Испытаний и эксплуатации

Для самолета и особенно гражданского самолета безопасность людей, а следовательно, работоспособность деталей и конструкций, ее обеспечивающая, являются главным критерием. Поэтому объем контрольных операций очень велик. Детали контролируются на этапах производства, при испытаниях, при ремонте в эксплуатации. Далее мы вернемся к описанию различных типов контроля, на этапах производства, испытаний и в эксплуатации. В настоящем разделе дается их краткое описание.

Контроль деталей двигателей в процессе

Производства

Основной целью контроля деталей в процессе производства является создание надежного заслона установке на летательный аппарат деталей с разного рода дефектами. В процессе производства должны быть выявлены дефекты плавки, литья, проката, ковки, соединений материала, термической, электрохимической и механической обработки. Если несколько обобщить, то в процессе производства контролируются форма детали, качество материала, из которого она изготовлена, качество соединений, имеющихся в детали (сварка, пайка, болты, заклепки и т.д.) и свойства поверхностного слоя. В производстве применяются практически все виды неразрушающего контроля. Это можно проиллюстрировать на примере контроля диска компрессора одной из самых ответственных деталей двигателя. Помимо того, что показано на рис.2.1. используют еще визуальный контроль, контроль размеров, контроль прижогов, контроль термической обработки и т.д.

Рис.2.1. Схема контроля заготовки диска компрессора

в производстве

2.1.3. Контроль деталей при испытаниях

Перед тем, как данный тип двигателя будет запущен в эксплуатацию, все его основные детали и сам двигатель в сборе подвергаются многочисленным испытаниям. Так, например, диски подвергаются разгонным и разгонноцик-лическим испытаниям; лопатки - усталостным испытаниям при различных температурах, испытаниям на МЦУ, статическую прочность и т.д.; двига-тель испытывается на стендах на самых различных режимах.

После испытаний следует разборка агрегатов или всего двигателя и тщательное исследование деталей. Контролируются: состояние поверхности, наличие трещин, наличие задиров и истираний, целостность покрытий, остаточные напряжения, а также состояние материала: его химический сос-тав (он может меняться из-за взаимодействия материалов с газами и матери-алов между собой), структура, свойства материала после наработки.

Применяются визуальный контроль, вихретоковый (ВТК), люминис-центный (ЛЮМ1), контроль размеров, ведутся микроскопические исследо-вания, используются методы ультразвукового контроля, анализ химического состава, структуры и свойств.

Если деталь после наработки, меньшей чем предполагалось, меняет свойства, вносятся изменения в конструкцию, технологию или условия эксплуатации детали.

2.1.4. Контроль деталей в эксплуатации

Контроль в эксплуатации можно подразделить на три категории:

Первая категория это контроль параметров работы двигателя в полете. Контролируются обороты, температура газа в различных точках, вибрации деталей, уровень шума, давление газов и жидкостей, наличие частиц железа в масле и т.д. Часть параметров выводится на приборную доску, часть записы-вается фиксирующей аппаратурой и анализируется после полета.

Вторая категория это контроль состояния деталей при профилактичес-ких осмотрах. Здесь наиболее широко применяются визуальные способы с помощью разного рода луп, микроскопов, телескопических луп, биноклей. Места, недоступные прямому наблюдению, изучаются с помощью эндоско-пов.В какой-то степени могут быть применены вихретоковый и ультра-звуковой методы, требующие более удобных подходов к детали. И совсем ограниченно применяется рентгеновский метод. Наиболее известен рентге-новский контроль дисков самолетных колес.

Третья категория это контроль деталей при ремонте. В этом случае двигатель разбирается и методики контроля и применяемые методы весьма схожи с теми, которые используются при испытаниях.

Основное отличие от контроля при испытаниях в том, что, как правило, вопрос ставится о возможности дальнейшего использования данной конк-ретной детали, и только изредка деталей такого типа вообще.

2.2. Вероятностные подходы к диагностике и контролю

В настоящем разделе будут рассмотрены некоторые теоретические аспекты технической диагностики.

Теоретически, основной задачей технической диагностики является рас-познавание состояния технической системы в условиях ограниченной информации.

Анализ состояния проводится в условиях эксплуатации, при которых получение информации затруднено. Часто по имеющейся информации нет возможности сделать однозначное заключение и приходится использовать статические методы.

