Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и постановка задачи исследований.., 17
1.1. Изучение особенностей генерирования вибраций силовых установок летательных аппаратов 17
1.2. Анализ эффективности обеспечения вибрационной надежности СУЛА поданным эксплуатации 26
1.3. Анализ эффективности обеспечения вибрационной надежности СУЛА по данным эксплуатации 43
1.4. Постановка задачи исследований 53
Основные выводы по главе 1 57
Глава 2. Теоретические исследования направлений работ по обеспечению вибрационной надежности СУЛА 59
2.1.. Анализ работ в области совершенствования вибрационной диагностики 59
2.2. Анализ работ в области совершенствования вибрационной диагностики при испытаниях СУЛА. Основные характеристики вибрационных и ударных воздействий 66
2.3. Основные условия испытаний на воздействия вибрации и удара и применяемая аппаратура 78
2.4. Основные условия выбора средств измерений параметров вибраций 83
2.5. Основные методы испытаний на воздействие вибраций 90
Основные выводы по главе 2 94
Глава 3. Разработка и обоснование направлений совершенствования методов обеспечения вибрационной надежности 97
3.1. Разработка и обоснование аналитического направления совершенствования методов обеспечения вибрационной надежности 97
3.2. Теоретическое обоснование необходимости конструктивного совершенствования обеспечения вибрационной надежности агрегатов типаНП-89Д 119
3.3. Совершенствование методов обеспечения вибрационной надежности путем совершенствования бортовой измерительной аппаратуры 136
3.4. Совершенствование математических методов обработки вибродиагностической информации 149
3.5. Разработка системы диагностирования вибродиагностического состояния авиационного оборудования 156
3.6. Разработка и обоснование методического обеспечения наземных испытаний изделий авиационной техники 164
Основные выводы по главе 3 171
Глава 4. Экспериментальные исследования 175
4.1. Планирование эксперимента и выбор оборудования 175
4.2. Методика проведения эксперимента 195
4.3. Результаты эксперимента 200
4.4. Разработка направления исследования по увеличению стабильности сейсмической массы индукционных датчиков вибраций 211
Основные выводы по главе 4 213
Общие выводы и результаты работы . 215
Список использованных источников
- Анализ эффективности обеспечения вибрационной надежности СУЛА поданным эксплуатации
- Анализ работ в области совершенствования вибрационной диагностики при испытаниях СУЛА. Основные характеристики вибрационных и ударных воздействий
- Теоретическое обоснование необходимости конструктивного совершенствования обеспечения вибрационной надежности агрегатов типаНП-89Д
- Разработка направления исследования по увеличению стабильности сейсмической массы индукционных датчиков вибраций
Введение к работе
Прогрессивной тенденцией технической эксплуатации и ремонта (ТО и Р) авиационной техники (AT) является переход на техническое обслуживание по состоянию. Это относится не только к летательным аппаратам (ЛА) нового поколения (где указанный переход обусловлен высоким уровнем ремонтопригодности и модульности конструкции), но и к AT, концепция конструктивного проектирования которой основывалась на планово-предупредительном (ресурсном) ТО и Р.
Реализация данной тенденции (особенно на ЛА старого поколения) требует: во-первых, максимальной реализации резервов контролеспособности и контролепригодности системы контроля технической исправности, в том числе, за счет внедрения новых прогрессивных средств и методов технической диагностики (ТД); во-вторых, нового осмысления отдельных конструктивных решений с учетом развития науки о динамике и прочности машин.
Статистика эксплуатационной надежности Л А свидетельствует, что подавляющая часть повреждений, неисправностей и отказов AT связана с воздействием на нее динамических возмущающих сил внутренней и внешней природы - вибраций. В свою очередь, процесс генерации колебаний меняется в режиме реального времени в зависимости от изменения технической исправности. Поэтому, распознавание состояния технической системы (ТС) по диагностическому параметру величины вибраций, является наиболее результативным при ТО и Р по состоянию.
Основным источником вибрации на ЛА являются его силовые установки (СУ). Причем, не только газотурбинные, турбовинтовые, турбовентиляторные, поршневые и другие авиационные, но и жидкостные, твердотопливные и гибридные ракетные двигатели.
В связи с этим, совершенствование методов обеспечения вибрационной надежности СУ ЛА, является актуальной научно-технической задачей.
Целью диссертационной работы является повышение безопасности полетов ВС ГА за счет совершенствования методов обеспечения вибрационной надежности СУ ЛА.
Поставленная цель достигается решением следующих основных задач: определение направлений обеспечения вибрационной надежности СУ Л А и их конкретизация на основе изучения механизмов и особенностей генерирования вибраций и анализа эффективности обеспечения вибробезопасности по данным эксплуатации и результатам расследования причин авиационных происшествий; теоретический анализ состояния работ по обеспечению вибрационной надежности AT методами квалиметрии, аппаратурными средствами вибродиагностики и испытаний на вибрационные и ударные воздействия и выработка принципиальных направлений совершенствования методов обеспечения вибродиагностирования; обоснование направлений совершенствования вибрационной надежности аналитическими, конструктивными и аппаратно-измерительными методами; выбор по результатам анализа эксплуатационной надежности наиболее представительного изделия AT для реализации выбранных направлений; планирования и проведение эксперимента на модели выбранного изделия AT для подтверждения эффективности и адекватности разработанных теоретических направлений совершенствования методов вибрационной надежности СУ Л А.
