Диагностика самолетов
Прочие
Диагностика самолетов

Диагностика самолетов

 

Определение объемов и периодичности диагностики

Объем и технология контроля во многом зависят от методов эксплуатации АТ - по ресурсу, по состоянию и комбинированный.

Если эксплуатация осуществляется по состоянию, то планируются периодические контрольно-проверочные работы, по результатам которых принимается решение о дальнейшей эксплуатации. При совмещенном методе эксплуатации часть элементов объекта эксплуатируется по техническому состоянию, остальные - по ресурсу. Только от 60 до 75 % агрегатов и систем современной авиационной техники удается перевести на эксплуатацию по состоянию (опыт авиакомпаний «ПАН Америкен», «Эйр Канада» и пр.). Поэтому комбинированный метод эксплуатации в настоящее время является основным.

Переход на эксплуатацию по техническому состоянию и на комбинированный метод эксплуатации способствует повышению уровня надежности ВС благодаря внедрению наиболее тщательного контроля значительно большего числа деталей ОК в условиях эксплуатации и ремонта. При этом существенно увеличивается доля деталей, состояние материала которых определяется методами дефектоскопии.

Порядок проведения работ по техническому обслуживанию и контролю определяется типом ВС и может быть разным. Однако в программах технического обслуживания объектов осуществляются некоторые общие принципы использования средств дефектоскопии. Рассмотрим основные из них. Частые проверки предполагается выполнять визуально. Для проверок с большим межконтрольным периодом используются инструментальные средства.

В качестве примера можно привести организацию НК самолетов типа В-707. На начальном этапе эксплуатации часть нагруженных элементов планера проверялась методами дефектоскопии через 3000 ч. Через 12 500 ч (5 лет эксплуатации) контролировались все сильно нагруженые элементы с оценкой состояния свойств материала. Следующий такой контроль осуществлялся уже через 6500 ч (через 3 года после первого тщательного контроля при общей наработке 19000 ч). После наработки самолетом 25000 ч (через 10 лет эксплуатации) выполняли полный контроль материалов всех ответственных элементов с проведением контроля методами дефектоскопии. При возрастании наработки и возникновении усталостных трещин и коррозии межконтрольные интервалы уменьшают. Детали и узлы конструкций с одинаковыми графиками контроля условно объединяют в группы.

Для реализации этих принципов определения периодичности контроля необходимо знать вероятность появления дефектов в критических деталях в разные временные промежутки эксплуатации ВС и скорость развития дефектов. Так, если дефект обнаруживается в большом количестве экземпляров при значительной наработке, то необходимо существенно изменить сроки и периодичность контроля.

Работы по контролю и диагностике основная функция лабораторий НК предприятий. Информация, которую собирает лаборатория, используется для формирования предложений относительно дальнейшей эксплуатации. Такая информация необходима также для корректирования систем технического обслуживания и ремонта. Наиболее объективное корректирование системы обеспечивается при детальном анализе получаемой статистической информации.

 

Экспертно-технологические системы диагностики

Техническая диагностика, основанная на методах дефектоскопии - надежный индикатор безопасности. Получение данных о показателе качества, свойствах и характеристиках материала ОК связано с большим объемом информации. В мировой практике выделяются экспертные системы, для обслуживания которых объемы информации минимизируются, а вероятность правильных решений увеличивается.

Рассмотрим тенденции и перспективы оценки технического состояния авиационных конструкций в процессе их обслуживания, ремонта и эксплуатации. Разработки таких систем разделяются на пять основных направлений.

  • Первое - применение средств неразрушающего контроля элементов, деталей, узлов, систем воздушного судна.

  • Второе - разработка методологии определения физическими методами неразрушающего контроля напряженно-деформированного состояния объектов диагностирования.

  • Третье - создание методик тестового диагностирования конструкции ВС, основанных на методах НК.

  • Четвертое - построение систем мониторинга на базе разработок методов и средств контроля конкретных изделий.