Теоретическим фундаментом решения основной задачи технической диагностики является теория распознавания образов. Эта теория является разделом технической кибернетики и занимается распознаванием образов любой природы: геометрических, звуковых и т.д.

Алгоритмы распознавания в технической диагностике частично осно-вываются на диагностических моделях, устанавливающих связь между состояниями технической системы и его отображением в пространстве диагностических сигналов. Важной частью являются правила принятия решений ("решающие правила").

Решение диагностической задачи - отнесение изделия к работоспособ-ным или неработоспособным всегда связано с риском "ложной тревоги" или "пропуска цели" (термины взяты из радиолокации, где эти методы были впервые применены).

Решение задач технической диагностики связано с прогнозированием надежности до следующего осмотра и базируются на "моделях отказов", изучаемых в теории надежности.

Другим крупным разделом технической диагностики является теория контролеспособности. Контролеспособность - свойство изделия обеспечи-вать достоверную оценку его технического состояния и раннее обнаружение неисправностей и отказов.

Структура технической диагностики приведена на рис.2.2.

2.2.1. Постановка задач технической диагностики

Рассмотрим типичную ситуацию. Нужно определить состояние шлице-вого соединения валов редуктора в эксплуатационных условиях. Разобрать нельзя. Выводы нужно сделать по косвенным признакам.Неисправность шлицевого соединения может повлиять на колебания корпуса редуктора, акустические колебания, содержание железа в масле и т.д.

Задача технической диагностики - определение износа шлицов по набо-ру косвенных признаков.

Распознавание состояния - отнесение состояния системы к одному из возможных классов. В простейшем случае их два: исправен -неисправен. Но в большинстве случаев несколько. В нашем случае может быть отсутст-вие износа, нормальный износ, повышенный износ, недопустимый износ - необходима остановка редуктора и ремонт.

Совокупность последовательных действий распознавания называется ал-горитмом распознавания. Существенной частью распознавания является вы- бор параметров распознавания, описывающих состояние системы. Они должны быть как можно более информативны.

Например, в нашем случае вибрации корпуса информативны, а темпера-тура масла на выходе - нет.

Математическая постановка задачи

Состояние системы описывается комплексом признаков

где - признак, имеющий разрядов.

Например, - трехразрядный признак - температура газа за турби-ной: пониженная, нормальная, повышенная. Каждый разряд - интерал при-знака обозначается . Например: пониженная , нормальная - , повышенная . Фактическое - наблюдаемое состояние (отмечается зна-ком ) соответствует определенной реализации признака, например

В общем, каждый экземпляр системы соответствует некоторой реализа-ции комплекса признаков: .

Во многих алгоритмах удобно характеризовать систему непрерывными параметрами , образующими n - мерный вектор, или точку в n - мерном пространстве.

.

Параметры и имеют определенное соответствие. Пусть та же температура за турбиной:

мала (<450°),

в норме (450° - 550°),

высока (>550°),

в этом случае соответствует . При непрерывном описании тре-буется больше информации, но результат получается более точным.

Ясно, что принципиальных отличий между двумя способами описаний нет.

В задачах технической диагностики возможные состояния системы - диагнозы считаются известными (известен их набор, но не какой кон-кретно имеет место).

Существуют два основных подхода к задаче распознавания: вероятност-ный и детерминистический.

При вероятностном подходе постановка задачи следующая:

Имеется система, которая находится в одном из случайных состоя-ний . Известна совокупность параметров или , каждый из кото-рых с определенной вероятностью характеризует состояние системы. Тре-буется построить решающее правило, с помощью которого предъявленная совокупность признаков была бы отнесена к одному из состояний (диаг-нозов). Желательно также оценить достоверность принятого решения и степень риска ошибочного решения.

При детерминистическом подходе удобно сформулировать задачу на геометрическом языке. Если система характеризуется n - мерным вектором , то любое состояние системы представляет собой точку в n - мерном пространстве параметров (признаков). Предполагается, что диагноз соот-ветствует некоторой области рассматриваемого пространства признаков. Требуется найти решающее правило, в соответствии с которым предъявлен-ный вектор (диагностический объект) будет отнесен к определенной области диагноза. То есть задача сводится к разделению пространства приз-наков на области диагнозов. В нашем примере с редуктором - он неиспра-вен, если:

Шум свыше А_ш,

вибрации свыше А_в,

или

стружка в масле.

