмы выявления неисправностей авиационных двигателей по изменению регистрируемых параметров вибрации 79
5. Обоснование выбора контролируемых параметров для диагностирования технического состояния авиадвигателей в эксплуатации 112
5.1. Контролируемые неисправности объекта и сигналы о них 112
5.2. Выбор контролируемых параметров 118
5.3. Величины, определяющие ранг сигнала 122
5.4. Выбор контролируемых параметров на основе ранжирования сигналов 136
5.5. Неисправности авиадвигателей в эксплуатации 143
5.6. Определение влияния контроля состояния авиадвигателя на выполнение задания воздушным судном 154
6. Определение оптимальных значений ресурсов стареющих агрегатов авиационного двигателя при его эксплуатации по техническому состоянию 163
7. Основные проблемы диагностирования авиационных ГТД и пути их решения 176
7.1. Особенности обеспечения диагностирования авиационных ГТД 176
7.2. Основные пути совершенствования диагностирования ГТД 192
7.3. Совершенствование методов и средств диагностирования ГТД 216
7.4. Оценка повреждений проточной части ГТД и объективная регистрация результатов контроля 234
Заключение и выводы по работе 259
Список использованных источников 263
- Основные направления совершенствования системы поддержания летной годности за рубежом
- Многомерная оптимальная модель эксплуатации авиадвигателя по техническому состоянию
- Методика локализации повреждений авиадвигателя с точностью до модуля
- Выбор контролируемых параметров на основе ранжирования сигналов
Введение к работе
Актуальность проблемы. Государственный подход к формированию отечественной системы поддержания летной годности воздушных судов потребовал самого пристального внимания ко многим аспектам деятельности гражданской авиации. Он обусловил необходимость изменения нормативно-правовой базы, нормативного и процедурного обеспечения и контроля характеристик безопасности, надежности, технологичности, контролепригодности и др. характеристик воздушных судов гражданской авиации (ВС ГА).
В то же время определился круг задач правового и организационного образования и совершенствования системы технического обслуживания и ремонта, экономических и других мер, направленных на обеспечение и контроль летной годности в условиях эксплуатации.
Практика давно подтвердила, что уровень безопасности и исправности авиационной техники обеспечивается не только надежностью ее конструкции и грамотной летной эксплуатацией, но и, в большей степени, применяемыми стратегиями и качеством технического обслуживания и ремонта (ТОиР).
В последние годы, практически для всех типов воздушных судов, применяются прогрессивные системы ТОиР, получившие название «эксплуатация по техническому состоянию». Это рациональное (обоснованное) сочетание форм и методов ТОиР - с контролем диагностических параметров, с контролем уровня надежности парка, по фиксированному (установленному) ресурсу. По своей сути все эти методы основаны на достоверном определении (и знании) технического состояния воздушного судна на всех этапах его эксплуатации. Такие задачи решаются на основе широкого комплекса специальных испытаний и исследовательских работ, а реализуются системой инженерно-авиационной службы. В рамках структуры ТОиР большая часть этих задач возложена на сложившуюся систему технической диагностики и неразрушающего контроля (ТД и НК).
Требования о необходимости определенной системы контроля и диагностики технического состояния предусматриваются и нормами летной годности. В соответствии с ними, контроль технического состояния (ТС) должен быть обеспечен для всех функциональных систем, отказ которых может вызвать возникновение опасной ситуации.
Такое единство требований летной годности воздушных судов и требований прогрессивных стратегий их технического обслуживания обусловило необходимость установить круг задач, решаемых системой контроля и диагностирования технического состояния, разработать организационные мероприятия и условия их наиболее эффективного применения.
С установлением этих условий операции ТД и НК вошли непосредственно в процессы ТОиР, и выполнение их стало предусматриваться нормативно-технической документацией, технологиями, бюллетенями.
В порядке государственного регулирования Государственная служба Гражданской Авиации (ГС ГА) России, при участии Департамента поддержания летной годности гражданских воздушных судов и технического развития гражданской авиации (ДГТЛГ ГВС и ТР ГА), последовательно проводит комплекс мер, направленных на формирование системы технической поддержки эксплуатантов и совершенствование нормативной базы поддержания летной годности в процессе эксплуатации ВС.
Создана система сертификации организаций по ТОиР, организован Государственный Центр безопасности полетов (ГЦ БП) на воздушном транспорте, введено «Временное положение об организации и проведении работ по установлению ресурсов и сроков службы гражданской авиационной техники», разрабатывается концепция системы поддержания летной годности ВС ГА.
Известно, что в процессе эксплуатации авиационные двигателя (АД) регулярно контролируются количественно и с различной степенью точности как непосредственно в полете (например, контроль и запись параметров двигателей НК-86 самолетов типа ИЛ-86 на борту и последующая их расшифровка на земле), так и на земле (при более углубленном количественном контроле во время проведения других видов работ по техническому обслуживанию).
