Применение методики msg-3 при разработке программ технического обслуживания и ремонта отечественных воздушных судов
УДК 396.96. На правах рукописи
АКОПЯН КАРЕН ЭДУАРДОВИЧ
ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДИКИ MSG-3 ПРИ РАЗРАБОТКЕ ПРОГРАММ ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ И РЕМОНТА ОТЕЧЕСТВЕННЫХ ВОЗДУШНЫХ СУДОВ
05.22.14 – Эксплуатация воздушного транспорта
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва - 2010г.
Работа выполнена на кафедре «Аэродинамика, конструкция и прочность летательных аппаратов» Московского государственного технического университета гражданской авиации
Научный руководитель Заслуженный работник транспорта РФ, профессор, доктор технических наук
Шапкин В.С.
Официальные оппоненты профессор, доктор технических наук
Никонов В.В.
доцент, кандидат технических наук
Арепьев А.Н.
Ведущая организация ОАО «Туполев»
Защита диссертации состоится «22» апреля 2010 г. на заседании диссертационного совета Д.223.011.01 при Московском государственном техническом университете гражданской авиации по адресу: ГСП-3, Москва, 125993, Кронштадтский бульвар, 20.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного технического университета гражданской авиации.
Автореферат разослан «____»___________2010 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Д.223.011.01
доктор технических наук, профессор С.В. Кузнецов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТ
Актуальность работы. Гражданская авиация (ГА) является одной из составляющих транспортной системы России. На долю ГА приходится более 20% от внутреннего и более 80% международного пассажирооборота. Объем перевозок в 2008 году превысил вдвое минимальный уровень 2000 года. В то же время состояние дел в авиационной промышленности не позволяет рассчитывать на скорое обновление парка ВС. За период 2000-2004 г.г. было выпущено около 100 гражданских и военных ВС. Доля ВС иностранного производства, эксплуатируемых российскими перевозчиками, неуклонно растет. В 2008 году из 130 самолетов, поступивших в эксплуатацию, иностранные составили 75 процентов. Из поставленных в первой половине 2009 года 65 самолетов 55 были иностранного производства. Основным достоинством зарубежных ВС (даже предыдущих поколений) является более высокая топливная эффективность по сравнению с ВС отечественного производства. Вместе с тем необходимо отметить, что ВС отечественного производства обладают лучшей приспособленностью к условиям эксплуатации в РФ, накоплен большой опыт их эксплуатации, имеется подготовленный персонал. Совершенствование системы их эксплуатации позволит снизить расходы перевозчиков и, тем самым, повысить конкурентоспособность ВС. Система эксплуатации отечественных ВС сложилась в период, когда основным принципом проектирования был принцип проектирования по безопасному ресурсу. Несмотря на это, опыт эксплуатации и проведенные расчеты и испытания показали, что конструкция большинства ВС позволяет в той или иной степени применять прогрессивные методы технического обслуживания и ремонта, использовать при эксплуатации методы безопасного и допустимого повреждения. Сказанное определяет актуальность настоящей работы, целью которой является совершенствование системы технического обслуживания и ремонта воздушных судов отечественного производства путем применения положений Руководства по разработке программ технического обслуживания и ремонта – MSG-3 и разработки на их основе программ технического обслуживания и ремонта конструкции и систем воздушных судов (на примере самолета Ту-154).
Поставленная цель достигается путем решения следующих основных задач:
1. Анализа и обобщения подходов к разработке программ технического обслуживания и ремонта, нормативных требований, методов технической эксплуатации, способов контроля эффективности программ ТО и определение направлений совершенствования регламентов ТО (на примере самолета Ту-154).
2.Разработки и апробации методики рейтинговой оценки по критериям коррозионной и случайной повреждаемости конструкции воздушных судов с использованием положений Руководства по разработке программ технического обслуживания и ремонта – MSG-3.
3.Разработки методики расчетно-экспериментальной оценки прочности опасных по коррозии зон воздушных судов.
4.Экспериментальной оценки характеристик усталостной долговечности образцов тонкостенных элементов конструкции самолета Ту-154 с типовым коррозионным повреждением.
5.Апробации методики MSG-3 для анализа функциональных систем воздушных судов (на примере гидросистемы самолета Ту-154).
Научная новизна работы состоит в том, что в ней:
1.Обоснована возможность и показана эффективность применения положений MSG-3 для совершенствования системы технического обслуживания и ремонта воздушных судов отечественного производства предыдущих поколений.
2.Проведен анализ конструкции и систем самолета типа Ту-154 применительно к идеологии MSG-3 на базе логических схем принятия решений с использованием подхода “top-down”.
3.Проведена оценка скорости роста усталостных трещин на планере воздушного судна при его эксплуатации.
4.Определены коэффициенты интенсивности напряжений и оценена остаточная прочность конструкции фюзеляжа для поперечной и продольной сквозных трещин в обшивке фюзеляжа, возникших вследствие эксплуатационных (коррозионных) повреждений.
Практическая значимость работы состоит в том, что ее результаты позволяют:
-разрабатывать изменения регламентов технического обслуживания воздушных судов отечественного производства,
-оптимизировать регламенты технического обслуживания и ремонта воздушных судов в части сокращения их трудоемкости и увеличения интервалов технического обслуживания,
-повысить интенсивность использования воздушных судов путем сокращения простоев при техническом обслуживании и ремонте при сохранении требуемых уровней надежности и безопасности.
На защиту выносится
1.Доказательство возможности и обоснование эффективности применения методики MSG-3 для разработки программ технического обслуживания и ремонта отечественных воздушных судов.
2.Методика расчетно-экспериментальной оценки опасных по коррозии зон воздушных судов.
3.Результаты анализа опасных по коррозии зон конструкции воздушных судов на коррозионную и случайную повреждаемость в рамках идеологии MSG-3.
4.Результаты экспериментальной оценки характеристик усталостной долговечности материала обшивки (Д16АТ), имеющего типовое коррозионное повреждение
5.Результаты анализа гидросистемы самолета Ту-154 в рамках идеологии MSG-3.
Внедрение результатов работы. Результаты работы внедрены в ОАО «Туполев», ГосНИИ ГА, а также в учебный процесс Московского государственного технического университета гражданской авиации, что подтверждается соответствующими актами о внедрении.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на Международной научно-технической конференции “Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники, общества” (Москва, 2008г.), на научных семинарах ОАО «Туполев» (2006-2009г.г.), НТС ГосНИИ ГА (2008-2009г.г.), на межкафедральных научных семинарах кафедр «Технической эксплуатации летательных аппаратов и авиационных двигателей» и «Аэродинамики и конструкции летательных аппаратов» Московского государственного технического университета гражданской авиации (2007-2009г.г.), совместном совещании ГосНИИ ГА –ТАНТК Бериева (2008г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 работ, из которых 4 опубликованы в изданиях, определенных ВАК РФ для публикации материалов диссертаций.
Структура и объем диссертационной работы.
Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, перечня использованной литературы. Общий объем работы составляет …листов, и включает… рисунок и … таблиц. Список использованной литературы содержит … наименований.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается необходимость совершенствования системы технической эксплуатации (ТЭ) самолетов отечественного производства предыдущих поколений, показывается актуальность диссертационной работы, формулируются научная новизна и практическая значимость полученных результатов, приводится краткое изложение содержания диссертации.
Первая глава посвящена анализу возможностей повышения конкурентоспособности отечественных воздушных судов за счет оптимизации объема и периодичности работ по ТО.
Проводится анализ и обобщение подходов к разработке программ ТО и Р, принятых в РФ и за рубежом, нормативных требований, методов технической эксплуатации, способов контроля надежности ВС и эффективности программ ТО и Р.
Первые программы ТО разрабатывались специалистами, которые опирались только на собственный опыт эксплуатации ВС. Следующий этап был связан с внедрением стандартов разработки программ ТО и контроля надежности ВС. С появлением магистральных ВС ответственность за разработку программ ТО легла на разработчика ВС, при этом подход к разработке ТО стал неразрывно связан с принципами проектирования, а принцип проектирования по ресурсу (safe-life) на долгие годы стал единственным применяемым в авиации. В дальнейшем, после понимания того, что этот принцип не обеспечивает безопасность ВС, он был заменен принципом безопасного отказа (fail-safe), впоследствии дополненным принципом допускаемого повреждения. Следующий шаг был связан с разработкой программ ТО, базирующейся на использовании логических схем. В 1978 году была представлена абсолютно новая логика принятия решений, основанная на дедуктивном методе анализа видов, последствий и критичности отказов (подход «сверху - вниз»), выбор не метода ТО, а работ по ТО. Было установлено, что отказы систем самолета описываются шестью различными моделями, что было использовано для разработки нового подхода – MSG-3.
Переход на программу ТО, созданную на основе MSG-3 подхода, позволяет сэкономить до 30% на плановом ТО за счет уменьшения количества плановых работ и (или) их частоты, уменьшения времени простоя и использования зональных осмотров, которые способствуют минимизации количества узконаправленных задач.
Подходы к формированию объемов ТО и Р, принятые в СССР и действующие в РФ, отличаются от существующих за рубежом. Большинство эксплуатируемых ВС в настоящее время были спроектированы с использованием принципа безопасного ресурса, что и определило метод технической эксплуатации по ресурсу как основной. Эксплуатация по вышеуказанному методу продолжалась практически до конца 90-х, несмотря на то, что работы по исследованию методов эксплуатации по состоянию были начаты в 1970-х г.г. и имелся положительный опыт применения этих методов в зарубежных авиакомпаниях. К настоящему времени эксплуатация агрегатов и комплектующих изделий по техническому состоянию внедрена для большинства типов ВС предыдущих поколений.
Контроль надежности ВС является обязательным для зарубежных авиакомпаний. Для решения этой задачи эксплуатанты разрабатывают программу надежности как составную часть программы ТО и Р. Контроль надежности осуществляется с использованием статистических методов. Наиболее распространены программы, основанные на сравнении величин показателей надежности с верхним контрольным уровнем, рассчитываемым с использованием среднеквадратического отклонения «» (alert type programs). Опираясь на данные программы, эксплуатант может изменять объем и периодичность выполнения работ по ТО и Р без одобрения авиационных властей. В РФ контроль надежности внедряется отдельными решениями при переходе на эксплуатацию по состоянию агрегатов и комплектующих изделий. Данные программы также являются «alert type», отличие от зарубежных заключается в способах вычисления верхних пределов и контролируемых показателях.
Нормативная и методическая базы не препятствуют использованию MSG-3 для формирования объемов и периодичности ТО и Р. Необходимо отметить, что для получения максимального эффекта необходима индивидуализация программ ТО и Р для каждого воздушного судна с учетом параметров, условий и индивидуальных особенностей воздушного судна, чему препятствуют некоторые нормативные документы. Эксплуатация отечественных воздушных судов характеризуется использованием единого регламента ТО – основного документа, определяющего периодичность, объем и объекты ТО данного типа ВС, использованием метода эксплуатации по ресурсу планера ВС и методов эксплуатации по техническому состоянию агрегатов и комплектующих изделий. Для оптимизации регламента ТО необходимо определить возможность изменения периодичности выполнения регламентных работ по планеру ВС и возможность изменения методов ТЭ агрегатов и комплектующих изделий функциональных систем ВС.
Вторая глава посвящена конкретному применению руководства MSG-3 при разработке программы технического обслуживания и ремонта планера воздушных судов аттестованных типов на примере самолета Ту-154. Основной задачей при выполнении ТО планера ВС является выявление повреждений, которые могут повлиять на целостность конструкции. К таким повреждениям относятся коррозия, трещины, пробоины, деформации, утяжка, ослабление, обрывы крепежа, нарушение защитных покрытий. Причинами подобных дефектов могут быть: взаимодействие с внешней средой, ошибки при проектировании, производстве и эксплуатации. Проведенный в работе анализ соответствующих литературных источников и эксплуатационной документации показал, что превалирующим дефектом на всех типах ВС является коррозия, а работы по выявлению и устранению коррозионных повреждений (КП) и их последствий являются наиболее трудоемкими. Именно по этой причине вторая глава посвящена разработке предложений по уточнению эксплуатационной документации в части, касающейся данной проблемы, на примере самолета Ту-154 как наиболее массово эксплуатирующегося аттестованного типа.
В работе, на основании анализа эксплуатационных повреждений по их основной причине – коррозии, выявляются зоны, им наиболее подверженные. В первую очередь, это нижняя часть фюзеляжа (коррозия поражает силовой набор), места, расположенные в непосредственной близости к вырезам под грузовые люки, двери и аварийные выходы. В конструкции крыла и оперения – это элементы силового набора, обшивки, зализы, обтекатели шасси и механизации, места, подверженные воздействию выхлопных газов, места контактов разнородных материалов, в зонах контакта статических разрядников и местах контакта обшивки и крепежа, каркасы фонаря кабины, барабаны колес.
В работе отмечается, что проблема коррозии актуальна не только для длительно эксплуатируемых ВС. На всех типах уже в начальный период времени отмечаются коррозионные повреждения. В работе обосновывается, что для обеспечения летной годности необходима программа сохранения целостности конструкции, которая, помимо всего прочего, должна включать в себя Программу предупреждения и контроля уровня коррозии (ППКК), которая, в свою очередь, должна содержать рекомендации по определению уровней коррозии, способам диагностики и восстановления, а также регистрации и отчетности результатов контроля.
В соответствии с MSG-3 ППКК разрабатывается как составная часть программы ТО планера для ожидаемых условий эксплуатации с целью поддержания его коррозионного состояния на уровне не ниже первого. Таким образом, реализуется принцип учета конкретных условий эксплуатации. Если на протяжении определенного периода времени коррозия отсутствует, то эксплуатант может увеличить интервалы работ по ТО.
В работе определены основные эксплуатационные повреждения самолетов Ту-154. На основании анализа имеющихся статистических данных установлено процентное отношение типов дефектов самолета Ту-154, которое распределяется следующим образом: коррозия 63,7%; трещины 6,3%; пробоины и деформации 4,5%; ослабление и обрыв крепежа 11,8%; нарушение защитных покрытий 5,9%; прочие 7,8%. Опыт эксплуатации показывает, что местами фюзеляжа, наиболее подверженными коррозии, являются переднее и заднее багажные отделения. В процентном отношении количество коррозионных повреждений распределяется следующим образом: 30% - переднее багажное отделение; 64% - заднее; 6% - прочие зоны. Конструктивными элементами, наиболее подверженными коррозии, являются стрингеры.
Применительно к планеру самолета руководством MSG-3 предусмотрено деление конструкции на зоны в соответствии со спецификациями. В пределах каждой зоны выделяются элементы конструкции, узлы, отдельные детали, сборочные единицы. Проводится определение конструктивно важных и второстепенных элементов самолета Ту-154.
В соответствии с положениями MSG-3 в работе проводится рейтинговая оценка конструктивно важных элементов.
Система рейтинговой оценки повреждений, вызванных взаимодействием с окружающей средой, учитывает вероятность возникновения и своевременность обнаружения коррозионных повреждений и коррозии под напряжением. При этом учитываются подверженность вредному воздействию окружающей среды, контакт между неоднородными материалами, повреждение защитных покрытий. Своевременность обнаружения основывается на оценке чувствительности к относительному размеру повреждения и контролепригодности.
Система оценки скрытых повреждений в качестве источников повреждений рассматривает наземное и погрузочно - разгрузочное оборудование, ошибки при производстве ТО, эксплуатации, атмосферные осадки, удары молнией, разливы жидкостей. Оценивается вероятность возникновения повреждений и остаточная прочность. Своевременность обнаружения базируется на относительном росте повреждения и контролепригодности элемента конструкции. Для анализа автором использовалась трехбалльная система оценки по каждому критерию, принятая ведущими производителями авиационной техники (Боинг, Эрбас и т.д.).
В заключительной части второй главы проводится определение периодичности выполнения работ на основе анализа и обработки данных по ВС, прошедшим капитальный ремонт на заводах «ВАРЗ 400» и «АРЗ-411 ГА».
Третья глава диссертации посвящена разработке методики расчетно-экспериментальной оценки прочности опасных по коррозии зон ВС. С этой целью сначала решается задача определения зон зарождения трещин в области эксплуатационного повреждения воздушного судна. В работе показывается, что такие зоны соответствуют зоне максимальной концентрации напряжений. Узловой задачей при этом является оценка напряженно-деформированного состояния в области эксплуатационного повреждения. Для ее решения используется метод конечных элементов (МКЭ). При разработке расчетной схемы описывается геометрический образ объекта с помощью конечных элементов, формируются условия граничных связей. Узлы сетки элементов могут иметь сгущения в местах ожидаемых больших градиентов искомых величин. Метод позволяет описывать области, состоящие из фрагментов различной физической природы. Составление и решение основной системы уравнений определяет выходные параметры краевой задачи.
В рассматриваемом случае расчетная схема включает в себя зону обшивки конструкции фюзеляжа в пространстве между стрингерами и шпангоутами. Параметры эксплуатационного дефекта задаются в виде глубины h и диаметра d кратера.
Расчетная модель разбивается на 8-ми узловые трехмерные конечные элементы. Каждый узел имеет три степени свободы. Материал модели принят изотропным. Общее напряжение, действующее на один элемент, подсчитывается как суперпозиция компонент сил, приложенных в узлах элемента, а деформации представляются перемещениями узлов. В работе показывается, что напряженное и деформированное состояние конечного элемента однозначно определяется его узловыми перемещениями. Это дало возможность определить матрицы жесткости отдельных элементов и при их помощи определить полную матрицу жесткости конструкции, используя которую удается получить соответствующую систему линейных уравнений относительно неизвестных перемещений узлов конечно-элементной сетки для всей конструкции при известных внешних нагрузках в узлах.
Для построенной модели оценено напряженное состояние в области концентратора напряжений. При одноосном нагружении напряжения вдоль линии действия нагрузки являются преобладающими, поэтому оценка концентрации напряжений проводится по напряжениям 
. В работе показывается, что для рассмотренной модели максимальная концентрация напряжений возникает на "дне" эксплуатационного повреждения, а зарождение усталостной трещины будет происходить в зоне максимальных напряжений.
Следующий шаг состоял в оценке скорости роста усталостных трещин на планере воздушного судна при его эксплуатации.
При разработке программы ТО и Р планера в соответствии с положениями MSG-3 и нормами летной годности оцениваются три возможных источника эксплуатационных повреждений: коррозионное, случайное и усталостное. Поскольку коррозионное повреждение, будучи концентратором напряжений, может служить источником образования усталостной трещины, в работе оценивается скорость роста усталостной трещины, инициированной коррозией, для обоснования возможности увеличения интервалов работ по ТО планера.
Усталостное повреждение характеризуется следующими основными параметрами длины трещины: начальной - 
, допускаемой - 
и критической, по достижении которой рост трещины становится неустойчивым, - 
. В работе проводится расчет коэффициента интенсивности напряжений, который характеризует поле напряжений у вершины трещины. Формулы для его расчета имеют вид: для сквозной и краевой трещин 
, для несквозной поверхностной трещины 
, где 
- некоторая безразмерная функция, учитывающая влияние конечности размеров образца с трещиной; 
- напряжение, действующее перпендикулярно к поверхности трещины; 
- длина трещины; 
- глубина несквозной трещины; 
- параметр формы несквозной трещины.
Оценка развития трещины, инициированной коррозионным дефектом, проводится для случая развития трещин в продольном и поперечном направлениях в предположении, что дефект расположен в центре зоны, образованной двумя стрингерами и двумя шпангоутами.
Моделирование зарождения и развития усталостной трещины разделяется на два этапа. На первом - трещина зарождается в зоне максимальных напряжений и развивается как сквозная от начального размера до длины, равной размеру локального коррозионного повреждения. На втором этапе трещина развивается за пределами локального коррозионного повреждения до подкрепляющего элемента.
В работе проводится расчет коэффициентов интенсивности напряжений (КИН) для поверхностной и сквозной трещин.
Выражение для КИН поверхностной трещины эллиптической формы получено, опираясь на соответствующее решение Ирвина для плоской эллиптической трещины в растягиваемом пространстве: 
, где 
- параметр формы несквозной трещины; 
- напряжение, действующее перпендикулярно к поверхности трещины; 
- глубина несквозной трещины; 
- длина трещины.
Аналогичные выражения получены для поверхностной эллиптической трещины, растягиваемой напряжениями 
.
На следующем этапе проводится расчет коэффициента интенсивности напряжений для поперечной и продольной трещин в обшивке фюзеляжа, возникших вследствие эксплуатационных повреждений. Полученная зависимость коэффициента интенсивности напряжений от длины трещин показана на рис. 1.
В результате анализа динамики развития трещины усталости в обшивке фюзеляжа, возникшей вследствие эксплуатационных повреждений, получена зависимость количества полетов ВС до развития трещины длиной, равной межшпангоутному расстоянию в обшивке.
Каждому уровню действующих напряжений в элементе конструкции соответствует определенный критический размер трещины. При достижении этого уровня трещина переходит в фазу квазихрупкого разрушения. Уравнение связи критической длины трещины и разрушающего напряжения имеет вид: 
.
В заключительной части третьей главы проводится оценка остаточной прочности конструкции фюзеляжа с продольной трещиной, возникшей вследствие эксплуатационных повреждений.
Четвертая глава посвящена экспериментальной оценке характеристик усталостной долговечности тонкостенных элементов конструкции самолета Ту-154 с типовыми коррозионными повреждениями.
Для проведения эксперимента были использованы образцы, изготовленные из фрагметов обшивки самолета Ту-154 (материал Д 16АТ), вырезанные в районе щп. 35-36, стр. 10. Эксплуатационная наработка при этом составляла 44677 летных часов, 14888 посадок СНЭ, 10300 летных часов, 3151 посадка ППР, срок службы составлял 24 года. Для проведения испытаний были изготовлены два типа образцов: образцы, соответствующие типу VII ГОСТ 25.502-79, и образцы – полоса с искусственным коррозионным дефектом. Направление продольной оси образцов расположено вдоль проката.
Коррозионные дефекты наносились на одной из сторон образца с помощью электролита.
Испытания проводились при отнулевом цикле нагружения при уровнях напряжений 
120 МПа и 
135 МПа на воздухе. Частота испытаний 38 Гц, температура воздуха при испытаниях 18°-20° С.
Фиксировались число циклов нагружения 
до образования сквозной трещины и число циклов N до разрушения образца.
В дальнейшем были исследованы геометрические параметры коррозионных поражений и оценена остаточная долговечность при обнаружении усталостной трещины. В качестве параметров, характеризующих коррозионное поражение, рассматривались объем коррозионного поражения и его максимальная глубина.
По методу наименьших квадратов были построены регрессионные зависимости логарифма числа циклов 
до образования сквозной трещины от коррозионного дефекта и логарифма числа циклов 
до разрушения образца по отношению к значению логарифма выбранного параметра коррозионного дефекта 
и 
, а также рассчитаны коэффициенты корреляции 
исследуемых величин. Коэффициент корреляции указывает на линейную зависимость рассматриваемых величин. Указана 95%-ая доверительная область к каждой регрессионной зависимости. Линии регрессии имеют вид:
, 
, 
(С и m – параметры линии регрессии).
Параметры регрессионных зависимостей.
| Параметр коррозионного дефекта | Макс. напр. цикла | Критерий | Параметр c=LgC | Параметр m | Коэффициент корреляции r |
 |  | до образования сквозной трещины | 2,832 | -1,514 | -0,96 |
| до разрушения | 3,219 | -1,303 | -0,95 | ||
 | до образования сквозной трещины | 2,491 | -1,5102 | -0,96 | |
| до разрушения | 2,937 | -1,283 | -0,95 | ||
 |  | до образования сквозной трещины | 3,949 | -1,796 | -0,96 |
| до разрушения | 4,204 | -1,463 | -0,94 | ||
 | до образования сквозной трещины | 3,578 | -1,841 | -0,95 | |
| до разрушения | 3,859 | -1,554 | -0,954 |
 |
Рис.6 Эмпирические линии регрессии логарифмов параметра коррозионного дефекта  и числа циклов  до образования сквозной трещины от коррозионного дефекта и числа циклов  до разрушения образца при  и границы 95%-ой доверительной области (штриховые линии) |
На основе полученных зависимостей строились сетки кривых усталости 
, которые аппроксимировались зависимостью 
(Рис. 7). При помощи соотношения 
(где 
- максимальные напряжения на кривой усталости эталонного образца и образца с коррозионным дефектом на одной базе циклов), определен эффективный коэффициент концентрации напряжений для каждой кривой. В качестве эталонного образца принималась полоса с круговым центральным отверстием.
| бруттоmax, МПа |  |
| N, циклов | |
Рис.7 Диаграммы  при отнулевом цикле нагружения для определения  относительно базовой кривой усталости образца с центральным отверстием. | |
Использование 
для оценки состояния конструкции, имеющей коррозионное повреждение, позволяет более конструктивно определять предельное состояние конструкции. С этой целью по полученным на базе N=105 циклов данным 
была проведена аппроксимация, результаты которой продемонстрированы ниже на рисунке 8. Таким образом, для оценки долговечности конструктивного элемента с коррозионным дефектом можно использовать индивидуальную кривую усталости, соответствующую значению 
, определенному по параметру коррозионного дефекта.
| Кэф |  |
 | |
Рис.8 Зависимость  от  для образцов из материала Д16АТ с коррозионным дефектом на базе 105 циклов | |
Проведена оценка влияния размеров коррозионного повреждения на образование сквозной усталостной трещин. В качестве параметров рассматривались 
и 
. Для примера ниже представлена зависимость 
(рис.9). Значение 
получено по результатам испытания образцов при 
и принято постоянным для всех уровней нагрузок. Значения числа циклов до образования трещины фиксировались при достижении трещиной размера, определяемого МОС 25.571 в качестве начального производственного дефекта.
| N’/N |  |
 | |
Рис.9 Зависимости отношения  от объема корродированного металла  для материала Д16АТ при  и  | |
На рисунке выделяются три зоны:
-зона «1», находящаяся выше линии 
. Коррозионные повреждения, соответствующие этой зоне, по критерию разрушения менее опасны чем отверстие, Кэф<3. При малых значениях коррозионного поражения трещина зарождается на более ранних стадиях, развивается как эллиптическая и становится сквозной ближе к моменту разрушения.
-зона «2», лежащая ниже линии 
с параметрами коррозии 
- в указанной зоне момент образования трещины сквозной трещины будет зафиксирован ранее, чем момент образования трещины допускаемых размеров у отверстия при этом Кэф=3.
-зона «3», удовлетворяющая неравенствам 
и 
- образование трещины происходит быстро, а ее развитие происходит по типу сквозной трещины, при этом Кэф>3. Дефекты, присущие этой зоне, более опасны, чем отверстие.
Пятая глава посвящена вопросам практического применения методики MSG-3 для разработки программы технического обслуживания и ремонта систем самолета. В качестве примера рассматривается основная система самолета Ту-154 – его гидросистема. При разработке соответствующей программы технического обслуживания и ремонта использовалось руководство MSG-3.
В соответствии с руководством MSG-3, разработка программ ТО функциональных систем осуществляется с помощью двухступенчатого логического анализа с использованием диаграмм. На первом этапе определяются последствия функционального отказа, на втором происходит выбор работ по ТО.
Для осуществления этого процесса необходимо определить все важные для ТО изделия (MSI) и определить уровень, на котором будет осуществляться анализ. Выбор MSI осуществляется на основе анализа возможных последствий функциональных отказов. Важным для ТО изделием является такое изделие, отказ которого может повлиять на безопасность на земле или в полете и (или) может быть необнаруживаемым в эксплуатации, и (или) может наложить серьезные ограничения на эксплуатацию, и (или) иметь неблагоприятные экономические последствия. При определении MSI используется подход «сверху - вниз», т.е. от системы в целом к отдельным агрегатам и комплектующим изделиям до уровня незаменяемых компонентов. Как правило, MSI - это система или подсистема, находящаяся на один уровень выше.
Каждое MSI анализируется на предмет определения последствий его отказа и соответствующих работ по ТО. Начальная периодичность работ назначается в соответствии с опытом эксплуатации аналогичных конструкций или результатов испытаний. В случае отсутствия или недостаточности данных для обоснования интервалов работ периодичность назначается на основе экспертной оценки и лабораторных испытаний.
В работе проводится иллюстрация практического использования MSG-3 на примере гидросистемы самолета Ту-154.
Система управления самолетом, спроектированная по необратимой бустерной схеме, предъявляет повышенные требования к надежности гидросистемы самолетов этого типа, что и определило выбор ее для анализа.
Гидросистема Ту-154 состоит из трех независимых друг от друга гидросистем, обеспечивающих управление самолетом на всех этапах полета, уборку и выпуск шасси, торможение колес, системы аварийного торможения и системы наддува и дренажа гидробаков. Гидросистема самолета объединяет все компоненты (насосы, трубопроводы, фильтры), служащие для создания гидроэнергии и подаче ее к конечным пользователям.
В работе подробно описывается процедура выбора важных для технического обслуживания изделий.
Большое внимание уделяется анализу последствий функциональных отказов и выбору работ по техническому обслуживанию и ремонту, краткое изложение сведений о которых приведено в Таблице.
Анализ последствий функциональных отказов
| № системы/подсистемы | Наименование системы/подсистемы | ||
| Функции | Отказы | Последствия отказов | Причины отказов |
| 1.Хранение требуемого для работы ГС № 1 и 2 количества рабочей жидкости под давлением | Неспособность обеспечить хранение достаточного количества жидкости под давлением | Отказ ГС №1 и 2 | Разгерметизация бака ГС № 1 и 2 |
| 2.Создание давления необходимого для работы потребителей питающихся от ГС № 1 и 2 | 1.1.Неспособность обеспечить давление необходимое для работы соответствующих потребителей от ГС №1 | 2.1.Отказ питания агрегатов от ГС №1 | Отказ 2 насосов Недостаточное количество рабочей жидкости |
| 1.2.Неспособность обеспечить давление необходимое для работы потребителей от ГС №2 | 2.2.Отказ питания агрегатов от ГС №2 | Отказ насоса и насосной станции. Недостаточное количество рабочей жидкости | |
| 1.3.Неспособность обеспечить давление необходимое для работы потребителей от ГС № 1 и 2 | 2.3.Отказ питания агрегатов от ГС № 1 и 2 | Отказ всех источников давления. Недостаточное количество рабочей жидкости. Отсутствие давления в баке | |
| 3.Распределение рабочей жидкости | 3.1.Отказ подачи рабочей жидкости к потребителям ГС | 3.1.Прекращение питания агрегатов от ГС № 1 или 2 | Повреждение магистралей ГС № 1 или 2 |
| 3.2 Отказ подачи рабочей жидкости к потребителям ГС | 3.2.Прекращение питания агрегатов от основной ГС | Повреждение магистралей | |
| 4.Обеспечение охлаждения жидкости и предотвращение превышения допустимого давления при работе на режиме нулевой производительности | 4.1 Неспособность ГС № 1 или 2 предотвращать перегрев и повышение давления выше допустимых пределов | 4.1.Температура и давление рабочей жидкости выше нормы | Засорение фильтров, дроссельных решеток источников давления соответствующей гидросистемы |
| 5.Фильтрация рабочей жидкости | 5.1.Прекращение фильтрации рабочей жидкости в магистрали нагнетания | 5.1.Повышенный износ агрегатов | Засорение фильтра в магистрали нагнетания |
| 5.2 Прекращение фильтрации рабочей жидкости в магистрали питания РА и РП | 5.2.Отказ соответствующего канала управления | Засорение фильтра в магистрали питания РА и РП | |
| 5.3 Прекращение фильтрации рабочей жидкости в магистрали слива | 5.3.Повышенный износ агрегатов ГС | Засорение фильтра в магистрали слива | |
| 6.Гашение высоко и низкочастотных колебаний давления | 6.1.Прекращение гашения колебаний давления ГС | 6.2.Нерасчетные нагрузки в магистралях ГС | Отказ гасителей пульсации или гидроаккумулятора |
| 7.Обеспечение энергией ГС №1 от ГС №2 | 7.1.Невозможность работы ГС №1 от ГС №2 | 7.1.Невозможность проверки ГС №1 от ГС №2 на земле | Отказ крана подключения ГС №2 на ГС №1 |
Выбор работ по техническому обслуживанию и ремонту представлен в многочисленных Таблицах, составленных в соответствии с положениями MSG-3. Результаты выполненной работы обосновывают возможность значительного сокращения объема работ по ТО основной гидросистемы.
- ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Целью настоящей работы являлась совершенствование системы технического обслуживания и ремонта воздушных судов отечественного производства путем применения методики MSG-3 и разработки на ее основе программ технического обслуживания и ремонта конструкции и систем воздушных судов (на примере самолета Ту-154).
- Для достижения поставленной цели в работе были решены следующие задачи:
1. Осуществлен анализ и обобщение подходов к разработке программ технического обслуживания и ремонта, нормативных требований, методов технической эксплуатации, способов контроля эффективности программ ТО и определение направлений совершенствования регламентов ТО (на примере самолета Ту-154).
2. Разработана и апробирована методика рейтинговой оценки по критериям коррозионной и случайной повреждаемости конструкции воздушных судов с использованием положений Руководства по разработке программ технического обслуживания и ремонта – MSG-3.
3. Разработана методика расчетно-экспериментальной оценки прочности опасных по коррозии зон воздушных судов.
4. Определены характеристики усталостной долговечности материала обшивки, имеющего эксплуатационную наработку и коррозионные поражения.
5. Апробирована методика MSG-3 для анализа функциональных систем воздушных судов (на примере гидросистемы самолета Ту-154).
В ходе выполнения работы были получены следующие новые научные результаты:
1.Обоснована эффективность применения положений MSG-3 для совершенствования системы технического обслуживания и ремонта воздушных судов отечественного производства предыдущих поколений.
2.Проведен анализ конструкции и систем самолета типа Ту-154 применительно к идеологии MSG-3 на базе логических схем принятия решений с использованием подхода “top-down”.
3.Определены зоны зарождения трещин в области эксплуатационного повреждения и проведена оценка скорости роста усталостных трещин на планере воздушного судна при его эксплуатации.
4.Определены коэффициенты интенсивности напряжений и оценена остаточная прочность конструкции фюзеляжа для поперечной и продольной сквозных трещин в обшивке фюзеляжа, возникших вследствие эксплуатационных (коррозионных) повреждений.
5.Разработана методика рейтинговой оценки эксплуатационных повреждений планера самолета Ту-154.
Полученные результаты дают возможность:
1.Разрабатывать изменения регламентов технического обслуживания воздушных судов отечественного производства,
2.Оптимизировать регламенты технического обслуживания и ремонта воздушных судов в части сокращения их трудоемкости и увеличения интервалов технического обслуживания,
3.Повысить интенсивность использования воздушных судов путем сокращения простоев при техническом обслуживании и ремонте при сохранении требуемых уровней надежности и безопасности.
Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах автора в изданиях, включенных в Перечень изданий ВАК для публикаций материалов диссертаций:
1.Акопян К.Э. Анализ коррозионного состояния самолетов Ту-154М ОАО авиакомпании «Аэрофлот-РАЛ» по данным материалов технического обслуживания в объеме формы «2». Научный вестник МГТУ ГА №119, серия Аэромеханика и прочность, поддержание летной годности ВС, с. 24-29.
2.Акопян К.Э., Бутушин С.В., Семин А.В. Анализ данных о коррозионном состоянии самолетов типа Ту-154, базирующихся в различных региональных управлениях ГА. Научный вестник МГТУ ГА №119, серия Аэромеханика и прочность, поддержание летной годности ВС, с. 41-49.
3.Акопян К.Э., Бутушин С.В. и др. Экспериментальная оценка влияния значений параметров, характеризующих коррозионное поражение листового конструкционного материала на его долговечность. Научный вестник МГТУ ГА №130, серия Аэромеханика и прочность, поддержание летной годности ВС, с. 21-25.
4.Акопян К.Э., Шапкин В.С. и др. Экспериментальные исследования усталостной долговечности фрагмента конструкции фюзеляжа самолета типа Ту-154 с коррозионными повреждениями. Научный вестник МГТУ ГА №153, серия Аэромеханика и прочность, поддержание летной годности ВС, с. 37-43.
5.Акопян К.Э., Шапкин В.С. и др. Теория и практика оценки коррозионных повреждений элементов конструкции планера воздушных судов. Монография, ЗАО «НЦПЛГВС», 280 с. В печати.
Соискатель Акопян К.Э