Если этого нет, он работоспособен (рис.2.3.).

При детерминистическом подходе области диагнозов считаются непересекающимися. (Если вероятность одного диагноза = 1, то остальных 0.)

Вероятностные методы более общие, но требуют больше информации. Детерминистические проще, понятнее, но грубее. Однако принципиальных отличий между ними нет.

Мы рассмотрим всего один статистический метод распознавания - "Метод Байеса". Он является наиболее распространенным и дает общее понятие о подходах.

Статистические методы распознавания

Повторим постановку задачи распознавания в вероятностном варианте.

Имеется система, которая находится в одном из случайных состояний . Известна совокупность признаков (параметров), каждый из которых с определенной вероятностью характеризует состояние системы. Требуется построить решающее правило, с помощью которого предъявляемая совокупность признаков относится к одному из возможных состояний (диагнозов). Желательно также оценить достоверность принятого решения и степень риска ошибки.

2.2.2. Метод Байеса

Этот метод занимает особое место, благодаря своей простоте и эффективности. Недостатками являются большой объем предварительной информации и угнетение редко встречающихся диагнозов. Однако, если статических данных достаточно, целесообразно использовать именно его.

1. Основы метода

Метод основан на формуле Байеса.

Если имеется диагноз и простой признак , встречающийся при этом диагнозе, то вероятность совместного появления событий (наличие состояния и признака )

(1)

Из этого признака вытекает формула Байеса

. (2)

Здесь:

- вероятность диагноза - ,определяемая по статистическим дан-ным (априорная вероятность диагноза). Если обследовано - объектов и у - диагноз , то

. (3)

- вероятность появления признака у объекта с состоянием . Если у объектов среди , имеющих состояние проявился признак , то

(4)

- вероятность проявления признака среди всех объектов неза-висимо от их состояния (диагноза). Из общего числа - объектов имеет признак

. (5)

Для установления диагноза специальное вычисление не требуется. Значения и , известные для всех возможных состояний, определяют величину , .

В равенстве (2) - вероятность диагноза после того как у объекта обнаружен признак - называется апостериорной вероятностью диагноза.

Пример: На основании большого опыта мы знаем, что у 50% автомобилей неисправен (плохо отрегулирован) карбюратор. =0,5. При неисправности карбюратора 40% машин тратит слишком много горючего = 0,4. Из всего парка автомобилей перерасход отмечен у 30% = 0,3. Тогда по (2), если мы отмечаем перерасход горючего, вероят-ность неисправности карбюратора

.

2. Обобщенная формула Байеса

Эта формула относится к случаю, когда обследование проводится по комплексу признаков , включающему признаки . Каждый из признаков имеет разрядов . В результате обследова-ния становится известной реализация признака

. (6)

и всего комплекса признаков . (Индекс * значит конкретное значение (реализацию) признака).

Формула Байеса для комплекса признаков имеет вид:

, (7)

где - вероятность диагноза после того, как стали известны результаты обследования по комплексу признаков ;

- предварительная вероятность диагноза по всей предшествующей статистике.

Формула (7) относится к любому из состояний системы. Предполагается, что система находится только в одном из этих состояний, поэтому

. (8)

На практике возможно существование нескольких состояний

причем некоторые могут встречаться в комбинации друг с другом. Тогда в качестве диагнозов следует рассматривать как отдельные состояния,

,

так и их сочетания и т.д.

Определим . Если комплекс признаков состоит из призна-ков, то

(9)

где - разряд признака, выявившийся в результате обследования.

Для диагностически независимых признаков

(10)

На практике в основном так и принимают, пренебрегая даже существенными коррелляциями.

Вероятность появления комплекса признаков

. (11)

Таким образом, обобщенная формула Байеса может быть записана в виде

(12)

где берется из (9) или (10).

Если мы просуммируем по до то из (12)

. (13)

Что очевидно, так как в каком-то из состояний система находится, а в двух сразу она находиться не может.

Отметим, что знаменатель формулы Байеса одинаков для всех диагно-зов. Это позволяет сначала определить вероятности совместного появления -го диагноза и данной реализации комплекса признаков.

