CC BY
525
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Аэромеханика и прочность, поддержание летной годности ВС
УДК 629.7.017.083.2
ЭКСПЛУАТАЦИЯ АВИАТЕХНИКИ ПО СОСТОЯНИЮ.
ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ
С.В. ДАЛЕЦКИЙ
По заказу редакционной коллегии
Рассмотрены общие принципы выбора методов эксплуатации по техническому состоянию изделий авиатехники с позиций обеспечения безопасности полётов и экономичности эксплуатации воздушных судов.
Метод эксплуатации изделия АТ определен как "совокупность правил выбора критерия предельного состояния изделия, по достижению которого дальнейшее использование изделия по назначению прекращается или приостанавливается". [1] Данная формулировка в целом соответствует сложившемуся в практике пониманию этого термина, но переносит акцент с "технической эксплуатации" на "эксплуатацию", в которой реализуется и ограничивается использование изделий по назначению.
Согласно критериям предельного состояния, устанавливающим пределы использования по назначению, выделены следующие методы эксплуатации: до выработки ресурса; до предотказного состояния; до отказа.
Для выявления предельных состояний изделий, в системе ТОиР необходимо выполнять целевые плановые работы по контролю состояния, поэтому каждому методу эксплуатации ставятся в соответствие следующие плановые работы ТО:
методу эксплуатации до выработки ресурса (ТЭР) - работы по контролю наработки; методу эксплуатации до предотказного состояния (ТЭП) - работы по контролю значений определяющего параметра состояния;
методу эксплуатации до отказа (ТЭО) - работы по контролю работоспособности.
Следует отметить, что дополнительно к указанным группам работ, в системе ТОиР могут выполняться и другие работы этого вида для выявления случайных, неучитываемых и нерасчетных нарушений технического состояния каждого изделия в процессе его эксплуатации в реальных условиях.
Все указанные группы работ ТО связаны с контролем состояния изделий АТ и общим признаком этих работ является то, что их выполнение не изменяет технического состояния изделия и его безотказность. Восстановление технического состояния изделия АТ или предупреждение его отказа осуществляется последующими действиями в системе ТОиР (ремонт, регулировка, замена) по результатам контроля.
Выбор критерия предельного состояния изделия, до которого допускается его использование по назначению, обусловлен последствиями отказа изделия в функциональной системе ВС на безопасность и регулярность полетов, а также приспособленностью конструкции ВС в целом и данного изделия к проведению работ по контролю данного вида предельного состояния и экономической эффективностью выполнения этих работ. Таким образом, выбор метода эксплуатации изделия базируется на условиях:
необходимое - обеспечение нормативного уровня безопасности и регулярности полетов; достаточное - обеспечение экономической эффективности работ по контролю предельных состояний;
т.е. решается задача оптимизация контроля сложной многофункциональной системы ВС по выходным параметрам, при структурных и информационных ограничениях.
Нормативные уровни безопасности полетов задаются на ВС в целом, согласно требований НЛГ, далее эти уровни распределяются по функциональным системам ВС методами экспертных оценок или по прототипу, а в каждой системе безотказность отдельных изделий нормируется методами равномерного, пропорционального или оптимального распределения между изделиями системы.
Исследование и анализ надежности каждого изделия в составе функциональной системы ВС выполняется известными методами теории надежности сложных систем.
Из принятого определения метода эксплуатации формулируются следствия: метод эксплуатации до выработки ресурса (ТЭР) устанавливает, что вероятность отказа любого изделия данного типа за установленный интервал наработки в ожидаемых условиях эксплуатации не превысит заданной величины, что соответствует установлению равного ресурса всем изделиям данного типа без дополнительного контроля состояния и условий эксплуатации. Значение ресурса устанавливается известными способами расчета, ранжировано по особым ситуациям полета вследствие отказа данного изделия;
метод эксплуатации до предотказного состояния (ТЭП) устанавливает, что вероятность отказа каждого конкретного изделия в реальных условиях эксплуатации не превысит заданной величины, что соответствует установлению индивидуального ресурса каждому изделию по результатам параметрического контроля состояния и условий эксплуатации.