Объектом исследований является конструктивная, технологическая, диагностическая и испытательная система обеспечения вибрационной надежности СУЛА.
Предметом исследования (как пример реализации темы) является система обеспечения вибрационной надежности установленного на двигатель Д-ЗОКУ гидронасоса НП-89Д гидросистемы самолета Ту-154 и вибропреобразователей (датчиков) МВ-25Б-В системы контроля вибрации.
Механические колебания и удары есть реакция конструкции на динамические явления, сопровождающие полезную работу СУ ЛА, поэтому, они неизбежны и опасны, поскольку могут повреждать конструкцию из-за превышения предельных нагрузок и накопления усталости, но они могут генерироваться искусственно и использоваться для полезного применения. б Эти положения определили направления исследований по теме: снижение характеристик вибраций до безопасного уровня; расширение возможностей и надежности контроля вибраций; расширение полезного использования вибраций в контрольных целях.
По 1 направлению к специальности 05.22.14 могут относиться доработки и модернизация конструкции при ТОиР; по 2-му показано, что особенности вибраций элементов СУ, появления и развития в них дефектов позволяют идентифицировать их по изменению интенсивности различных составляющих спектра, вибрационного шума и появлению новых спектральных линий, что позволяет ставить задачу распознавания их образов по оперативным данным бортовых средств регистрации параметров; по 3-му, целесообразно реализовать предложенную еще в 1981 г. идею разработки эталонной аппаратуры. Приведенные данные инцидентов с AT выделяют проблемы; выключение СУ в полете из-за отказа контрольной виброаппаратуры; виброусталостное разрушение агрегатов. Их анализ позволил конкретизировать направления совершенствования методов обеспечения вибрационной надежности: разработка метода вибродемпфирования агрегатов на СУ ЛА; снижение характеристик вибраций до безопасного уровня; разработка метода совершенствования монтажа агрегатов на СУ; расширение возможностей и надежности контроля вибраций; распознавание образа дефекта путем разработки комплекса логико-математических моделей для исключения выключения СУ по ложным сигналам; совершенствование аналитических методов получения информации о состоянии AT при обработке полетной информации, в том числе, при оперативном ТО; разработка рекомендаций по совершенствованию программ стендовых испытаний СУ ЛА введением требований по выявлению функциональной связи между вибросигналами в контрольных и измерительных точках и уточнения методик анализа полетной информации; расширение полезного использования вибраций в целях увеличения вибрационной безопасности; разработка методов контроля средств виброизмерительной аппаратуры, в том числе, при оперативной форме ТО; разработка виртуальных средств контроля виброизмерительной аппаратуры; совершенствование аппаратного и инструментального обеспечения систем вибрационного контроля СУ ЛА; разработка соответствующих рекомендаций на основе анализа отечественных и зарубежных разработок средств виброконтроля; разработка технологических рекомендаций по увеличению надежности элементов штатной виброаппратуры.
В целях реализации указанных концептуальных направлений совершенствования методов обеспечения вибрационной безопасности СУ проведены соответствующие исследования, основные этапы которых изложены далее.
Разработана логико-математическая диагностическая модель для двигателей Д-ЗОКУ/КП, позволяющая по внешним признакам проявления отказа распознавать образ самого отказа. В данной модели ни одно из высказываний о внешнем проявлении дефекта не является определяющим сигналом для выключения СУ в полете, а только их интегральное сочетание. Необходимость практической реализации модели определила задачу и методику дальнейших исследований.
Анализ вибродиагностических разработок в части аппаратуры, приборов, информационного обеспечения, аналитической обработки информации, алгоритмического и программного обеспечения, анализа и документирования результатов, принятия решений показал, что: действующие на основном парке AT системы вибродиагностики не реализуют идею принятия решений согласно предложенной модели; несовершенство, конструктивные недостатки и недостаточная надежность датчиков вибраций и недостатки в системе тарировочных работ ограничивают точность регистрации параметров; алгоритмы экспресс-анализа контроля соблюдения правил эксплуатации и летной годности не адаптированы к наблюдаемому росту контролепригодности AT, нормируют фиксированное количество полетной информации. Методики диагностирования s основаны в основном на анализе шлейфов изменения виброскорости и виброускорения, что не всегда достаточно информативно. Их эффективность снижается в результате: чувствительности к проводимым при ТОиР регулировкам, заменам и перестановкам агрегатов; большого объема предусмотренных наземных испытательных «гонок» ГТД. Определено направление дальнейших исследований: увеличение надежности виброаппаратуры и обеспечение возможности ее мобильной проверки; расширение аналитических методов обработки информации; разработка рекомендаций по оценке и снижению уровня вибраций. Проведен анализ квалиметрии диагностических параметров вибрационных и ударных воздействий. Показано, что использование при анализе частоты, перемещения, виброскорости и виброускорения недостаточно для получения полезной информации о дефектах, поскольку является лишь незначительной частью известных методов частотного анализа. Например: среднее абсолютное значение перемещения учитывает историю возникновения колебаний; коэффициенты формы и амплитуды дают представление о форме волны излучаемых вибраций: методы теории коммуникаций, математической статистики, статистической механики дают информацию о частотном содержании изучаемого процесса.
Следовательно, необходимо расширение арсенала аналитических методов обработки вибродиагностической информации.