, (14)

и затем апостериорную вероятность диагноза

. (15)

Иногда целесообразно использовать предварительное логарифмирование (12) т.к. (10) содержит произведение малых величин.

Если реализация некоторого комплекса признаков является детер-минирующей для диагноза , то этот комплекс не встречается при дру-гих диагнозах:

Тогда из (12)

То есть детерминистическая логика установления диагноза является частным случаем вероятностной логики.

3. Диагностическая матрица

Для определения вероятности диагнозов по методу Байеса необходимо составить диагностическую матрицу, которая формируется на основании предварительного статистического материала.

Вид диагностической матрицы

Таблица 2.1.

Диагноз	Признак kj	P(Di)
Di	k1	k2	k3
	P(k11/Di)	P(k12/Di)	P(k13/Di)	P(k21/Di)	P(k22/Di	P(k23/Di	P(k24/Di	P(k31/Di)	P(k32/Di
D1	0.8	0.2		0.1	0.1	0.6	0.2	0.2	0.8	0.3
D2	0.1	0.7	0.2			0.3	0.7	0.1	0.9	0.1
...	...	...	...	...	...	...	...	...	...	...

Если признак двухразрядный

Пример

Пусть при наблюдении за газотурбинным двигателем проверяются два признака: - повышение температуры газа за турбиной более, чем на 50° и - увеличение времени выхода на максимальную частоту вращения более, чем на 5 с.

Предположим, что это может быть связано либо с неисправностью регу-лятора топлива (состояние ), либо с увеличением радиального зазора в турбине (состояние ). При нормальном состоянии двигателя (состояние ) признак не наблюдается, а признак наблюдается в 5% случаев. Из статистических данных известно, что 80% двигателей вырабатывают ре-сурс в нормальном состоянии, 5% имеют состояние и 15% состояние . Известно также, что признак встречается при состоянии в 20%, а при состоянии в 40% случаев. Признак при в 30%, при в 50%.

Di	P(k1/Di)	P(k2/Di)	P(Di)
D1	0.2	0.3	0.05
D2	0.4	0.5	0.15
D3		0.05	0.8

Если обнаружены оба признака, то по (12)

Аналогично

Теперь, если температура не повышена ( отсутствует), но время уве-личено ( наблюдается).

Отсутствие - наличие противоположного признака , причем

Опять применяем (12), но вместо ставим

Аналогично

Теперь если оба признака отсутствуют

То есть при наличии и с вероятностью 0,91 состояние -увеличе-ние зазора. При отсутствии обоих признаков наиболее вероятно нормаль-ное состояние (0,92). При наличии и отсутствии , вероятности сос-тояний и примерно одинаковы (0,46 и 0,41) и для уточнения необходимы дополнительные обследования.

4. Решающее правило

Решающее правило - правило, в соответствии с которым принимается решение о диагнозе. В методе Байеса объект с комплексом признаков относят к диагнозу с наибольшей апостериорной вероятностью.

, если (19)

Правило (19) обычно уточняется введением порогового значения вероят-ности диагноза . Обычно . Если требуется сбор дополнительной информации.

3. ТИПИЧНЫЕ СЛУЧАИ ПОТЕРИ РАБОТОСПОСОБНОСТИ

3.1. Понятие наиболее ответственной детали

Авиационный двигатель является сложной конструкцией, состоящей из десятков тысяч компонентов. Очевидно, что проконтролировать каждый из них невозможно, поэтому необходимо выбрать часть деталей, которые обычно называют наиболее ответственными.

Наиболее ответственные детали можно определить как детали, разрушение которых приводит или может привести к гибели самолета. В качестве ограничения может быть использован критерий, заключающийся в том, чтобы вероятность разрушения детали не была пренебрежительно малой. Это требование эквивалентно выбору деталей, работающих в достаточно тяжелых условиях.

К наиболее ответственным деталям обычно относят диски компрессора и турбины, лопатки компрессора, корпус камеры сгорания и вал. Все эти детали работают в условиях высоких или повышенных температур и значительных переменных нагрузок. Причем снижение температур крайне нежелательно, так как ведет к потере к.п.д. двигателя, а снижение нагрузок к его утяжелению.