  • Пятое - обоснование принципов оценки результатов неразрушающего контроля при сертификации АТ.

Рассмотрим каждое из указанных направлений.

  • 1.  Обосновывается методика выбора методов НК деталей и узлов ВС. Методика базируется на выявлении трещин критических размеров и определении параметра формы дефекта, которые закладывают в контрольные образцы, и на обработке сигналов от датчиков первичной информации средств НК.

Учитывая, что при контроле деталей авиационной техники обычно используют ручной контроль, применяют документальную регистрацию координат и размеров выявленных дефектов и компьютерную обработку результатов.

  • 2.  Учитываются и изучаются факторы, влияющие на напряженно-деформированное состояние и усталостную прочность, а также разрабатываются эффективные методы и средства их определения. Структурная неоднородность влияет на концентрацию напряжений, прочность, коррозионную стойкость, пластичность, герметичность, износостойкость и т. п. Дефекты сварных соединений играют роль надрезов, ослабляют сечение, создают концентрацию напряжений и объемность напряженного состояния. Установлено, что при вибрационных нагрузках даже небольшие дефекты заметно влияют на усталостную прочность материала. Дефект представляет тем большую опасность, чем меньше радиус закругления его вершины и чем больше его размеры. Пластичность материала оказывается достаточной, чтобы приостановить рост напряжений в

местах их концентрации до тех пор, пока средние напряжения в ослабленном сечении не достигнут предела текучести.

Исследования показали, что повышенная хрупкость стали может быть следствием старения в процессе деформирования растяжением при температуре 100-500 °С. Наклеп и обусловленное им старение значительно увеличивают хрупкость стали и сдвигают порог номинальной прочности в сторону положительных температур.

Дополнительными причинами разрушений при рабочих напряжениях являются остаточные напряжения, возникающие в процессе сварки и сборки вследствие неравномерного распределения температуры и возникновения силового воздействия на расширяющийся при нагревании металл со стороны окружающего более холодного металла. При определенном сочетании неравномерного распределения температур и жесткости объекта развивающиеся механические напряжения достигают предела текучести материала, что сопровождается его пластическим деформированием. Остаточные напряжения также оказывают влияние на склонность материала и сварных соединений к хрупкому разрушению. Однако сжимающее напряжение является барьером на пути движущейся трещины.

Характер распределения напряжений можно установить следующими методами: поляризационно-оптическим, хрупких покрытий, магнито-упругим, вихре-токовым. Для этого создана гамма индикаторов и приборов для определения напряженно-деформированного состояния. Физико-механические свойства поверхности изделий из сталей аустенитного и аустенитно-ферритного классов определяют с помощью вихре-токовых приборов, работающих на повышенных частотах (100 400 МГц).

На основе многолетнего опыта проведения дефектоскопии сварных соединений и определения напряженно-деформированного состояния сварных конструкций, а также теоретического обобщения закономерностей напряжений около дефектов стыковых сварных соединений в зависимости от их расположения в шве и упругих характеристик шва и основного металла при различных видах нагружения разработана методология определения коэффициентов концентрации напряжений в вершинах дефектов по результатам неразрушающего контроля трубчатых конструкций, сосудов и аппаратов. Принцип определения коэффициентов концентрации напряжений основан на применении количественных критериев оценки дефектов - размеров критической трещины и параметров формы дефекта, - а также корреляционных зависимостей между коэффициентом концентрации напряжений и параметрами (амплитудой, фазой и т.п.) сигналов, которые выдают средства неразрушающего контроля.

Реализация аналитических методов прогнозирования долговечности объектов диагностирования возможна при наличии экспериментальных данных о реальном состоянии объекта контроля.