При количественном контроле результаты сравниваются с заранее заданными допустимыми или критическими границами - допусками на каждый из измеряемых параметров. В целях стандартного представления исходных данных в пределах (0,1) каждый параметр нормируется относительно своего критического допуска.
В отличие от другого бортового оборудования количество измеряемых параметров авиационных двигателей (АД), как правило, ограничено пятнадцатью - двадцатью параметрами.
Однако, до сих пор (несмотря на наличие ряда содержательных публикаций в области эксплуатации АД) при организации эксплуатации АД не формализован вопрос о выборе упреждающих регулировок их контролируемых параметров в случаях наблюдаемых приближений к критическим заданным границам.
Более того, не решен и главный вопрос - о выборе и обосновании оптимальных процедур упреждающих регулировок параметров АД в этих предкритических случаях. Хотя, на чисто интуитивном, эвристическом уровне, обслуживающий персонал практически всегда осуществляет такие упреждающие регулировки, руководствуясь соображениями прежде всего безопасности полетов и желанием снижения трудозатрат на техническое обслуживание и ремонт АД. Естественно, что «правила» таких упреждающих регулировок у каждого специалиста свои и в основе их всегда лежит накопленный эксплуатационный опыт.
И, наконец, следует отметить актуальность комплексного контроля и анализа технических, экономических и экологических параметров АД, которые стохастически тесно зависимы.
В данной работе будут изложены постановки и решения общих и частных оптимальных задач эксплуатации АД по техническому состоянию (далее просто по состоянию).
При этом в обобщенный критерий (функционал) качества, по которому должна проводится оптимизация, следует включать и риски возможных авиационных происшествий, экономические потери от таких происшествий, возмещение морального ущерба пассажирам, затраты на регулировки и измерения параметров АД.
Выходными параметрами оптимизации будут упреждающие допуска, располагаемые всегда ниже критических, и периодичность (шаг) наблюдения параметров. Если такой шаг наблюдения уже задан, то оптимизации подлежат только упреждающие допуска на каждый параметр.
Особый круг задач, тесно связанных с задачами эксплуатации двигателей по техническому состоянию (ЭТС), составляют задачи диагностирования неисправностей на рабочих режимах двигателя. Они также требуют своего решения.
Таким образом, до сих пор не были созданы на базе достижений фундаментальной науки единые методологические основы эксплуатации таких сложных и ответственных энергетических систем, как авиационные двигатели, по техническому состоянию, комплексно не представлены и не проанализированы существующие и перспективные алгоритмы диагностирования АД, а также совокупность систем контроля состояния двигателей, включая вычислительные средства.
Автор диссертации, по роду своей деятельности, тесно связанной с поиском новых методов и средств эксплуатации авиационных двигателей современных ВС ГА, пытается восполнить отмеченный пробел и решить кратко обозначенную выше крупную научную проблему оптимальной эксплуатации АД по техническому состоянию.
В области эксплуатации и ремонта ВС и АД ГА по техническому состоянию следует отметить прежде всего работы Н.Н.Смирнова и А.А.Ицковича, исследования В.Г.Воробьева, А.А.Кулагина и их учеников, Е.А.Гриценко, В.М.Чепкина, Е.А.Куклева, А.А.Иноземцева, Ю.А.Ножницкого, Е.А.Коняева, Л.Ф.Красникова, Р.И.Адгамова, А.Г.Баканова, Ф.М.Муравченко, В.М.Чуйко, А.М.Матвеенко, Ю.Н.Нечаева и др.; в области диагностирования - работы А.И.Биргера, П.П.Пархоменко, В.И.Перова, В.А.Пивоварова, А.Б.Кузьмина, С.М.Дорошко, И.М.Синдеева, В.И.Ямпольского, Н.И.Белоконя, А.А.Морозова, В.А.Степанова, Б.А.Чичкова, И.В.Кета и др.
Ряд монографий, непосредственно посвященных теории эксплуатации сложных систем (в частности, и оборудования летательных аппаратов) по техническому состоянию, был издан Е.Ю.Барзиловичем, В.Ф.Воскобоевым и В.А.Каштановым.
В данной работе, безусловно, нашли отражение те основные результаты исследований упомянутых авторов, которые можно было в той или иной мере использовать при создании и обосновании предложенной в диссертации концепции эксплуатации АД по ТС и их диагностирования.
Объектом исследования является парк эксплуатируемых в ГА газотурбинных авиационных двигателей и процесс их технической эксплуатации.
Предмет исследования - новые методы эксплуатации АД: эксплуатации их по техническому состоянию комплексно с новыми методами диагностирования.
Целью диссертации является создание на основе достижений современной науки и техники теоретических основ эксплуатации АД по состоянию и обоснование технических, информационных и организационных возможностей реализации полученных теоретических результатов на основе широкого использования вычислительных комплексов.