3.2. Типичные случаи разрушения деталей

Чтобы сделать более понятным дальнейшее изложение, имеет смысл привести зависимости числа оборотов и имеющих тот же характер нагрузок и температур двигателя от времени в процессе полета.

Из рисунков 3.1 видно, что для гражданского самолета один полет соответствует одному циклу силового и (или) температурного нагружения деталей.

Для военного самолета один полет может соответствовать нескольким циклам.

3.2.1. Разрушение лопаток компрессора

В процессе работы лопатки компрессора подвергаются статическим нагрузкам вследствие центробежных сил, повторно-статическим (малоцикловым) нагрузкам при запусках и смене режимов двигателя, высокочастотным изгибным нагрузкам, амплитуда которых резко возрастает при разного рода нерасчетных режимах работы. Температура лопаток компрессора может меняться от отрицательных значений до нескольких сотен градусов Цельсия для последних ступеней, близких к камере сгорания. Кроме того, возможно попадание в компрессор посторонних предметов (птиц, мелких камешков) и абразивных частиц.

Таким образом, возможны следующие виды разрушений:

1. Малоцикловое разрушение, возникающее после нескольких сотен или тысяч циклов нагружения. Как правило, число циклов нагружения соответствует числу полетов (чисто статическое разрушение практически никогда не встречается). Наличие малоциклового разрушения чаще всего свидетельствует об ошибках, допущенных при проектировании или изготовлении лопатки. Это могут быть излишне острые концентраторы напряжений, дефекты материала, отклонения при проведении термической обработки, риски на поверхности, растягивающие остаточные напряжения и т.д.

2. Многоцикловое разрушение, возникающее под действием высокочас-тотного изгибного нагружения. Такой тип разрушения часто свидетельствует о недостатках при проектировании компрессора или работе двигателя на нерасчетных режимах.

3. Повреждение лопаток при попадании в двигатель посторонних пред-метов, что может привести к ударному разрушению лопаток, либо к росту усталостных трещин от возникших забоин. Возникновение трещин возмож-но также вследствие эррозионного износа.

4. В замковой части лопаток возможны явления фреттинга - разрушения поверхности, возникающее при трении деталей. Имели случаи задевания лопаток за корпус двигателя (уплотнитель). При этом возможно разрушение лопаток или их возгорание, если они сделаны из сплавов титана.

Разрушение одной лопатки, если оно не привело к разрушению других, снижает характеристики двигателя. Разрушение нескольких лопаток выво-дит его из строя. Небольшие по размерам лопатки последних ступеней компрессора, как правило, не покидают пределов двигателя (так называемое локализованное разрушение), однако, крупные лопатки вентилятора или первых ступеней компрессора, а они достигают метрового и более размера, способны пробить защитный кожух и вызвать разрушение других систем самолета.

3.2.2. Разрушение дисков компрессора

Основным видом нагружения дисков компрессора является повторно - статическое или малоцикловое. Возможно малоамплитудное высокочастотное нагружение и наложение этих видов нагружения. Трещины, в основном, возникают от разного рода концентраторов: посадочных пазов лопаток, отверстий, галтелей и т.д. Одной из причин, вызывающих разрушение диска, может стать фреттинг в результате трения замков лопаток о материал пазов диска. Диски компрессора являются наиболее массивными частями двигате-ля. Большие усилия направляются на их облегчение, которое часто сопро-вождается ростом нагруженности металла. Применяются все более прочные, а следовательно, и более хрупкие сплавы. В какой-то степени это возмеща-ется совершенствованием методов расчета напряженного состояния, однако, уже имеются случаи катастрофического разрушения в процессе испытаний при возникновении усталостной трещины глубиной менее миллиметра. Фактически это означает, что обнаружить такую трещину можно только при разборке двигателя. Она не может быть обнаружена в полете по увели-чению вибраций и ее не заметят при межполетных осмотрах.

Причиной разрушения диска может быть также какой-либо металлурги-ческий или технологический дефект: несплошность, заков, нарушение в режиме термической обработки, риски от механической обработки, растя-гивающие остаточные напряжения на поверхности, альфирование, то есть насыщение поверхности кислородом или азотом, наводороживание, при-жег и т.д.

