Анализ и обеспечение надежности воздушных судов гражданской авиации в процессе их эксплуатации

Сущность проблемы надежности современной техники состоит в том, что требования, предъявляемые к надежности техники, и ее сложность растут быстрее, чем растет надежность элементов. Эта проблема стоит достаточно остро в самолетостроении в связи с высокими требованиями, предъявляемыми к безопасности полетов. При расчетах показателей надежности авиационной техники в процессе ее разработки исходными данными являются данные о надежности элементов, в частности данные об интенсивностях их отказов. Интенсивности отказов принципиально могут быть получены по результатам лабораторных испытаний. Однако, так как статистические испытания по определению показателей надежности дорогостоящие, то число образцов и длительность испытаний весьма ограничены. По этой причине данные об интенсивностях отказов элементов могут быть получены с точностью, не превышающей две значащие цифры.

Расчеты надежности техники в процессе ее проектирования не позволяют получить значения показателей надежности с необходимой точностью. Это объясняется следующими причинами: математические модели, известные в теории надежности, не адекватны физическим моделям функционирования технических системвысокой размерностью уравнений, описывающих функционирование сложной системы, какой является воздушное суднонедостоверностью исходных данных.

Обратимся к экспоненциальной модели надежности. Она предполагает, что поток отказов является простейшим, удовлетворяющим одновременно условиям стационарности, ординарности и отсутствия последействия. В сложной технической системе поток отказов не удовлетворяет этим условиям. Элементы, узлы, устройства работают, как правило, не одновременно. При взлете самолета работают одни органы управления, в полете — другие, при посадке — тре5 тьи. Отсюда вероятность возникновения п отказов за время t зависит от того, где на оси времени находится I, а это означает, что поток отказов технических средств ВС не стационарный, если даже интенсивности отказов элементов постоянны.

В процессе функционирования технических средств ВС нагрузка на исправные элементы при наличии отказа меняется. Это особенно проявляется в механических и энергетических системах. Здесь имеет место последействие отказов. Нестационарность и последействие особенно сильно проявляется в ремонтируемых системах. При возникновении отказа после ремонта система не возвращается в исходное состояние, а переходит в новое, меняется ее интенсивность отказа.

Из сказанного выше вытекает, что практически рассчитать показатели надежности ВС и его систем с необходимой точностью при существующих исходных данных невозможно. Методы расчета, содержащиеся в различных руководящих материалах и стандартах, сказанного выше не учитывают. По этим причинам расчетные данные не имеют необходимой точности.

Показатели надежности элементов можно получить с высокой точностью по данным эксплуатации техники. Это объясняется двумя обстоятельствамибольшим объемом данных и реальными условиями эксплуатации техники. Однако, в настоящее время отсутствует единая система сбора и обработки статистических данных о надежности элементов. Данные часто недостоверны, а алгоритмы обработки статистики ошибочны. Основными причинами недостоверности статистических данных об отказах авиационной техники являются:

— регистрация отказов ведется недобросовестно, она не механизирована, является дополнительной работой для эксплуатационников;

— отсутствуют научно обоснованные методики сбора статистики;

— карточка или журналы отказов сложны и одновременно малоинформативны для оценки надежности техники. 6

Из сказанного выше вытекает следующий вывод: рассчитать показатели надежности технических средств самолетов гражданской авиации с необходимой для практики точностью, методами современной теории надежности практически невозможно. Причинами этого являются неадекватность математических моделей, сложность расчетов из-за большой размерности уравнений, описывающих процессы функционирования технических систем, отсутствие достоверных данных о надежности элементов.

Подтвердить расчетные показатели надежности опытным путем по результатам испытаний или эксплуатации крайне трудно по следующим причинам:

— невозможно провести испытания нужного объема по экономическим соображениям;

— слабо разработаны и не доведены до инженерных методик ускоренные и не-разрушающие методы испытания;

— не разработаны компьютерные технологии обработки статистических данных об отказах элементов технических систем.

Цели и задачи исследования.

Целью настоящей работы является разработка инженерных методик анализа надежности авиационной техники по данным об ее эксплуатации. Методики должны позволять:

— получать данные о надежности ВС и его систем по критериям надежности, достаточно полно характеризующим надежность авиационной техники;

— получать данные о надежности элементов по критериям, необходимым при разработки авиационной техники, в частности вычислять интенсивности отказов элементов;

— определять оптимальный период профилактики авиационной техники, обеспечивающий ее надежность в процессе эксплуатации. 7

Методики должны базироваться на компьютерных технологиях анализа надежности, основанных на современных универсальных программных средствах символьной математики.

Работа состоит из введения, четырех глав, приложения и списка литературных источников, содержащих 93 наименований.

Во введении обоснована актуальность темы диссертации. Сформулирована цель и задачи работы. Приведены основные научные положения и тезисы, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены проблемы надежности АТ, современные методы оценки надежности АТ в процессе ее разработки и эксплуатации. В результате выполненного анализа сделаны следующие важные выводы:

1. ВС является сложной системой, оценить его надежность можно лишь по большему числу критериев.

2. Существующие методы анализа показателей надежности в процессе проектирования не позволяют получить показатели надежности с необходимой для практики точностью. Причинами являются: математические модели неадекватно описывают функционирование системы в смысле надежностиисходные данные по надежности элементов не позволяют оценить надежность с заданной точностью, это объясняется высокими требованиями предъявляемыми к АТ и невозможностью получить в лабораторных условиях необходимые показатели надежности АТ.

3. Существующие методы сбора статистических данных об отказах АТ позволяют определить все гостированные показатели надежности ВС и его систем, однако разработанные в настоящее время методики требуют знания законов распределения времени до отказа и между отказами. Такие данные в настоящее время не получены.

4. Необходимо разработать методики, позволяющие по статистическим данным в процессе эксплуатации восстанавливаемой АТ получить все гостиро8 ванные показатели в том числе и показатели характеризующие надежность системы до первого отказа.

В главе 2 рассматриваются критерии надежности, разработанные в теории, делается их критический анализ и предлагается семейство критериев, достаточно полно характеризующих надежность авиационной техники. Такими критериями являются: вероятность безотказной работы в течение времени полета, функция готовности, интенсивность отказов элементов. Вспомогательными критериями, необходимыми лишь для определения основных показателей, являются плотность распределения времени до отказа и параметр потока отказов восстанавливаемой техники. Доказано, что такие интегральные показатели как среднее время безотказной работы и наработка на отказ являются неудовлетворительными критериями надежности авиационной техники. Анализ математических зависимостей между показателями надежности показал, что определить показатели надежности авиационной техники по данным ее эксплуатации наиболее целесообразно путем анализа зависимости между параметром потока отказов и плотностью распределения времени до отказа, представляющей собой интегральное уравнение Вольтерра второго рода.

В главе 3 разработана методика анализа надежности авиационной техники по данным ее эксплуатации. Методика основана на решении интегрального уравнения Вольтерра второго рода, устанавливающего зависимость между параметром потока отказов и плотностью распределения времени до отказа. Предлагается приближенный аналитический метод с использованием интегрального преобразования Лапласа. Исходными данными являются данные о календарном времени возникновения отказов техники.

Методика позволяет определить в аналитическом виде вероятность безотказной работы, интенсивность отказов, плотность распределения времени до отказа, параметр потока отказов любого технического устройства. Она дает возможность вычислить время между профилактиками, необходимое для поддержания заданной надежности техники. Методика, по сравнению с известны9 ми методами, имеет следующие достоинства: простота исходных данных, решение в виде формул, возможность контроля правильности решения путем его представления в виде графиков, возможность решения с помощью универсальных программных средств символьной математики.

Разработанная методика является достаточно универсальной: она позволяет определять показатели надежности технического устройства при практически любых законах распределения времени до отказа.

Методика требует знания вида параметра потока отказов анализируемого технического устройства. В этом ее недостаток.

В главе 4 выполнен анализ надежности самолета Ту-154(М) и его подсистем. Исходными данными явились данные о моментах отказа восьми самолетов в течение двух лет их эксплуатации. Показатели надежности получены по методике, разработанной в третьей главе. Вычислялись следующие показатели надежности: вероятность безотказной работы, параметр потока отказов, функция распределения времени до отказа, интенсивность отказа. Решения получены в виде формул. При этом параметр потока отказов представлялся в виде многочлена второй степени.

Расчеты показателей надежности самолета Ту-154(М) позволили сделать следующие важные выводы:

— методика, предложенная в третьей главе, позволяет получить все тестированные показатели надежности с достаточной для практики точностью;

— методика наиболее полно реализуется с помощью универсального программного средства символьной математики МаШетайса;

— надежность самолета Ту-154М и его подсистем низка, она не удовлетворяет современным требованиям;

— для поддержания высокой надежности ВС межпрофилактические периоды должны быть порядка единиц или нескольких десятков часов, что ставит под сомнение целесообразность эксплуатации исследуемых самолетов.

Основные научные результаты работы.

Основными научными результатами работы являются: методика анализа надежности технических средств гражданской авиации по данным эксплуатациикомпьютерная технология анализа надежности на основе универсальных математических программных средств символьной математикиметодика определения частоты профилактики с целью обеспечения ее надежности в процессе профилактики.

Практическая ценность работы состоит в инженерной методике, позволяющей получить показатели надежности технических средств с помощью универсальных программных средств ЭВМ. Ее ценность также определяется результатами анализа надежности самолета Ту-154(М), позволяющими разработать мероприятия по обеспечению его надежности в процессе доработок и эксплуатации.

На защиту выносятся:

1. Методика анализа надежности авиационных технических средств.

2. Компьютерная технология расчетов показателей надежности техники.

3. Результаты анализа надежности самолета Ту-154(М) и его подсистем.

Выводы по главе:

1. Разработанная методика анализа надежности технических средств ГА позволяет определить по статистическим данным об отказах техники вероятность безотказной работы, интенсивность отказов и среднее время безотказот-казной работы как отдельных подсистем так и самолета в целом. Достоинствами этой методики являются:

— методика основана на определении по данным эксплуатации параметра потока отказов и не требует знания времени между отказами отдельных устройств восстанавливаемой техники;

— получение всех тестированных показателей надежности возможно с помощью универсальных программных средств символьной математики такие как Mathematics, Maple;

— методика доведена до инженерных приемов не требующих специальных знаний теории надежности.

2. Проведя анализ вероятности безотказной работы P (t) в течении времени t и среднего времени безотказной работы, можно сделать вывод, что подсистемы и самолет в целом являются стареющими системами.

3. Интенсивность отказов является возрастающей функцией времени для поддержания высокой надежности ВС, поэтому требуется высокая частота профилактики.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные выводы и результаты работы:

1. Известные инженерные методики не позволяют с достаточной для практики точностью получать интенсивности отказов элементов, узлов и подсистем по данным об отказах средств авиационной техники в процессе ее эксплуатации. Это объясняется следующими причинами: законы распределения времени до отказа большинства элементов авиационной техники отличны от экспоненциальногоинженерные методики и алгоритмы обработки статистических данных об отказах авиационной техники не учитывают эффекта ее восстановленияматематические модели не адекватно описывают функционирование в смысле надежности технических средств авиационной техники в процессе ее эксплуатации.

Отсутствие данных об интенсивностях отказов элементов существенно затрудняет анализ надежности технических средств авиационной техники в процессе проектирования.

2. Предложенная в диссертационной работе инженерная методика анализа надежности технических средств авиационной техники по данным об ее отказах в процессе эксплуатации позволяет определить основные показатели надежности: вероятность безотказной работы, среднее время безотказной работы, интенсивность отказов, параметр потока отказов, плотность распределения времени до отказа. Ее основными достоинствами являются: простота получения исходных данныхвысокая точность результатов;

88 универсальность, то есть возможность применения для анализа надежности практически любых технических изделийполнота оценкипростота реализации с помощью универсальных программных средств символьной математики.

3. Разработанная компьютерная технология анализа надежности средств авиационной техники позволяет преодолеть трудности решения задач надежности больших размерностей, дает возможность получать решения с достаточной полнотой и высокой точностью. Анализ универсальных математических программных средств показал, что наиболее подходящими здесь являются программные средства Maple и Mathematics. В диссертационной работе предпочтение отдается пакету Mathematics из-за превосходных его графических возможностей, позволяющих контролировать правильность решения задач надежности.

4. Анализ существующих критериев надежности и методов их анализа в процессе проектирования и эксплуатации показал, что методика анализа отказов авиационной техники, полученной в процессе эксплуатации, должна позволять определять параметр потока отказов. Это достаточно для определения всех тестированных показателей надежности аналитическим путем. Такая методика существенно упрощает сбор статистических данных об отказах техники, так как не требует знания времени между отказами данного элемента с учетом его замены.

5. Надежность воздушных судов, анализируемых в работе и активно эксплуатируемых в настоящее время, не удовлетворяет требованиям. Так например, вероятность безотказной работы самолета Ту-154(М) в течение времени t=3Z4ac. составляет всего лишь 0,8.

6. Интенсивность отказов большинства подсистем воздушного судна и самолет в целом является возрастающей функцией времени. Для поддержания требуемой надежности такой стареющей техники необходимо иметь высокую

89 частоту ее профилактики и ремонта, что существенно снижает эффективность ее использования.

7. Параметр потока отказов подсистем ВС не равен интенсивности их отказов, что является основанием считать, что закон распределения времени до отказа средств авиационной техники не является экспоненциальным. Исследования показали, что параметр потока отказов целесообразно аппроксимировать полиномом второй степени. Такая аппроксимация позволяет определить интенсивность отказов путем решения интегрального уравнения Вольтерра второго рода. Решение получено для всех подсистем в аналитическом виде. Знание интенсивностей отказов как функции времени позволило получить формулы для вероятности безотказной работы и плотности распределения времени до отказа.

8. Статистические методы определения времени профилактики по состоянию не применимы к авиационной технике, так как объем статистических данных об отказах за период между соседними профилактиками слишком мал для обеспечения расчетов с допустимой точностью.

9. Для обеспечения высокой надежности в процессе эксплуатации АТ, частота профилактики должна быть столь высока, что практически ее реализация невозможна. Так, для обеспечения вероятности безотказной работы 0,9 самолета Ту-154 межпрофилактический период должен быть 15 часов, а для обеспечения вероятности безотказной работы 0,8 необходим профилактический период 32 часа. Выполненные исследования по оценке надежности, а также анализ мероприятий по обеспечению надежности технических средств ВС ГА на примере самолета Ту-154(М) позволяет сделать следующий вывод: межпрофилактический период разный для всех подсистем самолета.

10. Направлениями дальнейших исследований могут быть: совершенствование разработанной методики путем уточнения вида функции параметра потока отказов для широкого класса технических систем;

90 анализ надежности средств авиационной техники по разработанной методике и выработка рекомендаций по научным методам ее эксплуатациисовершенствование методики сбора статистических данных об отказах техникиразработка методики анализа надежности средств авиационной техники по критериям, учитывающим возможность ее восстановления (функция и коэффициент готовности, наработка на отказ).