Для достижения этой цели в диссертации решены следующие задачи:
- оптимального управления состоянием АД при независимых параметрах (одномерная модель);
- оптимального векторного управления состоянием АД при комплексном контроле набора стохастически зависимых параметров;
- скорейшего обнаружения «сбоев» (с заданной малой вероятностью ошибки) в работе АД (например, при скачкообразном изменении уровня вибрации);
- разработки и обоснования предложений по внедрению автоматизированной системы ЭТС и диагностики АД;
- формализованного выявления неисправностей по изменению параметров вибрации;
- по обоснованию выбора контролируемых параметров и алгоритмов диагностирования технического состояния АД в эксплуатации;
- по обоснованию конкретных предложений для внедрения полученных в работе результатов и использования их в руководящих документах по ЭТС и диагностике АД.
Перечисленные выше задачи и выносятся автором на защиту.
Научная новизна диссертационного исследования заключается в разработке метода и прикладных алгоритмов векторного оптимального упреждающего (отказы, неисправности) управления состоянием АД при количественном контроле параметров и оптимального (скорейшего) обнаружения сбоев в системе измерений, искажающих истинную картину технического состояния АД.
В работе также впервые предложена и обоснована новая процедура определения допустимых уровней вибрации эксплуатируемых АД.
В основе этой процедуры - использование фундаментальных результатов в современном разделе математической статистики - в компьютерной статистике, полученных на базе теории перевыборок.
В работе предложена информационно-управляющая система контроля и диагностирования АД, ориентированная на их эксплуатацию по техническому состоянию, а также решен ряд новых частных задач в области выбора параметров и совершенствования алгоритмов диагностики с учетом специфики функционирования современных газотурбинных авиационных двигателей. Сформулирована концепция дальнейшего совершенствования алгоритмов диагностирования и методов неразрушающего контроля авиадвигателей в условиях эксплуатации.
Достоверность результатов исследований обеспечивается апробированными строгими и общими математическими моделями, практической приемлемостью принятых допущений и реализуемостью предложенных алгоритмов и вычислительных программ как для существующих, так и для перспективных АД, а также устойчивостью полученных результатов к неполноте исходных данных.
Практическая ценность полученных результатов заключается в приложении фундаментальной теории в области последовательного анализа к разработке и реализации в современных системах контроля и диагностирования предложенных в диссертации алгоритмов и вычислительных программ.
Внедрение результатов. Полученные лично автором или при его непосредственном научном руководстве результаты реализованы и использованы при составлении практически всех действующих нормативных и руководящих документов, регламентирующих эксплуатацию по состоянию АД в эксплуатационных предприятиях отрасли; при создании автоматизированной системы контроля эксплуатации АД; разработке концепции диагностирования и неразрушающего контроля технического состояния авиадвигателей в условиях эксплуатации, положения о порядке реализации эксплуатации газотурбинных двигателей (ГТД) ВС ГА и их агрегатов по техническому состоянию.
Апробация работы и публикации. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на научных конференциях, семинарах секции «Проблемы воздушного транспорта России» РАН, совещаниях различного уровня, проводившихся в стране и за рубежом по проблемам надежности, эксплуатации по техническому состоянию ВС и АД, безопасности полетов.
Автор по теме диссертации имеет более 50 научных трудов (включая комплексные научно-исследовательские работы, выполненные под его руководством), из них 15 печатных трудов и две монографии.
Перейдем к краткому изложению содержания диссертации. В первом разделе приведен обзор современного состояния технической эксплуатации и летной годности ВС в России и за рубежом, дан краткий обзор немногочисленных теоретических исследований в области эксплуатации сложных технических систем по состоянию и описывается решаемая в диссертации проблема, ее декомпозиция на ряд крупных прикладных научных задач, формализуемых с позиций последних достижений фундаментальной науки (в области управляемых случайных процессов, последовательного анализа, теории перевыборок). Показано, какие практические выводы, рекомендации и мероприятия следуют (или уже последовали) как результаты проведенных автором исследований.
Второй раздел посвящен математическим моделям, обосновывающим оптимальное управление состоянием АД по критерию минимума средних потерь на его техническое обслуживание (ТО) при сохранении (возрастании) заданных параметров безопасности (надежной) работы в воздухе.
Первая модель относится к случаю выборочного контроля одиночных выходных параметров АД. Задача в этом случае сводится по упомянутому критерию к однозначному выбору оптимальных значений упреждающих допусков, находящихся внутри поля основных (предельных) допусков, на измеряемые параметры АД в эксплуатации.
Вторая модель является более общей. Она позволяет отыскивать оптимальное управление состоянием набора стохастически зависимых выходных (или промежуточных) параметров АД. К числу таких стохастических зависимых параметров АД, которые в перспективе должны измеряться и регулироваться, относятся не только контролируемые в настоящее время технические и экономические параметры АД, но и его экологические характеристики (уровень шума, различные вредные выбросы в атмосферу и др.).
Модель не требует аналитической аппроксимации исследуемого векторного случайного процесса (да она пока и невозможна). Приближенное к оптимальному решение (с достаточной для практики точностью) отыскивается с помощью специально организованного моделирования. При этом выбираются оптимально не только упреждающие допуска на каждый измеряемый параметр АД, но и единый оптимальный шаг наблюдения.
