Показатели безотказности невосстанавливаемых объектов

Военная кафедра

имени Героя Советского Союза генерала Г.П. Губанова

 

 

У Т В Е Р Ж Д А Ю

Начальник военной кафедры

полковник

И.Хабло

«___»___________2017 г.

 

Лекция № 1

«Надежность авиационной техники»

 

по теме № 23 « Надежность АТ и безопасность полетов ».

 

Дисциплина: «Эксплуатация и ремонт самолетов, вертолетов

и авиационных двигателей»

 

ВУС - 461000

 

Учебное время – 2 часа

 

Рассмотрена на заседании ПМК цикла № 3

 

Протокол № ____ от «___» __________2017 г.

 

Самара 2017

Оглавление:

Введение................................................................................................................ 4

1. Надёжность авиационной техники, основные понятия и определения........... 5

1.1. Показатели безотказности невосстанавливаемых объектов......................... 7

1.2. Показатели безотказности восстанавливаемых объектов.......................... 10

2. Изменение надежности авиационной техники в процессе эксплуатации...... 11

3. Пути повышения надежности авиационной техники..................................... 13

4. Классификация неисправностей авиационной техники и причины их появления 19

 

Введение

 

Эффективность боевого применения авиационной техники определяется целым комплексом факторов, к числу которых относятся, прежде всего, летно-технические характеристики самолета, характеристики его бортового оборудования и вооружения, умение экипажа эффективно использовать возможности, заложенные в АТ. Однако, при самом благоприятном сочетании этих факторов эффективность боевого применения может оказаться ничтожно малой, если самолет, его вооружение и бортовое оборудование обладают низкой надежностью, т.к. боевое задание может быть не выполнено вследствие отказа АТ.

От надежности АТ зависит уровень исправности самолетного парка авиационных частей, т.к. чем надежнее самолет, тем, как правило, меньше объем профилактических работ, меньше неисправностей, а, следовательно, меньше и время простоев в неисправном состоянии.

Чем менее надежен самолет, тем больше потребный объем контроля при подготовке к полету, а значит, больше и время подготовки. Сокращение объема проверок опасно, т.к. может быть не обнаружено перед полетом какое-либо повреждение, которое приведет к отказу в полете и, как следствие, - к авиационному происшествию или невыполнению задания.

Все сказанное свидетельствует о том, что работа по поддержанию высокой надежности АТ должна занимать одно из центральных мест во всей деятельности ИАС.

1. Надёжность авиационной техники, основные понятия и определения

 

Одним из основных показателей деятельности ИАС, служащих для оценки состояния АТ, является надёжность АТ.

Надёжность АТ – свойство объекта АТ сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования (ГОСТ 27002 – 89).

Надежность любого сложного технического устройства или комплекса устройств зависит от надежности отдельных технических устройств, составляющих рассматриваемое сложное техническое устройство. В связи с этим для удобства оценки надежности АТ вводятся понятия «объект», «система» и «элемент».

Объект АТ – предмет определённого целевого назначения, рассматриваемый на этапах разработки требований, проектирования, испытания, производства и эксплуатации (устройства, приборы, агрегаты, установки, технические комплексы и т.д.).

Система – совокупность совместно действующих объектов, предназначенных для самостоятельного (независимого) выполнения определенных функций.

Элемент – составная часть системы, предназначенная для выполнения определенных функций в составе системы.

В зависимости от масштаба рассмотрения один и тот же объект может рассматриваться как система и как элемент, например: топливный насос является объектом в составе топливной системы ВС, с другой стороны он является элементом этой же системы, т.к. сам состоит из объектов – корпуса, качающего узла, клапанов и т.д..

Надежность АТ является комплексным свойством, которое в зависимости от назначения объекта и условий его применения может включать безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость:

1. Безотказность – свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или наработки.

2. Долговечность – свойство объекта сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта (ТО и Р).

3. Ремонтопригодность – свойство объекта, заключающееся в приспособленности к предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов, а также к поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем проведения ТО и Р.

4. Сохраняемость – свойство объекта сохранять в заданных пределах значения параметров, характеризующих способности объекта выполнять требуемые функции, в течение и после хранения и (или) транспортирования.