метод эксплуатации до отказа (ТЭО) устанавливает, что количество отказов изделий за установленный интервал наработки не превысит заданной величины, что соответствует установлению гамма-процентного ресурса парку изделий без дополнительного контроля их состояния и условий эксплуатации.
Эти следствия распространяются и на установление сроков службы изделий.
Установление ресурса 1-м изделиям АТ из условия обеспечения требуемой их безотказности в эксплуатации по данным испытаний на надежность допустимо представить соотношением:
Р;(х) = Рш > [ 1 - Л0(х) ] (1-РО , (1)
где Л = Л1Л2 Л3 Л4 - коэффициент надежности; х - искомое значение ресурса;
Р1н - нормативное значение функции надежности 1-го изделия;
0(х) - вероятность отказа изделия в интервале наработки (0,х);
Р; - риск эксплуатанта при принятом плане испытаний на надежность:
Л1 - коэффициент, учитывающий эквивалентность программы испытаний ожидаемым условиям эксплуатации;
Л2 - коэффициент, учитывающий адекватность математической модели надежности изделия реальному физическому объекту;
Л 3 - коэффициент, учитывающий эквивалентность ожидаемых и реальных условий эксплуатации изделий;
Л 4 - коэффициент, учитывающих качество изготовления изделий.
Согласно установленным следствиям для различных методов эксплуатации 1-го изделия при заданных Р1н и Р; фактически реализуемая наработка изделий показана на рис. 1
При эксплуатации изделия по методу ТЭР наработка любого изделия ограничивается значением Т (или Т1 при Л=1), по достижении которого производится замена или восстановление. При эксплуатации по методу ТЭП наработка любого изделия ограничивается значением Т2, а при методе ТЭО - значением Т3 . В частном случае, если отсутствует ограничение на безот-
казность, реализуемая наработка каждого изделия соответствует м.о. наработки изделий до отказа. Различие в значениях Т^Т3 определяет эффект в реализации средней наработки изделия до замены или ремонта при различных методах эксплуатации.
Во всех случаях расчет реализуемой наработки изделия базируется на последовательной модели надежности изделий, имеющих возрастающую или возрастающую в среднем функцию интенсивности отказов (ВФИ или ВСФИ - распределения).
Следовательно, надежность изделия должна зависеть от наработки, причем эта зависимость может быть выражена функционально или стохастически. Параметр безотказности 1 (или w) должен быть возрастающим (возрастающим в среднем): l(t)<l(t + Dt) или w(t)< w(t + Dt), т.к. при l(t) = 1 = const ограничение наработки лишено физического смысла, а убывание параметра X (или w) соответствует периоду приработки, который для изделий АТ реализуется на этапах изготовления и испытаний.
Т Ti т2 ъ t
Рис. 1. Зависимость реализуемой наработки изделия при различных методах эксплуатации
Поскольку изделия АТ в полете не восстанавливаются, а время полета 1 есть случайная величина с распределением Б(1), то вероятность безотказной работы 1-х изделий за ,-й полет:
¥ ¥
Р,, = | Р(1) ®(1) = | Р(1) ад* , (2)
0 0
где А(1:) - плотность распределения Б(1:).
При нормальном распределении Б(1:) продолжительность произвольного ,-го полета стремится к продолжительности типового полета - 10.
Тогда надежность ,-х изделий при отработке ресурса Т допустимо представить как последовательную отработку п = ТЛ0 типовых полетов, т.е. как последовательное соединение п
элементов с безотказностью каждого, равной Р,,, откуда:
п п
Р, (1 £ Т )=П Р8» 1 -1011, , (3)
,=1 ,=1
тогда (1) принимает вид:
Р, (х ) = Р,х ^
(1 -Ь,) • (4)
1 _л^ Е1
_ ,=1
причем количество типовых полетов, для которых выполняется (4) определяется значениями коэффициентов ^1 Л4 и может различаться в 2 -*8 раз, что и определяет сравнительную эффективность различных методов эксплуатации изделия.