Указано далее на простоту реализации полученных приближенных результатов при организации эксплуатации АД по техническому состоянию. Эти результаты должны уточняться по мере сбора информации о поведении измеряемых параметров во времени в разрабатываемой под руководством автора автоматизированной системе эксплуатации АД.
В третьем разделе впервые излагаются применительно к функционированию АД две математические модели скорейшего обнаружения «сбоев» в работе АД. Физическим аналогом исследуемого здесь случайного процесса может служить стационарный случайный процесс уровня вибрации исправно работающего АД, который при возникновении неисправности (в системе измерений), оставаясь стационарным, может изменить уровень вибрации .
Пусть в дискретные моменты tb t2, ...te-i состояние контролируемого параметра характеризуется последовательностью случайных величин
Эта последовательность случайных величин имеет общую функцию распределения о(х). Допустим, что в момент te в силу некоторых внутренних или внешних воздействий произошло изменение контролируемого параметра, и он в дискретные моменты времени te (момент состояния параметра, который назовем в дальнейшем моментом разладки или моментом возникновения нештатной ситуации), te+l, te+2 и т.д. характеризуется другой последовательностью случайных величин, и эта последовательность случайных величин также имеет общую функцию распределения F і (х) Ф 0(х).
Таким образом, момент разладки есть случайная величина 6, принимающая дискретные значения 0, 1 ....
Возникает задача: как по результатам наблюдений ь ,2, ••• решить вопрос о том, что произошла «разладка», чтобы при заданной малой вероятности «ложной тревоги» a = P\Z 9 } среднее время запаздывания
М[т —9 /т 9 ] было бы минимальным.
Эта задача в диссертации решена для двух случаев: дискретного времени и непрерывного времени. В последнем случае наблюдению подлежит случайный процесс (а не последовательность случайных величин).
В перспективе рассмотренные модели должны быть реализованы в автоматизированной системе эксплуатации АД, обоснованные предложения к созданию и облик которой подробно изложены в следующем, четвертом разделе диссертации.
В этом разделе сформулированы требования к обобщенной базе данных по эксплуатируемым АД, а также требования к минимально необходимой базе знаний. Предполагается, что и база данных, и база знаний будут постоянно адаптироваться к совершенствующимся алгоритмам ЭТС и диагностирования. В разделе также отражен накопленный опыт (на уровне алгоритма и вычислительной программы) локализации неисправностей АД с точностью до модуля. Особое внимание при этом уделено статистическому анализу неисправностей АД по изменению регистрируемых характеристик вибрации АД как одного из наиболее информативных эксплуатационных параметров.
Предложен новый подход к статистическому оцениванию характеристик вибрации эксплуатируемого АД и проверки их на соответствие заданным эксплуатационным требованиям путем сравнения с характеристиками вибрации эталонного АД. Этот подход основан на использовании ограниченных исходных данных (но одного и того же объема) по уровням вибрации эксплуатируемого и эталонного АД и преобразованиях их с использованием теории перевыборок. На этой основе предлагается оригинальная процедура сравнения уровней вибраций обоих АД и принятия решения о состоянии эксплуатируемого АД по изменению его регистрируемых параметров. При этом не предполагается знание закона изменения случайной величины - уровня вибрации АД, который во всех исследованиях, посвященных этому вопросу, предполагается нормальным, однако, это предположение нигде статистически не подтверждается и теоретически не доказывается.
Пятый раздел диссертации посвящен эвристическому обоснованию выбора параметров диагностирования такого специфического объекта, как авиационный двигатель. Рассматриваются неисправности, которые выявляются с помощью специально вырабатываемых сигналов. При этом учитываются следующие особенности силовых установок (СУ):
- большое разнообразие взаимосвязанных конструктивных элементов, агрегатов, систем СУ, построенных на разных физических принципах - механических, электромеханических, гидравлических, электронных и др., для диагностирования которых практически не возможно выработать универсальное решение или единый алгоритм;
- существенные различия в характере функционирования и взаимодействия агрегатов, систем двигателя и их взаимное влияние при возникновении и развитии неисправностей;
- большое число взаимосвязанных рабочих параметров (газодинамических, механических, электрических и других), при измерении которых возникают определенные трудности в создании и применении специальных датчиков-преобразователей неэлектрических величин в электрические и т.д.
Поэтому в диссертации автор не пошел по традиционному пути априорного выделения множества параметров объекта с последующей минимизацией их числа с помощью методов математического программирования. В разделе в связи с этим подробно описан процесс выбора контролируемых параметров АД, который начинается с выделения возможных в эксплуатации неисправностей АД и установления их значимости.
В заключение определяется влияние контроля состояния авиационного двигателя на безопасность полетов воздушных судов, точнее, -на выполнение полетного задания воздушным судном.
В шестом разделе диссертации формализована встречающаяся в зарубежных материалах по ТОиР ВС так называемая задача обслуживания при «удобном случае», когда при выполнении тех или других работ по ТОиР, связанных с разборкой АД, заменяются и некоторые исправно работающие агрегаты. Эта задача вписывается в систему эксплуатации по техническому состоянию АД и решается методом стохастического динамического программирования, при этом минимизируются средние суммарные затраты (стоимости, времени) при длительной эксплуатации двигателя, а также отыскивается оптимальная стратегия замен агрегатов с возрастающей интенсивностью отказов по наработке каждого из них при очередной разборке АД. По существу при решении этой задачи используется составной критерий «безопасность - стоимость», т.к. выбранная оптимальная стратегия замен стареющих агрегатов по рассчитываемым ресурсам обеспечивает и повышение безопасности полетов ВС. Количественно определяемые в процессе решения уровни безопасности полетов далее выступают в качестве ограничений и должны подвергаться сравнению с задаваемыми значениями.
Заключительный седьмой раздел работы посвящен перспективным научным и организационным проблемам диагностирования авиационных ГТД с учетом их особенностей, которые были отмечены выше.
Процесс диагностирования при этом понимается шире, чем в традиционной теории надежности сложных технических систем. Методы и средства диагностирования и неразрушающего контроля здесь направлены на обоснованное установление технического состояния АД (но не обязательно только такого состояния, при котором АД полностью потерял свою работоспособность). Получаемая в результате применения этих методов и средств информация может быть использована для более «тонкой» диагностики (для обнаружения устранимых в эксплуатации АД неисправностей, которые со временем могут привести к остановке двигателя), а также для оптимального управления состоянием АД по правилам, установленным в разделе два.
Далее перечисляются организационные мероприятия, обеспечившие внедрение полученных в данном разделе теоретических и методических результатов.
В диссертации имеются семь приложений, одно из которых дополняет материалы раздела два (вычислительная программа приложения 2), а четыре — материалы раздела четыре (технология работы оператора в автоматизированной системе эксплуатации АД по техническому состоянию - приложение 3 и три вычислительные программы - приложения 4, 5, 6). Кроме того, в приложениях 1 и 7 помещены разработанные под руководством автора «Концепция и основные пути совершенствования диагностирования и неразрушающего контроля технического состояния ВС ГА и АД в условиях эксплуатации» и «Положение о порядке реализации эксплуатации газотурбинных двигателей гражданской авиации и их агрегатов по техническому состоянию».
Основные направления совершенствования системы поддержания летной годности за рубежом
Основой поддержания летной годности в зарубежных авиакомпаниях также является техническое обслуживание и ремонт авиационной техники в процессе эксплуатации, главная ответственность за выполнение которого возлагается на эксплуатирующие организации. При этом летная годность обеспечивается эффективностью регламента ТО, уровнем квалификации обслуживающего персонала и технической оснащенностью.
В США развитие регламентов технического обслуживания имеет длительную историю, начинающуюся с аэронавигационного Бюллетеня 7Е от 15 мая 1930 года [159]. Процесс разработки регламентов ТО для каждого нового типа самолета начинался с регламента, для которого эксплуатант предлагал свой собственный вариант, в дополнение к разработанному промышленностью и одобренному Федеральной авиационной администрацией (FAA). В таком регламенте были сформулированы начальные требования к техобслуживанию вновь изготовленных самолетов и силовых установок.
Несмотря на то, что регламенты технического обслуживания разных эсплуатантов отличаются друг от друга, начальные требования одинаковы для всех. Полный регламент эксплуатанта должен быть одобрен назначаемым главным инспектором по техобслуживанию (PMI).
Для оценки достаточности системы технического обслуживания за рубежом используется программа избирательного контроля двигателей транспортных самолетов. Для новых ВС и их модификаций эта программа является проверенным средством обеспечения соответствия ВС установленному контролируемому уровню надежности. Она предназначена для обеспечения систематического и управляемого подхода с целью устранения недостатков, выявленных в ходе выполнения планов выборочного контроля. Программа должна быть одобрена группой оценки ВС (AEG) по двигателям и винтам.
Цель программы для каждого нового или модифицированного двигателя до их введения в эксплуатацию состоит в поддержании заданного уровня безопасной эксплуатации. При этом определяется план выполнения осмотров двигателей, модулей, систем, устройств или частей, который отрабатывается в процессе сертификации. При составлении такого плана учитываются принятые требования к техобслуживанию и ожидаемые условия эксплуатации.
Эксплуатанты двигателей представляют отчеты, включающие краткое описание эксплуатационной предыстории образца (условий и опыта эксплуатации), описание съемов двигателя, результаты проверок, выводы, рекомендации и заключение о выявленных проверкой тенденциях. В отчетах обязательно указываются изделия, которые были заменены, и причины, приведшие к их замене, а также включаются сведения об изделиях, износ деталей которых превышает нормы, определенные в техническом руководстве изготовителя или эксплуатанта. Кроме того, в отчете о съеме изделий для проверки представляется общий список всех выявленных во время текущего осмотра недостатков, которые имели место при предыдущем осмотре.