  • 3.  Целью третьего направления является разработка методики тестового диагностирования изделий при их эксплуатации. В основу методики положены требования нормативно-технической документации, корреляционные связи между напряженным состоянием, размерами и видом дефектов. Разработанная система тестового диагностирования включает следующие блоки: характеристики объекта диагностирования; формализованная модель объекта; формализованные модели дефектов; математическая модель системы и алгоритма диагностирования; аппаратурное обеспечение системы. Определение количественных значений показателей, применяемых при оценке технического состояния, осуществляют с помощью комплексной системы контроля, созданной для конкретного объекта диагностирования. Например, для сосуда - состояние основного металла и металла сварного соединения, коррозионные и коррозионно-эрозионные повреждения, размеры корпуса и толщины стенок, наличие утечек, места их расположения, величина и характер распределения напряженно-деформированного состояния; наличие трещин в пределах чувствительности средств контроля. Математическая модель обработки диагностических данных строится на базовой матрице. Ее элементами являются признаки и идентификаторы ряда напряжений и дефектов, упорядоченных согласно иерархической структуре сосуда кодовыми обозначениями элементов.

При построении алгоритма функционирования системы технической диагностики конкретной задачи, в основном, используют детерминированные и логические диагностические признаки. Методологические принципы системы диагностики заключаются в сборе данных об отказах в процессе эксплуатации, регистрации в технологических картах диагностируемых параметров в процессе работы объекта диагностики с заданным режимом нагружения. Упомянутые данные получают средствами встроенного контроля или во время периодических дефектоскопических обследований, визуально-оптическим контролем и измерениями. Показатели технического состояния элементов конструкции определяют после вывода ее из технологического цикла. В дальнейшем проводится обработка полученной информации, анализ и принятие решений. Идентификация дефектов и повреждений производится на основании требований нормативной документации.

  • 4.  Контроль технического состояния механических систем, работающих в агрессивных средах, обеспечивает система двухуровневого мониторинга. В качестве основы мониторинга используют тестовое диагностирование на стадии изготовления и эксплуатации системы. Если учитываются функциональные связи между конструктивными частями системы, формализованная модель - это «механическая система модуль - узел - элемент». Такая четырехуровневая модель позволяет достаточно полно проводить мониторинг в соответствии со структурно-иерархической схемой. Все составные векторы технического состояния системы сгруппированы в 4 параметра и 18 подпараметров. Их определяют средствами НК во время дефектоскопического обследования, преобразуют с помощью формул в признаки и вводят в компьютер для обработки в соответствии с разработанным алгоритмом. Используя статистические величины, вычисляют отдельно показатели состояния составляющих единиц системы и сравнивают их с предварительными нормативно-допустимы- ми (номинальными) либо наибольшими значениями. Величина отклонений необходима для прогнозирования остаточного ресурса исходя из критериев трещино-стойкости, прочности, коррозионной стойкости, изменения геометрии и т. п. После вычисления и сравнения показателей признаков принимают решение по устранению отрицательных изменений в элементах, объему ремонтно-восстановительных работ механической системы. Для автоматизации операций наблюдения и оперативного управления по устранению последствий придерживаются такой последовательности построения: разработка формализованной и математической модели системы; разработка алгоритма диагностирования; аппаратурное обеспечение системы контроля. Ее реализация на производстве - автоматизированное рабочее место механика (оператора) участка.

  • 5.  С переходом на рыночную экономику возникла необходимость в проведении сертификации продукции и систем качества. Одной из функций системы качества на предприятии является техническое диагностирование. Для проведения работ по сертификации систем качества и аттестации персонала по технической диагностике создают независимые органы - аттестационные и экспертные центры. Аттестация специалистов проводится в соответствии с требованиями европейских стандартов.

Центры определяют принципы оценки уровня качества, разрабатывают правила сертификации методик и нормативных документов, аккредитации подразделений НК и технической диагностики. Принципы оценки НК и технической диагностики заключаются в проверке: нормативно-технической документации для всех видов (методов) контроля, которые применяются на предприятии; организационной структуры служб контроля; степени участия конструкторов и технологов в выборе и назначении методов контроля и диагностирования; применяемых технологий и средств их изменений; квалификации и полномочий специалистов по НК и дефектоскопии; метрологического обеспечения контроля; наличия документации на рабочем месте; критериев приемки (отбраковки); оформления результатов контроля; состояния рабочих мест и участков контроля.