Рассмотрены проблемы испытаний на воздействие вибраций. Установлено, что основным методическим требованием должно стать установление целевой функции, связывающей параметры вибраций в измерительной и контрольной точках; факторы вибрации; функцию отклика на контрольные факторы; функцию адекватности контрольных и измеренных факторов. Показано, что этим требованиям в наибольшей степени отвечают электродинамические испытательные виброустановки.
Проведен анализ современных аппаратно-программных средств измерения параметров вибраций по материалам свыше 50 фирм-разработчиков и рекомендовано оборудование для дальнейших исследований. Рассмотрены, так же, основные методы испытаний на воздействие вибраций. Показано, что реальным условиям эксплуатации в наибольшей степени отвечают испытания на воздействие широкополосной случайной вибрации.
Разработаны и обоснованы направления совершенствования методов обеспечения вибрационной безопасности.
Сделан вывод, что на установившихся режимах работы двигателя, находящегося в исправном состоянии, его вибрационный спектр обладает статистически устойчивыми характеристиками, позволяющими составить эталонный спектр конкретного ГТД. В развитие данного направления разработан комплекс моделей распознавания образа дефекта по внешним диагностическим признакам.
Направления работ по доработке и модернизации агрегатов с целью повышения вибрационной надежности показаны на примере компоновки гидронасоса НП-89Д. Выбор примера обусловлен тем, что имеется много отказов насоса и рекомендация по устранению дефекта путем утолщения корпуса для повышения его вибрационной безопасности малоэффективна, поскольку перераспределяет энергию колебаний в высокочастотную часть спектра, где она может быть поглощена присоединенными к насосу трубопроводами с последующим их разрушением.
В данной работе приведены испытания модели агрегата исходной конфигурации, а тек же с утолщенной обшивкой корпуса, с введением подкрепляющего шпангоута, без и с введением дополнительного демпфирующего стыка в конструкции насоса, и, на основе сравнительного анализа изменения спектральной плотности, показано, что эффективным может быть введение дополнительных стыков - вибродемпфирующих элементов конструкции.
По выбранным статическому и динамическому методам измерения жесткости НП-89 составлено уравнение движения системы присоединенной массы, которое подтвердило, что введение дополнительного демпфирования системы приобретает особенно важное значение вблизи резонансной области и его уже нельзя не учитывать, если требуется получить практические результаты.
Проведено исследование причин отказов аппаратуры контроля вибраций ИВ-200Е. Дефектация выбракованных датчиков МВ-25Б-В показала, что основной причиной отказов является: ухудшение качества магнитотвердого материала сейсмической массы до 50% вследствие ударов, вибрации, воздействия внешних магнитных полей, необратимого изменения (деградации; магнитного старения) структуры магнита; изменение магнитного зазора вследствие коррозионных повреждений. Предложено два варианта решения проблемы: переход на пьезоэлектрические и тензометр ичес кие датчики, конструкции которых представлены в диссертации; предварительная обработка сейсмической массы (до намагничивания) магнитным отжигом с введением хрома (для увеличения магнитной стабильности).
Разработано и обосновано методическое обеспечение наземных испытаний изделий авиационной техники, позволяющее снизить стоимость и сократить сроки наземных испытаний, путем перехода к компьютерной управляющей системе с использованием специализированных программ: система «Signal Calc 550» (далее по тексту SC550) фирмы Data Physics, что значительно упрощает работу при проведении наземных испытаний и позволяет исключить из схемы испытательной установки в режиме работы значительное чисто дополнительного оборудования; кроме того, файл с эталонным сигналом настройки можно использовать как диверсификационный продукт для распространения пользователям, у которых отсутствует указанное оборудование.
Рассмотрены преимущества и недостатки математических методов обработки вибродиагностической информации; в том числе классического модального анализа основанного на преобразованиях Фурье. Предложено применить к задачам исследования методы кепстрального анализа. Выбраны анализаторы вибросигналов 2032, 2034 и 2515 (Bruel and Kjaer), которые определяют непосредственно параметры кепстров.
Показано, что кепстральный анализ эффективен для диагностики, контроля поверхностей, обнаружения и устранения эхо-сигналов. Предложено применить его в целях исследования для обнаружения периодичности спектров, например, и серий равномерно распределенных гармоник и (или) боковых полос; их малая зависимость от путей распространения исследуемых сигналов, в том числе путей от источников сигнала к точкам замера. Периодические кратковременные механические импульсы, например, обусловленные местным дефектом шарикоподшипника, создают в спектрах механических колебаний обширные серии гармоник из которых отчетливо проявляются лишь гармоники с малыми порядковыми номерами, в то время как в области высоких частот обычно происходит слияние гармоник с большими порядковыми номерами. Кепстральный анализ позволяет: обнаруживать гармонический состав, указывающий на дефект
СУ уже на ранней стадии, то есть тогда, когда составляющая с основной частотой (например, с соответствующей прохождению шариков подшипника) вообще не поддается обнаружению; определять интервалы между гармониками; применять главный пик кепстра в качестве параметра при анализе тенденций, например, развития дефекта. Сигналы, регистрируемые на корпусе СУ ЛА и отображающие его механические колебания, всегда сочетают в себе влияния источников и путей распространения этих колебаний.
Рассмотрены различные системы диагностирования применительно к задачам исследования. Установлено, что недостатки подобных систем определяются тем, что при диагностировании вибродинамического состояния объекта не имитируются (не воспроизводятся) знакопеременные силовые динамические воздействия в эксплуатационном диапазоне частот, позволяющие по отклику конструкции авиационного оборудования на возбуждения судить о изменении с течением времени его технического состояния при накоплении дефектов, приводящих в последующем к отказу.