За многие годы структура технических руководств была значительно стандартизирована, прежде всего благодаря применению таких промышленных стандартов, как Спецификации 100 Ассоциации воздушного транспорта. Благодаря этой стандартизации использование различных видов технических руководств упрощается, начиная с руководства по техобслуживанию с каталогом иллюстраций агрегатов и заканчивая руководством по выявлению отказов.
Федеральная авиационная администрация (FAA) провела специальное исследование, которое было посвящено оценке процесса создания технических руководств по техобслуживанию. В ходе исследования были выработаны мероприятия, направленные на совершенствование процедуры разработки и обновления технических руководств, определены и систематизированы оценки неэффективности действующей системы технических руководств и процедур внесения поправок. Инструкции FAA определяют ответственность держателя сертификата эксплуатанта ВС за выполнение всех мероприятий по поддержанию летной годности планера, двигателей, воздушных винтов, комплектующих изделий, аварийного оборудования.
Эксплуатант может заключить договор с другим лицом, например, ремонтной базой на выполнение любых работ по техобслуживанию, ремонту или заменам агрегатов. Однако это не освобождает его от ответственности за летную годность ВС.
Каждый держатель сертификата эксплуатанта, который выполняет техническое обслуживание, и каждое лицо, с которым он заключил договор о выполнении этих работ, обязаны иметь соответствующую техническую базу. Организация по техническому обслуживанию должна иметь квалифицированный персонал, оборудование и материалы для выполнения работ. При этом эксплуатант имеет программу контроля качества и руководство по производству работ (МОЕ), которые гарантируют, что обслуживание, выполненное им или другим лицом, соответствует техническому руководству держателя сертификата эксплуатанта. Эксплуатанты обязаны осуществлять свои программы проверок так, как указано в их эксплуатационных спецификациях, и техобслуживание в соответствии с техническим руководством, одобренным FAA.
Многомерная оптимальная модель эксплуатации авиадвигателя по техническому состоянию
Как в России, так и за рубежом, находят применение различные системы технического обслуживания [14, 17]. Во-первых, исходя из условий прочности на планер и компоненты ВС устанавливаются ограничения летной годности в часах работы, посадках или циклах, после истечения которых эксплуатация должна быть прекращена. Во-вторых, используются методы эксплуатации с фиксированными межремонтными ресурсами или с фиксированными сроками технического обслуживания. Такое обслуживание удобно с точки зрения организации эксплуатации и достаточно эффективно для изделий, в которых поток возникающих отказов и неисправностей носит внезапный характер. Однако, недостатком его является тот факт, что для обеспечения безопасности величина межремонтного ресурса должна соответствовать уровню надежности элемента, имеющего минимальную долговечность из всего парка изделий. Изделия, которые могли бы работать значительно больше этого минимума, также направляются в ремонт.
Используется также метод эксплуатации до отказа. Этот метод применим либо к изделиям, отказ которых не влияет на безопасность и работоспособность ВС в целом, либо они имеют достаточное резервирование. При этом предполагается, что отказ может быть выявлен своевременно для того, чтобы перейти на дублирующую систему или отключить отказавшую при «горячем» резерве без последствий для ВС.
Выделяется также метод эксплуатации с контролем надежности. Фактически это комбинация из эксплуатации до отказа с эксплуатацией по фиксированному ресурсу. Этот метод эксплуатации приемлем для резервированных и «стареющих» элементов систем, в которых интенсивность отказов с наработкой растет. Поскольку, как правило, ремонт отказавшей системы дороже, чем ремонт до того, как отказ произошел, имеется некоторый уровень наработки, при котором ремонт с восстановлением первоначального уровня безотказности целесообразен, независимо от того, произошел отказ или нет.
Для изделий, отказ которых может привести к катастрофическим последствиям (и в первую очередь, для двигателей, винтов, трансмиссий вертолетов) метод эксплуатации до отказа непригоден, а эксплуатация с фиксированными ресурсами экономически неэффективна. В связи с этим все более широкое распространение получает система эксплуатации по техническому состоянию. Основополагающими составляющими этой системы являются контроль и диагностирование, по которым оценивается состояние изделия и, на основании анализа данных, принимается решение о возможности дальнейшей эксплуатации или необходимости техобслуживания (дополнительного контроля, восстановления в эксплуатации, локального или капитального ремонтов).
Для принятия решения используются газодинамические параметры, параметры вибрации и другие параметры, измеряемые в процессе работы АД, а также данные специального контроля, периодически осуществляемого на земле (бороскопированием, рентгеноскопическим и изотопным просвечиванием и с помощью других методов контроля).