При рассмотрении надежности объектов АТ различают исправное и неисправное состояние, работоспособное и неработоспособное состояние, переходы в которые осуществляются соответственно через события повреждения и отказа объектов АТ. Возможные переходы состояния объекта в течение срока его эксплуатации рассмотрим на следующем рисунке:

Рис. 1. Изменение качественной характеристики состояния объекта в зависимости от времени его эксплуатации:

S_И – исправное состояние объекта; S_НИ – неисправное состояние объекта; S_Р – работоспособное состояние объекта; S_НР – неработоспособное состояние объекта.

Исправное состояние – состояние объекта, при котором он соответствует всем требованиям нормативно-технической документации (НТД).

Неисправное состояние – состояние объекта, при котором он не соответствует хотя бы одному из требований НТД.

Работоспособное состояние – состояние объекта, при котором значения всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствуют требованиям НТД.

Неработоспособное состояние – состояние объекта, при котором значение хотя бы одного параметра, характеризующего способность выполнять заданные функции, не соответствует требованиям НТД.

Повреждение – событие, заключающееся в нарушении исправного состояния объекта при сохранении работоспособного состояния.

Отказ – событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния объекта.

Таким образом, понятие «исправность» является менее широким, чем понятие «работоспособность». В результате несущественного повреждения объект может быть неисправным, но оставаться работоспособным (царапина на поверхности остекления фонаря кабины). Однако несущественные повреждения со временем могут перерастать в существенные и приводить к отказу АТ, т.е. переходу ее в неработоспособное состояние (перерастание царапины в трещину и последующее разрушение остекления фонаря кабины). В связи с этим важно следить за появлением повреждений и не допускать, чтобы они приводили к отказам.

Поскольку заранее точно предсказать моменты наступления отказов объектов АТ невозможно, с математической точки зрения события отказов являются случайными и количественные характеристики процессов появления отказов носят вероятностный характер. Они базируются на основе статистических данных по опыту эксплуатации или результатов испытаний, и отражают общие для всей массы объектов закономерности и тенденции изменения надежности.

В зависимости от того, может или не может объект восстанавливаться в конкретной ситуации в условиях эксплуатации, их делят на восстанавливаемые и невосстанавливаемые.

Восстанавливаемый объект – объект, для которого в рассматриваемой ситуации проведение восстановления работоспособного состояния предусмотрено в НТД.

Невосстанавливаемый объект - объект, для которого в рассматриваемой ситуации проведение восстановления работоспособного состояния не предусмотрено в НТД.

Ввиду различия методов и стратегий технической эксплуатации восстанавливаемых и невосстанавливаемых объектов есть некоторая разница в определении количественных характеристик их надежности.

Показатели безотказности невосстанавливаемых объектов

 

Исходя из удобства использования и наличия исходных данных, применяют три основные характеристики безотказности невосстанавливаемых объектов:

- вероятность безотказной работы;

- средняя наработка до отказа;

- интенсивность отказов.

А. Вероятность безотказной работы P(t) – вероятность того, что в пределах заданной наработки отказ объекта не возникнет:

P(t) = P(T>t)

Соответственно, вероятность отказа: Q(t)=1 - P(t)

 

Рис. 2. Характер изменения вероятностей отказа и безотказной работы, в

зависимости от времени наработки объекта.

Количественно P(t) может быть оценена как отношение исправно работающих во времени t объектов к количеству объектов, за которыми ведется наблюдение:

,

Где n(t) – количество исправных объектов;

N - количество наблюдаемых объектов (выборка объектов).

На практике удобнее пользоваться вероятностью отказа:

,

где r(t) - количество неисправных объектов.

На практике используется ограниченный объем выборки, следовательно, мы должны вести речь о статистической вероятности безотказной работы:

Чем меньше N, тем больше разница между вероятностными и статистическими показателями, следовательно, необходима статистика.

Б. Средняя наработка до отказа: - математическое ожидание наработки объекта до первого отказа.

В статистической форме: ,

где t_i – наработка i–го объекта до отказа.

В. Интенсивность отказов l(t) – условная плотность вероятности возникновения отказа объекта, определяемая при условии, что до рассматриваемого момента времени отказ не возник.

l^*(t)- отношение числа отказавших объектов в единицу времени к числу объектов, остающихся работоспособными к данному моменту времени:

В статистической форме:

при Dt ®0, значение l^*(t) ®l(t).

 

 

Рис. 3. Движение невосстанавливаемых объектов в процессе эксплуатации.