Установление ресурса изделию АТ при его эксплуатации по методу ТЭР производится известными способами расчета ресурсов по результатам проектирования, испытаний и эксплуатации. Альтернативный выбор методов эксплуатации ТЭР-ТЭП-ТЭО изделий АТ, учитывая их высокую надежность, целесообразно проводить из необходимого условия обеспечения безопасности полетов на основе экспертных оценок последствий отказов, определяемых по логической схеме (рис. 2) или ее аналогах [2]. Схема на рис. 2 состоит из трех блоков: информация - анализ - метод. В блоке "информация" формируется вся располагаемая информация об изделии, используемая для выбора метода эксплуатации. В блоке "анализ" производится выбор метода по логической схеме, а в блоке "метод" группируются результаты. Достаточное условие для применения методов ТЭП и ТЭО определяется их эффективностью относительно метода ТЭР из условия:
(Т ^
ср _ 1 Т
V 1 У
АСудТСр > 0 , (5)
где С - выходной экономический эффект;
Сизд - стоимость изделия;
А Суд - дополнительные (к ресурсной эксплуатации) удельные эксплуатационные затраты;
Т - установленный ресурс изделия;
(с ТО _ С ТО )+ (с Р _ С Р )+ (с К ПА _ С КПА )+ (с НР _ С НР )] , (6)
АСз - — АС уд т
где С и С - затраты при ресурсной и безресурсной эксплуатации изделия, соответственно;
ТО, Р, КПА, НР - затраты ТО, ремонт, контрольно-поверочную аппаратуру, накладные расходы, которые, при необходимости, раскладываются на составные части эксплуатационных расходов в соответствии с нормативными документами, а общим правилом расчетов АСэуд является учет всех изменившихся расходов на ТОиР при методах ТЭП или ТЭО, отнесенных к величине установленного ресурса изделия при методе ТЭР. При этом следует учитывать только затраты на дополнительные работы по контролю состояния (включая стоимость и затраты на эксплуатацию дополнительных средств контроля, а при необходимости и стоимость неплановых замен изделий и убытки от простоев) дополнительно к затратам на ресурсную эксплуатацию изделия.
При выборе границ применения различных методов эксплуатации необходимо учитывать следующие особенности изделий авиатехники.
Эксплуатация до выработки ресурса назначается для наиболее ответственных изделий, изменение состояния которых описывается последовательной моделью надежности, однако, контроль промежуточных состояний изделий в процессе эксплуатации невозможен по технологическим или производственно-организационным причинам, к числу которых относятся: низкая контролепригодность изделия, отсутствие методов и средств контроля, отсутствие диагностических признаков, технологическая невозможность или экономическая нецелесообразность контроля состояния изделия в реальных условиях эксплуатации ВС данного типа. Поэтому в условиях эксплуатации производится исследование причин отказов изделий и подтверждение обоснованности ресурсов изделий, эксплуатирующихся до выработки ресурса, что не исключает возможности перевода этих изделий на эксплуатацию по другому методу (ТЭП, ТЭО) при изменении функций изделия или указанных выше причин.
п
Информация’ ■
"Анализ-
метод в эксплуата-'-------ниИ----------
Функциональные параметры систем и изделий, контролируемые бортовыми средствами контроля, индикации и регисрации
Функциональные параметры систем и изделий, контролируемые наземными средствами контроля и диагностики.
Статистика изменения функциональных параметров от наработки изделий и условий эксплуатации
Статистика видов отказов по: карточкам учёта отказов и неисправностей, результатам лабораторных и ресурсных испытаний; результатам исследований отказав______ТТГОХ И37ГЄЛИЙ
Бланк-карты на агрегаты и изделия.