Степень совершенства встроенного контроля является одним из важнейших показателей прогресса авиационной техники. Следует отметить, что преобладающая часть зарубежных авиаперевозок осуществляется воздушными судами с развитой системой встроенного контроля, они снабжены специальными бортовыми компьютерными системами, способными собирать, анализировать и отображать на дисплее информацию о состоянии ВС и необходимых действиях экипажа, а также передавать информацию на землю по трансляционным системам или спутниковой связи. К сожалению, российские самолеты такого уровня (Ту-204, Ил-96 и некоторые другие) по экономическим причинам не получили широкого распространения в ГА РФ, да и зарубежных лайнеров высокого уровня на российских авиалиниях недостаточно, поэтому большая часть перевозок осуществляется стареющими самолетами без бортовых компьютерных систем контроля и диагностики. Тем не менее, имеется возможность использования автоматизированного анализа записей бортовых самописцев и средств наземной диагностики.
Следует отметить, что крупные зарубежные эксплуатационные авиакомпании вкладывают значительные средства в совершенствование систем технического обслуживания и, в первую очередь, в систему эксплуатации по техническому состоянию, что позволяет им получать существенную экономию средств главным образом за счет сокращения капитальных ремонтов.
Немалое значение придается и принципу обратной связи, т.е. разработке и быстрому внедрению конструктивных мероприятий по устранению причин отказов и неисправностей на основании информации, получаемой от эксплуатационных предприятий.
Немаловажным является направление совершенствования авиационной техники, обеспечивающее повышенную несущую способность, живучесть изделия при возникновении повреждений, износов, трещин, а также локализацию разрушений отдельных элементов, пожаров и других последствий, которые могут привести к катастрофе.
Из приведенных материалов видно, что в настоящее время наиболее эффективным для отечественных эксплуатационных предприятий является совершенствование системы технического обслуживания и внедрение прогрессивных методов диагностики, в том числе на базе компьютеризации, и соответствующих им программ по совершенствованию регламентов в целях сокращения расходов на техническую эксплуатацию.
Методика локализации повреждений авиадвигателя с точностью до модуля
Ниже приводятся результаты работ, выполненных под руководством автора и при его непосредственно участии.
Разработанная методика предназначена для определения неисправности в проточной части двигателей Д-ЗОКУ, Д-30КУ-2, Д-30КП, Д-ЗОКП-2, Д-3ОКУ-154 и локализации ее с точностью до модуля при выполнении регламентных работ на основе штатных термогазодинамических параметров взлетного, номинального режимов с целью сокращения трудоемкости на эндоскопический осмотр по действующим бюллетеням и увеличения его периодичности. Данную методику предлагается использовать в виде дополнения к существующей методике №41-00-815ПМ117-2 диагностической обработки параметров, измеряемых в эксплуатации двигателей семейства Д-30, которая позволяет лишь установить общую неисправность двигателя без ее локализации в проточной части на основе оценки тренда штатных параметров крейсерского режима полета. Методика оценки технического состояния проточной части двигателя Д-ЗОКУ и его модификаций состоит из 4-х пунктов, в которых определяются: тяга, термогазодинамическая эффективность модулей и уточняется расход топлива, на основании которых производится локализация неисправностей в проточной части двигателя при выполнении регламентных работ с использованием штатно контролируемых параметров взлетного, номинального режимов.
Контролируемые штатные параметры: частоты вращения компрессора низкого давления (КНД) и компрессора высокого давления (КВД), температура газа за турбиной, расход топлива регистрируются визуально по приборам в кабине самолета, давление воздуха за КВД - по манометру путем подсоединения его к штатному датчику.
С учетом того, что в условиях эксплуатации отсутствует замер такого важного диагностического параметра, как тяга, а расход топлива регистрируется с неприемлемой для диагностирования погрешностью (не менее ± 4%), основу методики составляют расчетные методы определения величин тяги и расхода топлива, которые позволяют оценить общую эффективность двигателя. Соотношения для определения тяги и расхода топлива приведены в 1-ом пункте методики.
Во втором пункте по отклонениям штатно контролируемых параметров относительно исходного состояния двигателя производится оценка термогазодинамической эффективности модулей. В основу ее положено соотношения, определяющие изменения: - адиабатических КПД каскадов низкого и высокого давления; - характеристики КНД по производительности; - линии рабочих режимов (ЛРР) на характеристике КВД; -запаса газодинамической устойчивости (ГДУ) КВД (поскольку ГДУ двигателя Д-ЗОКУ и его модификаций в основном определяется устойчивой работой КВД); - температуры газа за турбиной, зафиксированные за исследуемый период эксплуатации относительно исходного (формулярного) состояния двигателя. В третьем пункте производится анализ отклонений параметров, полученных в первом и втором пунктах для определения вида неисправности (и ее локализации), вызвавшей изменение проточной части двигателя. В четвертом пункте предлагаются мероприятия по устранению неисправности и рекомендации по профилактическим работам. Оценка состояния проточной части двигателя производится с учетом существующей погрешности измерений штатных параметров системы контроля двигателя в эксплуатации. Помещаемая в приложении 4 программа оценки технического состояния проточной части двигателя позволяет выделить неисправности: 1) в компрессоре высокого давления с выдачей на печать сообщения: «Ухудшение КПД компрессора только для каскада ВД»; 2) в турбине высокого давления с выдачей на печать сообщения: «Ухудшение КПД турбины только для каскада ВД»; 3) при недопустимой величине загрязнения проточной части двигателя выдать сообщение на печать: «Внимание. Загрязнение проточной части двигателя»; 4) в случае предположения о недопустимой величине ухудшения состояния проточной части каскада НД выдать на печать сообщение: «Внимание. Ухудшение КПД каскада НД. Необходимо осмотреть каскад НД»; 5) в случае предположения о недопустимой величине ухудшения состояния проточной части каскада ВД с учетом идентификации компрессора или турбины (п. 1,2) выдать на печать сообщение: «Внимание. Ухудшение КПД каскада ВД. Необходимо осмотреть каскад ВД». Прежде чем перейти к самой методике, для удобства дальнейшего изложения введем ряд условных обозначений.