Рассмотренные подходы реализованы в авиационных правилах и успешно применяются при проведении сертификационных работ на предприятиях, выпускающих, эксплуатирующих, обслуживающих и ремонтирующих авиационную технику.

Как показывает практика эксплуатации, значительная часть отказов элементов авиационных конструкций обусловлена трещино-подобными повреждениями - забоинами, усталостными трещинами, коррозионным растрескиванием, эрозией и т. п. Применительно к авиационным двигателям таким повреждениям подвержены ответственные элементы конструкции роторной части - рабочие лопатки компрессоров и турбин. Поэтому одной из важных проблем комплексной диагностики ГТД является определение ТС лопаток в процессе функционирования двигателя и выявление трещино-подобных повреждений на ранней стадии их развития. Это позволит значительно уменьшить вероятность разрушения лопаток при эксплуатации ГТД. К одним из наиболее эффективных и перспективных методов решения проблемы выявления трещино-подобных повреждений лопаток ГТД на стационарных и нестационарных эксплуатационных режимах относятся методы вибрационной и вибро-акустической диагностики.

Вибрационная и вибро-акустическая диагностика - это направления технической диагностики, которые в качестве диагностической информации используют разные колебательные процессы: механические колебания, переменные (динамические) деформации, акустические колебания в твердых, жидких и газовых средах.

Вибрационный и вибро-акустический контроль ТС двигателя является одним из важнейших направлений в общей системе технической диагностики ГТД и имеет ряд преимуществ по сравнению с другими методами. Методы вибрационной и вибро-акустической диагностики обеспечивают оценку ТС вращающихся элементов двигателя за счет обработки информации о колебательных процессах, протекающих при функционировании ГТД. Появление и распространение акустических и механических колебаний обусловлено эксплуатационными динамическими нагрузками. Параметры таких колебаний зависят как от характеристик вибрационных возмущений, так и от характеристик вибро-акустического канала, расположенного между источником возбуждения и точкой приема информации, т. е. от состояния объекта диагностики.

Применение методов виброакустической диагностики открывает принципиальную возможность более раннего выявления и предупреждения развития дефектов по сравнению с другими методами, а также исключения случаев необоснованного снятия двигателя с эксплуатации. Использованию методов и средств вибро-акустической диагностики ГТД способствует высокая информативность вибрационных и акустических сигналов, простота их превращения в электрические сигналы, возможность применения данных методов без демонтажа двигателя в условиях эксплуатации, а также широкие возможности автоматизации всего процесса диагностирования.

Вибрационная и вибро-акустическая диагностика ГТД является довольно эффективной. Использование бортовых средств контроля вибраций позволяет обнаружить около 35 % всех неисправностей, которые случаются при эксплуатации: износ деталей, нарушения сносности валов, разрушение подшипников опор роторов, разрушение лопаток компрессоров и турбин, разрушение зубчатых передач и пр.

Одними из наиболее теоретически исследованных и распространенных на практике методов вибрационной и вибро-акустической диагностики элементов конструкций являются низкочастотные методы свободных и вынужденных колебаний (0-25 кГц). Данные методы заключаются в возбуждении свободно затухающих или резонансных вынужденных колебаний объекта диагностики (ОД) и дальнейшем анализе их параметров и характеристик. Для диагностики используются интегральные и локальные варианты методов, при которых анализируются колебания ОД как единого целого, так и отдельной его части.

Следует отметить, что эксплуатация ГТД сопровождается вынужденными и резонансными колебаниями его отдельных агрегатов, узлов и деталей. Именно поэтому большинство неисправностей, которые возникают в двигателях при их эксплуатации, или непосредственно вызываются колебаниями, или же влияют на них.