Перечень минимальнодопустимого исправного оборудования, необходимого для выполнения рейса. Перечень неисправностей, с которыми разрешается эксплуатация до очередной периодической формы ТО. Результаты расчётов схемной надёжности
Обнаруживается ли экипажем приближение к отказу при выполнении обычных действий, бортовыми средствами контроля, индикации и регистрации параметров?
Обнаруживается ли приближение к отказу при ТО штатными бортовыми или наземными средствами контроля.?
Можно ли обнаружить приближение к отказу дополнительными средствами контроля и диагностики?
НЕТ
Обнаруживается ли экипажем отказ при выполнении обычных действий бортовыми средствами контроля, индикации и регистрации параметров?
Обнаруживается ли отказ при ТО штатными бортовыми или наземными средствами контооля?
НЕТ
Можно ли обнаружить отказ дополнительными средствами контроля?
.А
ДА
Влияет ли отказ непосредственно или в сочетании с другими на безопасность полётов по классификации НЛГС?
ДА
ДА
Можно ли ввести дополнительные средства контроля в состав штатной КПА?
/
ДА
Приводит ли Зависит ли безот-
отказ непо- казность от нара-
средственно к -► ботки?
особой си-
туации полё-
та?
ДА
ТЭР
Можно ли ввести дополнительно средства контроля в состав штатной КПА?
НЕТ
Приводит ли отказ в сочетании с другим к ситуации хуже усложнения условий полёта?
ДА
Конструктивная доработка изделия или системы.
Рис. 2. Логическая схема выбора метода эксплуатации изделия
Ресурс изделия при методе ТЭР с позиций обеспечения безотказности изделий в эксплуатации определяется согласно (1), а средний реализуемый ресурс изделия при эксплуатации по методу ТЭО равен гамма-процентному ресурсу или (при отсутствии ограничений на уровень надежности) средней наработке изделия на отказ в эксплуатации и определяется параметрами F(t). Гамма-процентный ресурс изделия назначается таким образом, чтобы средняя наработка изделий до отказа была не ниже заданной, т.е.:
Тз = ] [1 - F(x )]dx > Тзад (7)
0
при условии, что 1 - F(T3 ) > Pin
Эксплуатация до предотказного состояния (ТЭП) назначается для ответственных изделий, изменение состояния которых описывается последовательной моделью надежности, имеется диагностический параметр состояния изделия, методы и средства контроля этого параметра в эксплуатации, обеспечена контролепригодность изделия и решены производственноорганизационные вопросы. Метод ТЭП также назначается для малоответственных изделий, контроль состояния которых при указанных выше условиях экономически целесообразен относительно эксплуатации по предупредительно заданному ресурсу.
Для оценки эффективности эксплуатации изделия по методу ТЭП необходимо определить средний фактически реализуемый ресурс ( Тср ф ) изделий, а также оптимальное допустимое значение диагностического параметра. В общем случае, изменение диагностического параметра и(1) может быть выражено моделью [3]:
и(1) = Уе 1“ + 2(1) + АП , (8)
где Уе - коэффициент скорости изменения параметра;
1 - наработка изделия;
“ - показатель степени аппроксимирующей функции;
2(1) - случайный процесс отклонений реализации значений параметра от теоретической кривой;
АП - изменение параметра за период приработки.
В зависимости от вида функции и(1) определяются интервалы контроля (1Ц) изделия и при каждом контроле рассчитывается остаточный ресурс - 1ост.