Выбор контролируемых параметров на основе ранжирования сигналов
Выполненные исследования показали, что увеличение числа контролируемых параметров двигателя свыше 20 не дает существенного эффекта в отношении вероятности выполнения задания воздушным судном.
Следует учесть также рекомендации относительно корректировки состава контролируемых параметров с учетом методической достоверности контроля точности и надежности аппаратуры. Для корректировки состава параметров необходимо учитывать не только использованные выше структуры переходов от неисправностей к сигналам, но также методическую достоверность обнаружения неисправностей и аппаратурную надежность канала «измерение - преобразование - сигнал». Методическая достоверность, как было показано выше, зависит от чувствительности параметра, величин математических ожиданий норм на значения параметра и допусков на них.
Разработанная и предложенная методика позволяет производить корректировку состава контролируемых параметров более обоснованно, чем при учете «коэффициентов влияния». Так например, предполагаем, что какая-то неисправность двигателя ПС-90А может быт обнаружена по изменению либо тяги, либо частоты вращения одного из роторов. Хотя относительное изменение тяги при этом может быть и больше, но с учетом точности и надежности существующей аппаратуры предпочтение должно быть отдано частоте вращения ротора.
Предложенный графоаналитический метод выбора контролируемых параметров и изделий воздушных судов апробирован применительно к авиационному двухконтурному ТРД ПС-90А.
К достоинствами предложенного метода можно отнести то, что он предусматривает возможность учета надежности объекта контроля, надежности и точности средств контроля; учета влияния контроля состояния двигателя на выполнение задания воздушным судном; однозначность полученных результатов (несмотря на погрешности в получении исходных данных), а также возможность автоматизации расчетов и адаптации результатов по мере накопления опыта эксплуатации, модификации объектов и средств контроля. Предложенный метод может непосредственно использоваться при коррекции требований к составу контролируемых параметров, точности и надежности измерений и обработки информации; установления приоритетности обработки диагностической информации при принятии решений в условиях ограниченности времени. Расчеты на ЭВМ по разработанным алгоритмам позволяют выделить наиболее важные для контроля параметры двигателя ПС-90А при различном заданном ограниченном общем числе контролируемых параметров. Наиболее важными параметрами двигателя, которые должны контролироваться при любом заданном числе контролируемых параметров следует считать: пвд, t r, nB, QM, аруд, t BX, V, Рм, tMBbIx. Увеличение числа контролируемых параметров может явиться полезным при установлении места отказа или неисправности и принятии решения о ТО двигателя по результатам диагностирования, что должно быть предметом специального решения в каждом конкретном случае. При этом проведение дополнительных специальных расчетов не обязательно. При переходе к эксплуатации по техническому состоянию снимается вопрос о ресурсе авиационного двигателя, однако, остается необходимость определения ресурсов заменяемых при отказах его агрегатов, которые в процессе эксплуатации имеют возрастающую интенсивность отказов, т.е. являются агрегатами стареющего типа. Так как доступ к этим агрегатам возможен только при съеме и разборке АД, то они зависимы по стоимости (времени) обслуживания. Покажем это на примере двух агрегатов. Пусть К\ и Кг стоимости раздельной замены агрегатов. Будем считать агрегаты зависимыми по стоимости замен, если стоимость их совместной замены К\г не совпадает с суммарной стоимостью раздельной замены агрегатов. Из опыта технического обслуживания известно, что К\2 К\+К2 в силу наличия общих работ при заменах каждого агрегата по демонтажу и разборке АД. В первой главе диссертации при обзоре зарубежного опыта эксплуатации воздушных судов и авиационных двигателей упоминалась одна из форм технического обслуживания - «обслуживание при случае». Речь шла о том, что при выполнении определенных работ по ТО (например, при устранении отказов авиационной техники) на труднодоступных в эксплуатации системах и демонтированных при ТО иногда оказывается целесообразным заменить и некоторые еще исправные агрегаты. Обоснование таких замен пока только одно - опыт специалистов по ТО.