Разработана система диагностирования вибродинамического состояния авиационного оборудования для оперативного выявления изменения технического состояния двигателя, анализа динамики развития дефекта и выявления предотказного состояния возможных неисправностей объекта, способных привести к его отказу, для анализа динамики развития дефекта и выявления предотказного режима соответствующего устройства, обеспечения надежной эксплуатации этого объекта по техническому состоянию.
12В четвертом разделе диссертации приведены результаты экспериментальных исследований. Выбраны статический и динамический методы измерения жесткости крепления насоса НП-89. Спроектирована, изготовлена и смонтирована испытательная установка с имитатором насоса НП-89. Жесткость конструкции измерялась обоими методами при разных усилиях затяжки болтов крепления насоса без и с вибродемпфированием красной медью. В качестве задатчика и анализатора вибрации использовались приборы фирмы Bruel and Kjaer.
Результаты подтвердили обоснованность теоретических выводов повышения вибронадежности за счет правильной компоновки агрегатов, целесообразности введения вибродемпферов, эффективности диагностического использования методов кепстрального анализа.
Показано, также, что решением проблемы коррозионной стойкости и эксплуатационной стабильности сейсмической массы индукционных вибропредобразователей может быть ее обработка (до намагничивания) диффузионной металлизацией при составе насыщающей смеси: 47% -Сг; 3% - Sri; 1%- NH4 СІ остальное - А12 03, температуре изотермического насыщения 900 ... 950С и времени насыщения 2 ... 4 часа.
При решении перечисленных задач в работе использованы положения и методы теории ТО и Р, алгебры логики, частотного и кепстрального анализа, математической статистики, теории распознавания образов, математического моделирования, теории факторного планирования эксперимента,
Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что в ней впервые: установлены принципиальные недостатки действующей системы обеспечения вибрационной надежности СУ ЛА; к ним относятся: - отказы вибропреобразователей МВ-25Б-В аппаратуры контроля вибраций по причине сужения гистерезиснои петли магнитотвердого материала сейсмической массы в результате магнитного старения, вибрационных и термоциклических повреждений и изменения магнитного зазора между сейсмической массой и корпусом датчика из-за коррозионных повреждений; наличие ошибок 2-го рода (ложная тревога), связанных с отказом аппаратуры контроля вибрации и приводящих к необходимости выключения исправного двигателя. отсутствие метода оперативного контроля аппаратуры вибрации эталонными средствами поверки при оперативном техническом обслуживании; - при периодическом ТО оценка технического состояния AT по данным бортовых средств объективного контроля основана на анализе непосредственно измеряемых системой контроля характеристик вибрации без последующего частотного анализа, что существенно снижает возможности выявления зарождения и развития конкретных повреждений,
Изучено влияние компоновки и монтажа агрегатов на СУ ЛА на увеличение уровня вибраций и предложен метод их снижения путем нанесения на крепежные элементы вибродемпфирующих покрытий.
На основе анализа системы бортового контроля двигателей показаны возможности предупреждения выключения двигателей в полете по показаниям вибраций и разработан комплекс логико-математических моделей распознавания образов дефектов.
Разработана система диагностирования вибродинамического состояния авиационного оборудования, позволяющая производить тестовую поверку системы бортового контроля вибраций.
Предложен новый технологический метод стабилизации магнитных и антикоррозионных свойств постоянных магнитов индукционных вибродатчиков и показана целесообразность доработки системы бортового контроля путем установки тензометрических датчиков вибраций.
Теоретически обоснована и экспериментально исследована целесообразность кепстрального частотного анализа как прогрессивного аналитического метода обработки виброинформации.
Практическая значимость работы
Разработанные направления совершенствования методов обеспечения вибрационной надежности СУ ЛА способствуют повышению безопасности полетов основного парка воздушных судов при переходе на ТО и Р по состоянию, что имеет существенное значение для гражданской авиации.
Полученные результаты позволяют: снизить вероятность выключения двигателей в полете по причине ложного срабатывания сигнализации опасной вибрации; расширить возможности распознавания образа дефекта в динамическом режиме от момента его зарождения для принятия обоснованного решения о возможности дальнейшей эксплуатации; проводить тестовый контроль состояния аппаратуры контроля вибраций без снятия ее с СУ ЛА в процессе оперативного ТО; разработать рекомендации по снижению уровня вибраций агрегатов путем совершенствования их размещения и крепления на СУ ЛА; улучшить качество индукционных преобразователей вибраций путем увеличения их устойчивости к эксплуатационным воздействиям, например, магнитному старению, коррозионным повреждениям.
Реализация результатов работы
Материалы диссертации используются в учебных дисциплинах: «Ремонт ЛА и АД» (спец. 130300, МФ и ФЗО); «Основы производства ЛА и АД» (спец. 130300, МФ и ФЗО); «Совершенствование методов и средств определения технического состояния объектов ремонта А и КТ» (спец. 552000, МФ); «Оптимизация решения проблем авиаремонтного производства А и КТ» (спец. 552000, МФ); в дипломном проектировании, при подготовке магистерских и бакалаврских работ, для работы с аспирантами, в учебном процессе в МГТУ ГА и в работе в ОАО ГосМКБ «Вымпел» им. И. И. Торопова.
Новизна разработки зафиксирована в Патенте на полезную модель № 44103 (Заявка № 2004133469. Приоритет полезной модели 17 ноября 2004 г.), зарегистрированной в Государственном реестре полезных моделей Российской Федерации 27 февраля 2005 г.
Апробация и публикация работы
Основные положения и результаты работы докладывались на:
Международной научно- технической конференции, посвященной
30-летию со дня основания Университета. 30-31 мая 2001 г.- М.; МГТУ ГА, 2001.-с.64-65.
Международной научно -технической конференции, посвященной 60-летию гражданской авиации. 17-18 апреля 2003 г.- М,: МГТУ ГА, 2003.- с. 74.
По теме диссертации было опубликовано 8 печатных работ, в том числе, тезисы 5 докладов, 2 статьи в Научном вестнике МГТУ ГА и в материалах по Патенту.
На защиту выносятся следующие научные положения: результаты анализа причин выключения двигателей в полете по показаниям аппаратуры контроля вибраций; комплекс логико-математических диагностических моделей двигателя Д-30КУ,КП,КУ-154; методические рекомендации по предотвращению отказов датчиков вибрации аппаратуры контроля вибраций; методические рекомендации по снижению уровня вибраций навесных агрегатов двигателей; методика оперативного контроля вибрационной аппаратуры эталонными средствами поверки при оперативном техническом обслуживании; рекомендации по совершенствованию аналитической обработки характеристик вибрации измеряемых бортовой системой контроля; результаты сравнительных испытаний элементов СУ ЛА до и после внедрения разработанных мероприятий по снижению вибрационной опасности.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, 4 глав, общих выводов и результатов работы, списка использованных источников. Работа содержит 268 страниц, в том числе, 229 страниц основного текста, 69 рисунков, 13 таблиц и список использованных источников из 174 наименований.
Основные результаты диссертационной работы по совершенствованию аппаратуры и процесса контроля параметров вибраций опубликованы в [88, 89], по разработке виртуального эталона динамических воздействий при испытаниях
16 авиационных систем ЛА показаны в [90], по конструкции агрегатов, их вибросостоянию и доработкам конструкции ЛА при продлении ресурса отражены в [91, 94], оценка работоспособности систем ЛА по параметрам прочности при продлении ресурса показана в [92], совершенствование методического обеспечения наземных испытаний изделий авиационной техники дано в [93], разработка системы диагностирования вибродинамического состояния авиационного оборудования приведена в [39].
Анализ эффективности обеспечения вибрационной надежности СУЛА поданным эксплуатации
Контроль и диагностирование технического состояния силовых установок (СУ) летательных аппаратов (ЛА) по параметрам вибрации является одним из основных направлений оценки качества, поэтому, правомерна постановка вопроса об анализе эффективности данного метода по результатам эксплуатации. Недостатки метода ведут к тяжелым последствиям. Особенно трагичны случаи, когда они связаны не с состоянием непосредственно СУ, а вызваны нарушениями в самой вибродиагностической аппаратуре, например: "На режиме взлета самолета Ту-154 загорелись табло "Неисправность двигателя" и "Вибрации велики". Взлет прекращен, выкатывание за пределы ВПП. Последствия -катастрофа. Причиной явился отказ датчика вибрации МВ-25Б вследствии неправильной регулировки при техническом обслуживании в базовом аэропорту". [55]
Анализ эффективности вибродиагностики требует рассмотрения некоторых конкретных случаев результатов исследований авиационных инцидентов с ЛА по причине сигнализации о нештатных вибрационных параметрах.
14.06.02 г. на воздушном судне (ВС) Ту-154М №85768 (на борту которого находились 136 пассажиров) на эшелоне 11000 м. на режиме работы п і = 87,5 % первого двигателя последовательно загорелись табло "Вибрация велика" и "Опасная вибрация"; стрелка указателя вибрации 1-й СУ находилась на отметке 80...90 %; переключатель выбора опор находился в положении "Передняя опора". Двигатель был экстренно выключен без закрытия пожарного крана, который был закрыт только во время руления после благополучной посадки на двух двигателях. Остальные параметры работы двигателя соответствовали техническим условиям (ТУ).
Самолет, выпуска 1993 г„ наработал с начала эксплуатации (СНЭ) 13219 час, 4988 посадок. После единственного заводского ремонта 10.06.02 г. (инцидент произошел через 4 дня после ремонта!) наработал (ППР) 19 час, 13 посадок, Техническое обслуживание (ТО) по форме "Б" (Ф-Б) - 11.06.02 г., оперативное ТО по Ф-А1 - 14.06.02 г.
Двигатель Д-30КУ-154-2 №03059139212438 изготовлен в 1993 г. с назначенным ресурсом 12000 час, 5600 циклов. После единственного заводского ремонта 24.02.99 г, с межремонтным ресурсом 4200 час. и 1845 циклов, наработал 3841 час. (СНЭ-8678 час.) и 1280 циклов (СНЭ- 3141).
Блок электронный БЭ-30-02 №321003 изготовлен в 1992 г. с назначенным ресурсом 40000 час. и межремонтным ресурсом 12000 час в течении 8 лет эксплуатации. Установлен на ВС в 1993 г., наработал СНЭ 7312 час, ремонтов не имел. После последнего ТО 12.04,02 г. наработал 12 час.
Датчик вибрации МВ-04-1 №321021 установлен на переднюю опору 1-й СУ 03.02.93 г. Наработал СНЭ 13219 час Ремонтов не имел. Наработал после последнего ТО 25.04.02 г. 19 часов. Аналогичный датчик №321083, утановленный на заднюю опору 03.02.93 г., наработал СНЭ 13219 час Ремонтов не имел. После последнего ТО 25.04.02 г. наработал 19 час.
Произведенный осмотр СУ неисправностей не обнаружил. По изменению вибрации за последние 5 полетов замечаний, по узлам мотогондолы и крепления двигателя, по легкости вращения и шумам роторов компрессоров - замечаний нет. Анализ масла отклонений не выявил. Стружка на МФС-30, ЦВС-30, магнитном сигнализаторе отсутствует. Забоин на лопатках нет.
Осмотрены датчики МВ-04-1 опор двигателя, указатель вибрации УК-68Б и электронный блок на правильность монтажа и отсутствие повреждений. Отклонений не обнаружено. Предусмотренные регламентом бюллетени (в частности БУ-1530-Г) выполнены без замечаний.
Произведен контрольный запуск и опробывание двигателя с замером уровней вибраций на всех режимах совместно с контрольной аппаратурой VM-ЗХ. Наибольшая разница в показаниях штатной самолетной виброаппаратуры и VM-3X составила 4 мм/сек. Спектральный анализ масла отклонений не выявил.
В лаборатории проверены датчики МВ-04-1 и электронный блок БЭ-30-02, замерены сопротивления изоляции электропроводки, они соответствовали ТУ. Таким образом, причины инцидента, представляющего серьезную опасность для пассажиров и приведшего к значительным материальным издержкам, так и не были установлены. СУ введена в строй путем замены виброаппаратуры.
В "Анализе влияния надежности авиационной техники на безопасность полетов" за 1997 г., выпущенным Государственным центром безопасности полетов на воздушном транспорте, в разделе, посвященном повторяющимся отказам, отмечено, что отказы из-за КПП, приведшие к инцидентам самолетов Ту 154М по причине неисправности виброаппаратуры ИВ-50П-АЗ имеют стабильную тенденцию к их проявлению. В таблице 1.1 приведена соответствующая статистика
Анализ работ в области совершенствования вибрационной диагностики при испытаниях СУЛА. Основные характеристики вибрационных и ударных воздействий
Комплекс работ по технической диагностике и неразрутающему контролю является одним из определяющих компонентов системы поддержания летной годности, что объясняется важностью и ответственностью решений, принимаемых на основе результатов диагностирования и НК, а также возможных последствий пропуска опасных дефектов, неверных или несвоевременно принятых решений. Он предусматривает, в том числе, наличие специализированного оборудования и средств диагностирования и неразрушающего контроля, специальных вспомогательных средств, проверенных и аттестованных методов и технологий, программного обеспечения и других специальных условий. Работам в этих направлениях посвящено достаточно много публикаций, например, РУ ",46,617 68,ЩЦ ?, MJ5; //?, 44Щ 6у ЩЩ ].
Работы по совершенствованию вибрационной диагностики как часть работ по поддержанию летной годности на основе контроля технического состояния СУ в условиях эксплуатации, осуществляются в рамках Отраслевой комплексной программы "Концепция и основные пути совершенствования диагностирования и неразрушающего контроля технического состояния гражданских ВС и АД в условиях эксплуатации" от 1999 г. Головным разработчиком "Авиационных требований" данного направления является ГосНИИ ГА. Большая работа по анализу проблем сбора, обработки и использования полетной информации выполнена к.т.н. Лифшицем Г.Л.
Система технического диагностирования - это совокупность средств, методов, объектов диагностирования и исполнителей, подготовленная к выполнению определенных (заданных) процессов диагностирования и осуществляющая их по правилам, установленным соответствующей документацией. Техническое диагностирование - процесс определения технического состояния изделий с определенной точностью, результатом которого является заключение о состоянии объекта с указанием, при необходимости, места, вида и причины дефекта. Комплекс методов и средств неразрушающего дефектоскопического контроля не нарушается пригодность объекта контроля к применению.
Помимо организационных, юридических и финансовых вопросов, значительное внимание в авиационных требованиях уделено методическому и информационному обеспечению технической диагностики и неразрушающего контроля, включающему в себя, в том числе, инструментальные средства, фиксацию (документирование) результатов, алгоритмы принятия решений, программное обеспечение, систему сбора, накопления, хранения и анализа информации от бортовых и наземных источников.
Конечной целью контроля является оценка текущего состояния конкретного экземпляра AT, прогнозирование изменения технического состояния, принятие решения по использованию. AT. Совершенствование вибрационной диагностики идет в направлении разработки и корректировки методов диагностирования, построения эталонов неисправностей, оценки эффективности действующих методов.
В настоящее время в связи с развитием бортовых ЭВМ практически нет ограничений на количество регистрируемых в полете параметров и точность регистрации. Проблемными остаются два принципиальных момента: интегральный анализ информации в рамках предложенной в разделе 1.1 логической диагностической модели (1.1) и ограничения по точности регистрации из-за несовершенства датчиков - преобразователей физических реакций в электрические величины. Причем, данная проблема характерна и для мировой авиации [j?j]. Частично это вызвано конструктивными недостатками аппаратуры, но значительную долю составляют недостатки в части доработки, модернизации и системы тарировочных работ.
Вторая часть проблем касается наземного эффективного использования полетной информации. Это связано с работой по совершенствованию методического и программного обеспечения. Применяемые в настоящее время алгоритмы экспресс анализа контроля соблюдения правил эксплуатации и поддержания летной годности, как правило, не адаптированы к наблюдаемому в последнее время росту контролепригодности AT, поскольку нормируют фиксированное количество обрабатываемой информации и минимальное число обрабатываемых полетов для различных классов воздушных судов. Полный и непредвзятый анализ полетной информации может быть обеспечен только на основе единообразия алгоритмов анализа и единой методологии их дальнейшего использования в целях обеспечения безопасности полетов, с перспективой создания единой отраслевой базы данных.
Установленная на ЛА аппаратура контроля вибрации двигателей, одного из наиболее информативных параметров при определении технического состояния, позволяет проводить регистрацию уровня вибрации в полете и на земле [3Zt98]. Наиболее распространена в эксплуатационных подразделениях следующая методика диагностирования технического состояния ГТД по уровню вибраций.
Из карт регистрации параметров выписываются значения уровней вибрации, наработка каждого двигателя, номер самолета и номер двигателя. По этим данным строится график зависимости величины уровня вибрации от времени наработки. По оси абсцисс откладывается наработка двигателя в часах, а по оси ординат - уровень вибрации в мм / с. Рекомендуемый масштаб графика: в 1 мм Т = 10 час и V = 1мм/с. На график наносится точкой осредненное значение уровня вибрации за каждые 10 полетов. Единичные значения уровня вибрации, имеющие явный "выброс" (более 15 мм/с) при подсчете средней величины за 10 полетов, отбрасываются. Для наглядности эти точки соединяются прямыми линиями.
Оценка состояния двигателя осуществляется путем анализа характера изменения величины «шлейфа» точек или средней линии, проведенной относительно этих точек. На исправном двигателе уровень вибрации должен иметь минимальный разброс точек и горизонтальную .среднюю ломаную линию с незначительным отклонением (±10мм/с).
Теоретическое обоснование необходимости конструктивного совершенствования обеспечения вибрационной надежности агрегатов типаНП-89Д
Обеспечение вибрационной безопасности агрегатов и оборудования ЛА во многом зависит от правильной компоновки, учитывающей воздействующие на них вибрации от СУ. В работе [3?] показано, что доработки AT в процессе капитального ремонта в условиях перехода авиаремонтных предприятий к рыночным условиям хозяйствования, могут являться диверсификационным продуктом на рынке товаров и услуг, что позволяет отнести указанное направление совершенствования методов обеспечения вибрационной безопасности к сфере эксплуатации воздушного транспорта.
В разделе 1.2. приведены статистические данные по отказам гидронасоса НП-89Д и разрушениям присоединенных к нему трубопроводов из-за конструктивного недостатка в части крепления насоса на СУ. Вследствие этого является обоснованным разработку конструктивного направления совершенствования методов обеспечения вибрационной безопасности методически показать на примере насоса 1ІП-89Д.
Рассмотрим влияние параметров конструкции СУ ЛА на инициируемые им и воздействующие на его оборудование динамические вибрационные нагрузки нагрузки. [3/,,32,,Э4]
В качестве метода исследований будем подвергать рассматриваемый агрегат воздействию широкополосной случайной вибрации в диапазоне частот от 20 до 2000 Гц на электродинамическом вибростенде, закрепив агрегат как показано на рис.3.4.
Из графика (рис. 3.5) мы видим, что в спектре частот передающихся от корпуса агрегата на оборудование, присутствуют, в том числе, и резонансные частоты самого корпуса, которые значительно превышают норму.
Утолщим обшивку корпуса агрегата в котором находится оборудование. В качестве критерия качества в исследованиях воспользуемся распределением спектральной плотности мощности в точке (тЛ) - наиболее уязвимой, с точки зрения работоспособности оборудования.
Одним из способов снижения динамических нагрузок на блоках агрегата является организация дополнительных стыков. На рис. 5 и 6 представлены графики спектральной плотности мощности в точках на агрегате, расположенных через стык, которые наглядно демонстрируют явное улучшение вибросостояния блоков агрегата.
Исходя из схем присоединенной массы (насоса НП-89) на рис. 3.10 и 3.11 необходимо разработать модель вынужденных колебаний в установившемся режиме.
Реакция системы (вынужденные колебания), вызывается периодическими изменяющимися силами, которые прикладываются к массе и инициируются работающей СУ, Подкрепляющий насос бандаж препятствует его перемещениям только в вертикальном направлении. Обозначим массу насоса - W. Предположим, что ротор ГТД вращается с постоянной угловой скоростью со и что он имеет некоторый дисбаланс, причины которого показаны в разделе 1.1. Круговая частота собственных колебаний р = V(kg/W). Этот дисбаланс будет порождать вращающуюся центробежную силу Р, которая, в свою очередь, вызовет вынужденные колебания системы.
Это выражение содержит две постоянные интегрирования и является общим решением неоднородного уравнения (3.6).
Два первых слагаемых в выра- жении (3.12) описывают свободные колебания, а третье слагаемое, зависящее от возмущающей силы, характеризует вынужденные колебания системы. Можно видеть, что эти последние колебания имеют тот же период Т = 2тс/со, что и период возмущающей силы. Подставляя уравнение (3.5) в выражение (3.9) и считая свободные колебания несущественными, получим так называемые установившиеся вынужденные колебания, описываемые выражением x = (P/ksincot)(l/l- o2/p2) (3.13) Множитель (P/k) sincot представляет собой перемещение, обусловленное действием возмущающей силы Р sin cot, если она приложена статически; множитель 1/(1 - о /р ) учитывает динамический характер этой силы. Абсолютная величина этого множителя обычно называется коэффициентом усиления Р= l/l-o2/p2. (3.14) Видно, что коэффициент р зависит от отношения частот го / р, которое получают делением навязываемой системе частоты возмущающей силы на собственную частоту свободных колебаний системы, В случае, когда частота возмущающей силы мала по сравнению с частотой свободных колебаний, коэффициент усиления примерно равен единице, а перемещения являются почти такими же, как в случае статического действия силы Р sin cot.
Когда отношение и / р достигает значения, равного единице, коэффициент усиления и амплитуды вынужденных колебаний быстро возрастают и обращаются в бесконечность при со = р, т. е. в том случае, когда частота возмущающей силы совпадает с частотой свободных колебаний системы. Этот случай является условием резонанса. Бесконечное значение амплитуды вынужденных колебаний означает, что если периодическая сила действует на колеблющуюся систему всегда в соответствующее время и в соответствующем направлении, то амплитуда колебаний увеличивается, стремясь к бесконечности, при условии, что отсутствует рассеивание энергии. В практических задачах всегда имеет место рассеивание энергии, обусловленное демпфированием. Влияние последнего на амплитуду вынужденных колебаний будет обсуждено ниже.
Разработка направления исследования по увеличению стабильности сейсмической массы индукционных датчиков вибраций
В разделе 3.3. проведен анализ причин отказов аппаратуры контроля вибраций ИВ-200Е и показано, что возможной причиной является деградация конструкционного материала постоянного магнита. Дефектация выбракованных датчиков МВ-25Б-В (с чувствительностью К= 1,41U/V) показала, что помимо указанной, причиной отказов являются внутренние изменения магнитных зазоров в результате, видимо, коррозии в месте, указанном стрелкой на рис. 4.33 и 4.34. Указанные дефекты уменьшают чувствительность примерно в два раза.
Внешний вид повреждения в датчике вибраций Предполагается в дальнейшем проведение исследований по увеличению стабильности магнитотвердого материала сейсмической массы и повышения ее коррозионной и ударной стойкости путем предварительной химико-термической диффузионной обработки сейсмической массы по аналогии с работами [97], проведенными в аналогичных целях для магнитомягких материалов.
В указанных исследованиях установлено, что наилучшие условия магнитной стабильности получены при составе насыщающей смеси: 47% -Сг; 3% - Sn; 1%- NH4 I остальное - А1 2 Оз, температуре изотермического насыщения 900 ... 950С и времени насыщения 2 ... 4 часа. Металлографические исследования показали наличие стабильных диффузионных слоев электротехнической стали, которые гарантируют коррозионную стойкость и стабильность магнитных характеристик в эксплуатации. Образцы, обработанные методом диффузионной металлизации удовлетворительно прошли испытания на воздействие повышенной влажности в течение 9 суток и морского тумана в течение 5 суток и на влагоустойчивость в течение 57 суток. Шероховатость поверхности, получаемая на деталях после диффузионной металлизации соответствует требованиям ТУ.
Разработанное покрытие обеспечивает стабильность триботехнических характеристик магнитной массы в условиях колебаний и ударных воздействий.
Основные выводы по главе 4
1. Выбор в качестве предмета экспериментального исследования насоса НП-89 обоснован, поскольку: многочисленные отказы (разд. 1.1 и 1.2) обусловлены виброусталостным разрушением в местах, где отсутствуют дефекты материала; трещина образовалась в результате многоцикловой усталости в области максимальных вибронапряжений под действием низкоамплитудной переменной нагрузки; мероприятия по усилению корпуса корпуса насоса (бюллетень 365БГ-Д) положительных результатов не принесли; изменения условий крепления насоса и монтажа гибких шлангов оказались не эффективны.
2. Исходя из условий эксплуатации, результатов исследований отказов насоса разработана схема испытательного комплекса, проведен выбор оборудования и программных средств, определены условия проведения испытаний и спланирован эксперимент, который в максимальной степени и с наименьшими затратами позволяет проверить адекватность теоретических предложений (глава 3) по совершенствованию методов обеспечения вибрационной безопасности, а именно: снижение интенсивности колебаний до безопасного уровня за счет монтажа агрегатов; применения современных методов обработки и анализа виброинформации; повышения надежности вибропреобразователей.
3. Разработана методика, организованы и проведены эксперименты: по оценке влияния условий крепления навесного агрегата к СУ; по оценке степени затяжки крепежных элементов; по исследованию влияния вибродемпфирующей прокладки из красной меди на навесной агрегат.
4. Результаты экспериментов представлены в приложении, а обобщенные результаты в табл. 4.1.
5. Результаты экспериментов полностью подтвердили теоретические положения главы 3 о целесообразности доработки монтажа насоса НП-89 путем введения дополнительного вибродемпфирующего стыка, аналитической обработки данных по ударным вибрациям методами кепстрального анализа, введения в программы испытаний требований по установлению зависимостей сигналов в контрольных и регистрационных точках, показали обоснованность разработанного методического обеспечения наземных испытаний изделий авиационной техники.
6. Показана обоснованность и целесообразность проведения исследований по увеличению стабильности магнитотвердого материала сейсмической массы и повышения ее коррозионной и ударной стойкости путем предварительной химико-термической диффузионной обработки сейсмической массы по аналогии с работами, проведенными в аналогичных целях для магнитом я гких материалов.