Следует отметить, что разрушение диска в силу большой массы и огромной скорости разлетающихся обломков не может быть локализовано и эти обломки чаще всего наносят самолету критические повреждения. Поэтому диск контролируется в процессе изготовления многократно и самыми разными способами. Тем не менее, бывают случаи разрушения. Рассмотрим в качестве примера один из них.

При сдаточных испытаниях на стенде разрушился диск компрессора из титанового сплава ВТ8 (рис.3.2). Обломки диска пробили корпус двигателя. Один из них попал в корпус редуктора, сделанный из магниевого сплава, что вызвало его загорание. В результате сгорел двигатель и в значительной степени стенд. Диск разрушился на две части. Анализ излома показал, что трещина шла от центральной части диска, где не было никаких отверстий, выступов или других концентраторов.

Более внимательное исследование места зарождения трещины показало, что там имеется участок металла с множественным растрескиванием (рис.3.2,б). От него идет усталостная трещина, которая затем переходит в долом, пересекающий диск. Химический анализ металла очага показал, что в нем имеется очень высокое содержание азота и кислорода.

Рис.3.2.Схема разрушения диска при испытаниях

а-общий вид,

б-место зарождения трещины

Проследим теперь путь этого дефекта и постараемся понять, почему он не был обнаружен при контроле в процессе производства.

Кусочек металла, насыщенный азотом, попал в слиток при его выплавке из титанового лома. Это мог быть кусочек азотированной или окисленной с поверхности детали, или какое-то органическое включение. Например, кусочек промасленной ветоши. В расплавленном металле кислород и азот продиффундировали, создав участок металла, охрупченный, но без трещин. Так как трещин не было, УЗК слитка и шайбы дефекта не выявляли. Далее была осуществлена ковка заготовки, в процессе которой дефект был раскле-пан и принял "блинообразную форму". И вновь трещин нет, отличие по удельному весу маленькое, ни УЗК, ни рентген не реагируют. При механи-ческой обработке дефект на поверхность не вышел и поэтому не мог быть выявлен при контроле прижогов и ЛЮМ контроле. В результате такого совпадения разных обстоятельств дефектный диск был установлен в двига-тель и, к счастью, на тот двигатель из серии, который подвергался сдаточ-ным испытаниям.

По результатам анализа этого разрушения с эксплуатации были сняты все диски, изготовленные из металла данной плавки, то есть из слитка.

3.2.3. Разрушение лопаток и дисков турбины

Детали ротора турбины могут подвергнуться тем же видам разрушения, что и детали ротора компрессора. Возможны разрушения, связанные с тех-нологическими факторами, качеством литья или выращивания монокрис-таллов. Материал лопаток турбины имеет малую пластичность при низких температурах, поэтому он очень чувствителен к термическим напряжениям при литье и термической обработке.

Однако более характерными для лопаток турбин являются разрушения, связанные с их высокой температурой и термической усталостью.

Ряд неисправностей двигателя связан с повышением температуры на турбине, что ведет к перегреву лопаток. Перегрев - это такое повышение температуры, какое ведет к снижению свойств материала. Перегрев, даже если нет внешних изменений, может привести к структурным изменениям металла.

Наиболее характерными внешними признаками перегрева являются:

1. Обгорание концов пера лопатки.

2. Вытяжка лопаток.

3. Трещины ползучести.

4. Повышенная степень окисления пера лопаток.

На лопатках соплового аппарата турбины внешние признаки:

1. Растрескивание входных и выходных кромок.

2. Прогары кромок.

3. Повышенная степень окисления.

Следует отметить, что каждый из признаков в отдельности может быть вызван и другими причинами, например, завышенными оборотами или низкими характеристиками ползучести отдельных лопаток.

3.2.4. Разрушение корпусов камер сгорания и деталей

системы топливоподачи двигателя

Наиболее частым местом разрушения камер сгорания и систем топли-воподачи двигателя бывают сварные или паяные швы, которые являются слабым местом любой конструкции. Причин разрушения сварных швов бывает две. Первая - некачественное выполнение сварочных операций: непровары, пористость, высокие остаточные напряжения, водородные трещины и т.п. Вторая причина - возникновение в зоне швов высоких циклических или статических напряжений, что являетсяошибкой констру-ирования. Возможны также эксплуатационные повреждения из-за наруше-ия режимов работы двигателя.

Дата добавления: 2015-11-14