Эксплуатация изделия прекращается, если при очередном контроле установлено, что 1ост<
1Ц. Индивидуальный ресурс 1-го изделия - 1ф;, реализуемый при методе ТЭП, будет равен:
Т • = 1 + У 1 (9)
V 0 У т т=1
Схемы расчетов остаточного ресурса для метода ТЭП приведены в [3]. Подобные условия выбора 1ф и и(1) изложены в ГОСТ 21571, однако для изделий АТ рассчитываются только предварительные значения 1ф и и(1) для решения вопроса об экономической целесообразности применения метода ТЭП данного типа изделий. Эксплуатация конкретных изделий по методу ТЭП производится по рабочим методикам контроля параметров изделий и принятия решений в эксплуатации, обеспечивающих требуемый уровень безопасности полетов, однако во всех случаях, при выборе метода эксплуатации ТЭП изделие АТ рассматривается как невосста-навливаемое, а средний реализуемый ресурс изделий при методе ТЭП составит:
1 п
Тср = - У 1ф1 , (10)
п 1=1
где п - количество изделий в эксплуатации.
Значение которого и подставляется в (5) при определении эффективности применения метода ТЭП. Эксплуатация до отказа назначается для изделий, отказ которых в сочетании с лю-
бым другим приводит к ситуации не сложнее усложнения условий полета. Если изменение технического состояния изделия описывается последовательной моделью, но контроль промежуточных состояний невозможен или экономически нецелесообразен, то устанавливается контрольный уровень надежности таким образом, чтобы средняя наработка изделий до отказа была не ниже заданной:
Тср = | Р(х)ёх > Тзад , (11)
0
т. е. по данным усеченной выборки производится контроль средней наработки изделий до момента превышения заданного уровня, свидетельствующего о приближении к среднему ресурсу совокупности изделий. В частном случае, при простой модели надежности изделий реализуется их средний ресурс.
Контролируемым параметром при методе ТЭО является интенсивность отказов l(t), значение которой определяется для всей совокупности изделий по этапам их эксплуатации. Для различных типов распределений времени наработки изделия до отказа модели изменения параметра X имеют вполне определенный вид [3]. Поскольку значение l(t) в эксплуатации всегда определяется по статистическим данным, то функция Z( t ) в (8) определяет случайное отклонение эмпирической функции l(t) от ее прогнозируемого значения при наработке t. Поэтому функция l(t) для высоконадежных изделий АТ при малом количестве наблюдаемых отказов всегда имеет вид ломаной кривой при sz>0,05.
Таким образом, определены условия выбора методов эксплуатации изделий АТ по различным критериям их предельного состояния, как невосстанавливаемых элементов функциональных систем ВС относительно плановых работ по контролю состояния, выполняемых в системе ТОиР.
Необходимо отметить, что методы ТЭП и ТЭО, экономически эффективные для всего парка i-х изделий, могут оказаться убыточными в эксплуатации для отдельного авиапредприятия при малом количестве этих изделий в данном авиапредприятии или их эксплуатации в неблагоприятных условиях, что следует из полученных выше определений средних реализуемых ресурсов изделий при эксплуатации по методам ТЭП и ТЭО.
ЛИТЕРАТУРА
1. Инструкция 54-003-025-089. Система технического обслуживания и ремонта авиационной техники. Термины и определения. М.: МГА, 1990.
2. MSG - 3. Revision 2. “Maintenance program development document” ATA, 1993.
3. Далецкий С.В. Проектирование систем технического обслуживания и ремонта воздушных судов гражданской авиации. М.: МАИ, 2001.
MAINTENANCE OF AERONAUTICAL PRODUCT IN ACORDANCE WITH CONDITION. MAIN PRINCIPLES
Daletskiy S.V.
It was considered the main principles of aeronautical products “in accordance with condition” maintenance methods election by aircraft flight safety and economical points of view.
Сведения об авторе
Далецкий Станислав Владимирович, 1944 г.р., окончил МАИ (1969), доктор технических наук, начальник отдела ГосНИИ ГА, заслуженный работник транспорта РФ, почётный авиастроитель РФ, академик Российской академии транспорта и Российской академии проблем качества, эксперт Госстандарта РФ и Межгосударственного авиационного комитета, автор более 100 научных работ, область научных интересов - разработка, испытания и техническая эксплуатация воздушного транспорта.