 

Интенсивность отказов является наиболее употребительной характеристикой невосстанавливаемых объектов и наилучшим образом позволяет сравнивать надежность различных объектов в любой момент времени. Она позволяет легко проанализировать изменение надежности объекта по времени его наработки. Кривые изменения функции l (t) называются l-характеристиками. В настоящее время для многих готовых изделий l-характеристики представляются изготовителем наряду с другими техническими характеристиками и являются основой для расчета надежности, решения вопросов организации профилактики и ограничений сроков эксплуатации авиационной техники.

Наиболее распространенный вид кривой l (t), характерный для сложных объектов, состоящих из значительного числа элементов, показан на рис. 4.

 

l(t)

Рис. 4. Изменение l(t) – характеристики от времени наработки объекта.

 

По виду кривой весь период работы объекта может быть разбит на три участка:

I — начальный период эксплуатации, или период приработки, характерный повышенными значениями l вследствие того, что в этот период выявляются все недостатки производственного характера и имеет место значительное число отказов по этой причине.

Чтобы не допустить высокой интенсивности отказов в период эксплуатации объекта на самолете, применяют так называемые «тренировки» аппаратуры в течение времени t на специальных стендах в условиях завода-изготовителя или непосредственно в авиационной части, чтобы обеспечить выявление всех недостатков объекта до установки его на самолет. Главным образом это относится к радиоэлектронной аппаратуре и различным системам автоматики. Механические системы (агрегаты) желательно подвергать до начала эксплуатации приработке (обкатке) на определенных режимах в целях создания наилучших условий работы в основной период эксплуатации.

Продолжительность участка I различна для разных объектов и может составлять от нескольких часов до десятков часов, а значение X на этом участке может быть больше в 2…3 раза и более по сравнению с основным участком эксплуатации.

II — основной период эксплуатации, в течение которого l имеет минимальное значение и сохраняется примерно постоянной.

III — период, когда вследствие накопления необратимых изменений объекта после длительной эксплуатации, износа и старения элементов увеличивается интенсивность отказов и возникает вопрос о целесообразности дальнейшей эксплуатации объекта. Обычно началом периода III ограничивается технический ресурс объекта.

Удобство l-характеристик также состоит в том, что имея характеристики отдельных элементов, можно построить характеристику системы в целом.

1.2. Показатели безотказности восстанавливаемых объектов

 

При эксплуатации восстанавливаемых объектов производится их ремонт и продолжается эксплуатация. Объект может отказывать в процессе эксплуатации многократно, таким образом, мы имеем дело с потоком отказов. Основными показателями безотказности восстанавливаемых объектов являются:

- вероятность безотказной работы Р(t);

- наработка на отказ ;

- параметр потока отказов w(t).

 

А. Вероятность безотказной работы P(t) – вероятность того, что за время t произойдет k событий отказов:

Б. Средняя наработка на отказ - отношение суммарной наработки восстанавливаемого объекта к математическому ожиданию числа его отказов в течение этой наработки (т.е. это среднее время между двумя смежными отказами восстанавливаемого объекта):

,

где t_i – суммарная наработка i-го объекта из N;

r_i – общее число отказов i-го объекта.

В. Параметр потока отказов w(t) – отношение математического ожидания числа отказов восстанавливаемого объекта за достаточно малую его наработку к значению этой наработки:

В статистической форме: , и при Dt®0 .

w(t) – позволяет анализировать надежность восстанавливаемых объектов и решать вопросы их эксплуатации.

Рис. 5. Движение восстанавливаемых объектов в процессе эксплуатации.

 

2. Изменение надежности авиационной техники в процессе эксплуатации

 

Весь процесс эксплуатации АТ можно разделить на два периода:

1. Собственно эксплуатация, когда в элементах конструкции накапливаются необратимые изменения.

2. Проявление накопленных изменений в виде отказа.

Мгновенных отказов не бывает, отказ «накапливается » постепенно:

(в начале появляется трещина, которая, по достижении критических размеров, приводит к разрыву и разрушению элемента конструкции, которое и кажется мгновенным).

Надежность АТ определяется энергетическим подходом:

- энергия внутренних источников;

- энергия окружающей среды (включая человека);

- потенциальная энергия материалов.

Различные виды энергий, действуя на АТ, вызывают физико-химические явления в образцах АТ, связанные с появлением повреждений. В свою очередь, они приводят к изменению определяющих параметров деталей, агрегатов, систем ВС в целом, что может привести к отказу.

Климатические условия существенно влияют на состояние ВС, а, следовательно, на его надежность. К атмосферным явлениям, снижающим характеристики надежности в процессе эксплуатации, относятся:

- влажность;

- t_нв;

- засоренность атмосферы (естественная и искусственная);

- солнечная радиация.