Применение методов вибрационной и вибро-акустической диагностики к ГТД обеспечивает решения следующих групп задач:

  • на этапе эксплуатации, в процессе стендовых испытаний и при доводке двигателя обеспечивается оценка технического состояния двигателя и его элементов, а также выявление неисправностей в начале их развития;

  • на всех этапах производства и эксплуатации проводится определение вибрационного состояния двигателя и его элементов (оценка совокупности параметров, которые характеризуют вибрацию двигателя и его отдельных агрегатов, узлов и деталей на определенном множестве режимов и условий эксплуатации) для предупреждения неисправностей, которые вызываются колебаниями.

В последнем случае обеспечивается оценка и прогнозирование динамической нагрузки конструкции, определение опасных действий на элементы конструкции и их опасных колебаний, оценка факторов, которые влияют на колебания, определение и прогнозирование устойчивости элементов конструкции двигателя к возбуждаемым колебаниям, распознавание вибрационных процессов и идентификация двигателя как динамической системы.

Эффективность данных методов диагностики подтверждается их широким применением для определения широкого круга неисправностей. Это неуравновешенность вращающихся деталей, выявление дефектов опор роторов, зубчатых передач, насосов, повреждений лопаток рабочих колес, износа элементов конструкции, повышенных пульсаций давления в проточной части, вибрационного горения. В условиях эксплуатации контроль роторной вибрации обеспечивает более высокую эффективность определения неисправностей (приблизительно в 7 раз) по сравнению с методами, которые базируются на контроле параметров и физико-механических характеристик двигателя.

Анализ особенностей генерирования в ГТД вибраций и акустического шума, а также анализ информационных свойств их спектров показал, что спектры вибраций (вибро-скорости) и шума достаточно широко используются для определения состояния ГТД и диагностики многих дефектов и повреждений. Однако есть множество факторов, обусловливающих значительные трудности при выделении и трактовке информативных диагностических признаков на основе анализа спектров вибрации и шума. Главным среди них является низкая чувствительность спектров - обобщенной энергетической характеристики вибрации ГТД - к зарождению и развитию трещино-подобных повреждений в конструктивных элементах двигателя. Зарождающиеся и начальные повреждения приводят к появлению в измеренных вибрационных и вибро-акустических сигналах, составляющих с малой колебательной энергией, которые практически не выделяются традиционными методами спектрального анализа.

На сегодняшний день исследования проблемы диагностирования трещино-подобных повреждений лопаток ГТД в основном сосредоточены в направлении определения влияния повреждения типа усталостной трещины на свободные и резонансные колебания лопатки при стационарном гармоническом возбуждении. В реальных условиях авиационные двигатели эксплуатируются на нестационарных режимах (запуск, быстрый набор высоты, снижение и др.). Нестационарные режимы работы двигателя являются более информативными с точки зрения наличия в них максимальных изменений спектров вибраций и шума, а режим изменения частоты вращения ротора при разгоне или выбеге двигателя обусловливает вибрационное возбуждение лопаток высшими гармониками частоты вращения ротора.

Следует отметить, что использование нестационарных режимов нашло свое отражение при разработке нового метода параметрической диагностики газотурбинных двигателей. Такие режимы целесообразно использовать для диагностики повреждений лопаток. Однако для диагностики повреждений необходимо располагать адекватной структурно-функциональной моделью двигателя, которая должна отражать его состояния с трещино-подобным повреждением в лопатке рабочего колеса и без такого повреждения, а также обеспечивать формирование вибро-акустических каналов, связывающих источник вибрационного возбуждения на указанных режимах с реакцией соответствующего рабочего колеса и двигателя в целом.

.

Лучшее в мире авиации

«Есть только Миль»
Сообщение в блоге
Авторские статьи
Шиворот-навыворот
Сообщение в блоге
Авторские статьи
наверх