Рассмотрим более подробно изменение надежности объекта АТ в процессе эксплуатации в зависимости от трех основных групп эксплуатационных факторов – условия применения, качество эксплуатации и условия эксплуатации по блок-схеме, представленной на рис. 6, а также мероприятия ИАС, направленные на повышение или обеспечение высокой надежности объектов АТ в процессе ее эксплуатации по блок-схеме, представленной на рис 7:

Рис. 6. Изменение надежности объекта АТ в процессе эксплуатации в зависимости от трех основных групп эксплуатационных факторов.

3. Пути повышения надежности авиационной техники

 

Надежность как свойство АТ закладывается на этапах разработки требований, проектирования, изготовления и испытания. В условиях эксплуатации надежность поддерживается за счет комплекса плановых и внеплановых профилактических работ на АТ. Таким образом, на каждом из осноных этапов жизненного цикла АТ закладываются и поддерживаются факторы, определяющие надежность.

Основные этапы жизненного цикла АТ:

I этап- проектирование;

II этап- изготовление;

III этап- эксплуатация.

Рассмотрим основные факторы, определяющие надежность АТ на каждом из них:

- на первом этапе:

а) выбор схемы и принципа действия агрегатов АТ;

б) выбор условий нагружения и конструктивных материалов;

в) методика применяемых расчетов на статическую и динамическую прочность;

г) учет всех факторов, воздействующих на конструкцию ВС в эксплуатации.

- на втором этапе:

а) совершенство технологических процессов и технологической дисциплины;

б) обеспечение взаимозаменяемости элементов конструкции;

в) совершенствование методов контроля качества выпускаемых объектов;

г) испытания элементов и систем ВС.

- на третьем этапе:

а) совершенствование организации ТО и Р (внедрение научных методов);

б) сбор, учет и анализ отказов АТ, обобщение опыта ее эксплуатации;

в) укрепление взаимосвязи с производством, научными и учебными заведениями;

г) совершенствование методики обучения и повышение квалификации летного и ИТС;

д) улучшение технологий и качества выполнения регламентных работ;

е) внедрение средств объективного контроля и прогнозирования состояния АТ;

ж) повышение эффективности профилактических мероприятий по предупреждению отказов.

На этапе проектирования различают два метода повышения надежности АТ:

1. Схемный метод:

- совершенствование старых методов и разработка принципиально новых схем технических устройств;

- создание более простых схем;

- разработка схем технических устройств с ограниченным последействием отказов;

- создание схем технических устройств с расширением дополнительных характеристик;

- резервирование элементов и систем.

2. Конструктивный метод:

- разработка высоконадежных элементов;

- использование облегченных режимов работы АТ;

- создание конструкций с высокой степенью технологичности и ремонтопригодности;

- использование новых, более качественных материалов.

 

Рассмотрим более подробно один из способов повышения надежности АТ– резервирование элементов и систем.

Резервирование – способ обеспечения надежности объекта за счет использования дополнительных средств и (или) возможностей, избыточных по отношению к минимально необходимым для выполнения требуемых функций.

Различают два принципа резервирования:

Структурное - резервирование с применением резервного элемента структуры объекта.

Функциональное – резервирование с применением нескольких независимых систем, не имеющих общих агрегатов, но выполняющих одну и ту же функцию.

Различают следующую классификацию структурного резервирования:

А) По объему резервирования:

- общее – при котором резервируется объект в целом;

- раздельное – при котором резервируются отдельные элементы объекта или их группы.

Б) По нагрузке на резервный элемент:

- нагруженный резерв – который содержит один или несколько резервных элементов, находящихся в режиме основного элемента;

– ненагруженный резерв – который содержит один или несколько резервных элементов, находящихся в ненагруженном режиме до начала выполнения ими функции основного элемента;

облегченный резерв – который содержит один или несколько резервных элементов, находящихся в менее нагруженном режиме, чем основной элемент.

В) По способу включения резерва:

- постоянное резервирование – при котором используется нагруженный резерв и при отказе любого элемента в резервируемой группе выполнение объектом требуемых функций обеспечивается оставшимися элементами без переключений;

- резервирование замещением – при котором функции основного элемента передаются резервному только после отказа основного элемента.

Анализ принципиальных схем различных объектов показывает, что существует несколько наиболее характерных структурных схем с однотипными соединениями элементов: