Мониторинг условий эксплуатации и нормирование запасов на рассеивание эксплуатационной нагруженности при установлении ресурса пассажирского самолета по условиям прочности

На правах рукописи

ФЕЙГЕНБАУМ ЮРИЙ МОИСЕЕВИЧ

МОНИТОРИНГ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ

И НОРМИРОВАНИЕ ЗАПАСОВ НА РАССЕИВАНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАГРУЖЕННОСТИ

ПРИ УСТАНОВЛЕНИИ РЕСУРСА ПАССАЖИРСКОГО

САМОЛЕТА ПО УСЛОВИЯМ ПРОЧНОСТИ

Специальность 05.22.14 – “Эксплуатация воздушного транспорта”

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва – 2011

Работа выполнена в Открытом Акционерном Обществе “Туполев”

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор,

заслуженный деятель науки РФ

Фролков Анатолий Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Цымбалюк Владимир Иванович

доктор технических наук, профессор

Никонов Валерий Васильевич

Ведущая организация: Сибирский научно-исследовательский

институт авиации имени С.А.Чаплыгина

Защита состоится “15” июня 2011г. в 15 час на заседании

диссертационного совета Д 315. 002. 01 по адресу:

Москва, ул. Михалковская, д.67 к.1

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГосНИИ ГА

Автореферат разослан “ 14 “ мая 2011г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 315. 002.01

к.т. н. Байков А.Е.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одним из важнейших параметров пассажирского самолета, определяющих уровень его конкурентоспособности, являются величины проектных ресурсов и сроков службы.

Комплекс расчетно-экспериментальных работ по обеспечению требуемого проектного ресурса, проводимых на этапе создания самолета, базируется на прогнозе типовой (средней) нагруженности конструкции в эксплуатации.

Эта нагруженность оценивается величиной усталостной повреждаемости, определяемой путем проводимого специальным образом суммирования всех действующих на конструкцию переменных нагрузок и используемой для оценки накопленной в конструкции усталости

В соответствии с требованиями АП-25 (МОС 25.571) при сертификации типа самолета Разработчик обязан продемонстрировать наличие системы сбора и анализа данных о фактических условиях эксплуатации, позволяющей, при необходимости, скорректировать спрогнозированную типовую нагруженность и, соответственно, величины ресурсов и (или) условия их отработки.

Обусловленные неизбежными различиями в условиях эксплуатации отклонения нагруженности отдельных экземпляров самолетов от средней для парка, в соответствии с МОС 25.571, учитываются при установлении ресурсов введением соответствующего коэффициента надежности (3).

Величина этого коэффициента в зависимости от степени обоснованности прогноза, наличия и эффективности действующей системы мониторинга эксплуатации колеблется от 3 =1,0 до 3 =2,0.

Исходя из того, что контроль условий эксплуатации является необходимым элементом системы обеспечения безопасной эксплуатации самолетов по условиям прочности, в 60-е годы по инициативе ЦАГИ была создана общегосударственная система контроля и анализа параметров эксплуатации самолетов, определяющих их нагруженность.

Основанная на технических средствах того времени и жестких административных принципах, беспрецедентная по своим масштабам, затрачиваемым средствам и трудоемкостям, эффективно отработавшая несколько десятилетий государственная система контроля за условиями эксплуатации в 90-е годы морально, технически и организационно устарела и практически перестала существовать.

Ввод в эксплуатацию отечественных самолетов нового поколения и решение задачи поддержания летной годности парков “стареющих” самолетов требовали создания современной системы мониторинга условий эксплуатации и нагруженности на новом техническом и организационном уровне.

Такая система в зависимости от полноты и регулярности ее функционирования должна обеспечивать:

- при выборочном систематическом контроле – подтверждение соответствия фактических типовых условий эксплуатации парка принятым при установлении ресурса и надежность используемых запасов на возможное межэкземплярное рассеивание нагруженности.

- при непрерывном мониторинге эксплуатации каждого самолета парка – возможность установления ресурсов без введения запасов на рассеивание нагруженности.

Цель работы. Повышение эффективности использования ресурсного потенциала парка самолетов путем создания на базе современных информационных технологий системы индивидуального мониторинга, позволяющей учитывать особенности эксплуатации каждого экземпляра и минимизировать величины принимаемых при установлении ресурсов запасов на рассеивание нагруженности.

При этом должны были быть решены следующие задачи:

• На основе анализа опыта и состояния работ по контролю условий эксплуатации определить наиболее оптимальный метод контроля индивидуальной нагруженности самолетов.

• Разработать методологию организации и функционирования системы мониторинга эксплуатации, используемые в ней способы и алгоритмы обработки полетной информации, хранения, систематизации и анализа результатов такой обработки.

• Внедрить систему в практику работ по сопровождению эксплуатации и поддержанию летной годности, проанализировать получаемые с ее использованием материалы и оценить ее эффективность.

• Разработать метод определения запасов на рассеивание нагруженности по данным мониторинга, если его полнота и регулярность не обеспечивают индивидуальный контроль за нагруженностью в эксплуатации всех экземпляров самолетов парка.

Научная новизна работы состоит в том, что при выполнении работы получены следующие новые результаты:

- Разработана базирующаяся на современных информационных технологиях методология и реализующая ее комплексная система мониторинга фактических условий эксплуатации, нагруженности и расходования ресурса силовой конструкции самолета.

- На основе анализа данных мониторинга показано, что индивидуальная типовая эксплуатационная нагруженность (повреждаемость) конструкции экземпляров самолетов имеет логнормальный закон распределения и оценен возможный диапазон изменения параметров этого распределения. Определен минимальный статистически обоснованный объем информации, необходимый для определения средних для экземпляра значений параметров полета и усталостной повреждаемости.

- С использованием вероятностного подхода разработан метод определения необходимого при установлении ресурса запаса на рассеивание нагруженности в зависимости от полноты и характера данных мониторинга эксплуатации.

Достоверность результатов. Достоверность результатов подтверждается многолетним опытом использования выполненных разработок в практике проектирования, обоснования и установления ресурсов и сроков службы самолетов “Ту” и обеспечения их безопасной и эффективной эксплуатации.

Практическая значимость. Разработанная методология и система мониторинга эксплуатационной нагруженности, а также предложенный метод оценки потребных величин запасов на ее рассеивание, могут широко использоваться в практике создания и поддержания летной годности высокоресурсных самолетов и способствуют совершенствованию принятой в РФ системы обеспечения ресурса по условиям прочности.

На защиту выносятся:

• Методология и реализующая ее комплексная система мониторинга нагруженности самолетов, предназначенная для обеспечения безопасной по условиям прочности эксплуатации при максимальном использовании ресурсного потенциала парка самолетов.

• Результаты выполненного по данным мониторинга анализа характера эксплуатации и нагруженности конструкции самолетов семейства Ту-204/214 и Ту-154.

• Вероятностный метод определения величины необходимого при установлении ресурса запаса на рассеивание нагруженности конструкции в эксплуатации и рекомендации по совершенствованию нормирования коэффициентов надежности при установлении ресурса силовой конструкции.

Личный вклад автора. Работы по созданию комплексной системы мониторинга эксплуатации проведены в ОАО “Туполев” под руководством и при непосредственном участии автора, осуществившим постановку задачи, разработку методологии и основных алгоритмов.

Автором проведен анализ полученных результатов мониторинга и, в частности, установлен логнормальный закон распределения повреждаемости, а также определен минимально необходимый объем обработки, обеспечивающий статистическую обоснованность анализа.

Автором разработан вероятностный подход к определению необходимого при установлении ресурса коэффициента надежности, учитывающего рассеивание нагруженности в эксплуатации, и рекомендации по совершенствованию соответствующего раздела МОС25.571.

Реализация работы. Система мониторинга эксплуатации внедрена в практику поддержания летной годности семейства самолетов Ту-204/214, что позволило при установлении им назначенных ресурсов обоснованно минимизировать величины коэффициентов надежности, повысив тем самым ресурсные характеристики самолетов и эффективность дорогостоящих натурных ресурсных испытаний.

Предложенный автором работы подход к нормированию запасов на рассеивание эксплуатационной нагруженности с одобрения ЦАГИ был использован при установлении ресурсов самолетам Ту-154, что сыграло важную роль в обеспечении возможности их безопасной эксплуатации далеко за пределами проектных ресурсов.

Разработанные и представленные в диссертации предложения по совершенствованию нормирования запасов при установлении ресурсов вошли в проект новой редакции МОС 25.571.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на 10 международных, общероссийских и межведомственных научно–технических конференциях, в том числе:

- Школе – семинаре “Проблемы прочности авиационных конструкций и материалов”, СибНИА, 16-19 февраля 2011г.

- Международной научно-технической конференции “Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества”, МГТУ ГА, Москва, 22-23 апреля 2008г.

- Международной научно-технической конференции “Новые рубежи авиационной науки”, ASTEC`07, ЦАГИ, Москва, 19-23 августа 2007г.

- Международной конференции “Программные продукты информационного обеспечения безопасности полетов, надежности и технической эксплуатации авиационной техники”, Межгосударственный авиационный комитет, Москва, 2006г.

- Всероссийской научно-технической конференции по прочности и аэродинамике летательных аппаратов, Новосибирск, СибНИА, 15-17 июня 2004г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ, отражающих ее основное содержание, в том числе 4 статьи в рекомендованном ВАК издании. Оформлен патент РФ №2068198 на “Устройство для вычисления расхода ресурса планера самолета”.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов по каждой главе, за­ключения и списка использованных источников. Работа изложена на 147 страницах, в том числе 14 таблиц и 25 рисунков. Список литературы содер­жит 110 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована ее цель и определен круг задач, которые необходимо решить для ее достижения.

В первой главе, носящей обзорно-исторический характер, проведен анализ методов и результатов исследования влияния условий эксплуатации на нагруженность и ресурс силовой конструкции ВС, а также рассмотрено развитие методов контроля индивидуальной нагруженности самолетов в эксплуатации.

Исследования условий эксплуатации и их влияния на ресурс конструкции самолетов в 60-е годы являлись одним из активно развивающихся направлений отечественной авиационной науки.

Центр тяжести работ в этом направлении был сосредоточен в СибНИА, ЦАГИ и ГосНИИ ГА (Т.А. Француз, В.Л. Райхер, А.М. Ершов, Б.П. Филимонов, Д.Ф. Рыков, А.П. Зубарев, В.П. Лапаев, О.Г. Татаринцева, И.В. Якобсон, В. А. Антонюк, А.С. Левин и др.), работавших в тесном взаимодействии с КБ.

В работе проанализирован весь комплекс проводимых экспериментальных и расчетных исследований: специальные летно-прочностные испытания, массовая обработка данных К3-63, измерение неровностей покрытий аэродромов, сбор и анализ данных о характере эксплуатации, расчетные исследования с использованием разрабатываемых математических моделей.

Результаты этих работ использовались при установлении ресурсов всем типам эксплуатирующихся самолетов. Свидетельствуя о существенном влиянии условий эксплуатации на нагруженность, данные исследований легли в основу требований Норм по контролю за условиями эксплуатации и, одновременно, стимулировали развитие методов индивидуального мониторинга нагруженности, которые позволили бы обеспечить безопасность эксплуатации без введения ограничивающих ресурс запасов.

Эти методы условно разделены автором на прямые и косвенные.

Суть прямых методов заключается в том, что индивидуальные особенности эксплуатации каждого экземпляра тем или иным образом оцениваются по показаниям датчиков или устройств, помещенных непосредственно в критические места конструкции.

Среди реализующих этот метод устройств наиболее проработанными и имевшими перспективу внедрения в эксплуатацию являлись Автоматические Счетчики Нагруженности (70-е годы, РИИГА, Х.Б. Кордонский, Г.С. Лоцманов, В.А. Нейфельд, А.М. Сорокин) и Бортовые Счетчики Ресурса (80-е годы, ЦАГИ, научно-методическое руководство В.Л. Райхера).

При всей привлекательности этих методов используемые при их реализации технологии оказались малоприемлемыми для эксплуатации и работы по АСН и БСР были прекращены на этапе испытаний.

В то же время активно начали развиваться менее точные, но более доступные “косвенные” методы контроля, суть которых заключается в том, что нагруженность конструкции тем или иным способом оценивается по доступным для анализа параметрам выполняемых полетов.

Первоначально эти методы основывались на данных эксплуатанта об основных параметрах выполняемых полетов и результатах анализа получаемых с помощью К3-63 данных о повторяемостях перегрузок.

К началу 80-х годов применяемые Разработчиками методики учета индивидуальной нагруженности учитывали в основном только влияние различий в параметрах полетов на нагрузки функционирования, а также влияние полетных весов на повторяемость перегрузок, изначально принимаемую единой для всех самолетов парка. При этом наиболее распространенным методом оценки индивидуальной нагруженности являлись разного рода построенные на основании расчетов номограммы, дающие возможность в зависимости от параметров полетов оценивать отличие повреждаемости (как правило, только крыла) данного самолета от типовой.

Усилия Разработчика сформировать более эффективную и технологичную систему регулярного мониторинга условий эксплуатации и нагруженности сталкивались с проблемой дефицита необходимой для этого объективной информации и низкими возможностями аппаратных средств.

Интенсивное развитие возможностей штатных бортовых регистраторов в части количества регистрируемых параметров, частоты опроса и методов регистрации при одновременном бурном развитии вычислительной техники открыло перед Разработчиками перспективы получения и оперативной обработки практически всей необходимой для достоверной оценки фактически действующих на самолет нагрузок объективной информации.

В результате выполнения большого комплекса работ по реализации этих возможностей применительно к самолетам гражданской авиации, проводимых в конце 80-х - начале 90-х годов под научным и методическим руководством ЦАГИ (В.И. Цымбалюк, А.В. Алакоз, А.А. Чернов, М.А. Ерусалимский …) и ГосНИИ ГА (А.А. Баранов, Б.Л. Лурье, В.П. Филиппов …), наиболее эффективным и оптимальным методом требуемого Нормами контроля нагруженности конструкции в эксплуатации в настоящее время является обработка данных, регистрируемых штатными бортовыми регистраторами полетной информации (МСРП).

Глава 2 содержит описание разработанной автором методологии контроля нагруженности и расходования ресурса ВС и реализующей ее Системы мониторинга эксплуатации, которая внедрена в практику работ по поддержанию летной годности самолетов семейства Ту-204/214.

Суть этой методологии заключается в следующем (рис.1):

Рис. 1. Укрупненная блок-схема функционирования системы мониторинга

- Анализ фактически реализуемых условий эксплуатации и нагруженности конструкции базируется на обработке полетной информации, регистрируемой штатными бортовыми регистраторами МСРП.

- Для каждого типа или модификации самолета Разработчик формирует алгоритмы первичной обработки полетной информации, разрабатывает программное обеспечение и после проведения испытаний и выполнения необходимых процедур одобрения этого программного обеспечения Авиационной властью направляет его Эксплуатанту.

- Одновременно Разработчик в своей доказательной и эксплуатационной документации, согласованной с Сертификационными Центрами, Авиационным регистром и Авиационной властью, в качестве обязательного условия отработки установленного им ресурса и обеспечения возможности его дальнейшего увеличения отражает требования к Эксплуатанту по проведению обработки полетной информации и регулярному представлению Разработчику результатов такой обработки.

- Эксплуатант в соответствии с требованиями ЭД и прилагаемыми к Программному обеспечению инструкциями проводит обработку данных МСРП и накопленные за определенный период результаты такой обработки направляет Разработчику.

- Разработчик проводит статистическую обработку получаемых из эксплуатации данных и анализ результатов этой обработки, сопоставляя результаты этого анализа с данными о типовых профилях полета, типовой нагруженности агрегатов планера и их возможного рассеивания, использованными им при установлении ресурсов и сроков службы и условий их отработки.

- Для обеспечения возможности хранения, систематизации и анализа данных эксплуатации совместно с данными испытаний и расчетов Разработчик создает интерактивную специализированную базу данных ресурсных характеристик конструкции, условий эксплуатации и технического состояния самолетов.

- Результаты проведенного анализа дают возможность в случае необходимости оперативно внести необходимые корректировки в условия отработки установленных ресурсов, а также служат основанием для обоснованного увеличения допустимых в эксплуатации наработок в соответствии с действующими процедурами.

Раскрывая организационно-техническую суть созданной в соответствии с этой методологией системы, в работе описываются законодательная и нормативная база системы мониторинга, участники работ и их функции, программные средства и техническая документация системы.

Приведено описание разработанных алгоритмов обработки полетной информации и структуры базы данных ресурсного анализа.

Интерактивной специализированной базе данных (ИСБД), в силу ее уникальности, в работе уделено особое внимание.

ИСБД представляет собой диалоговую систему мониторинга конструкции, предназначенную для сбора, систематизации, хранения и анализа на этапах проектирования, испытаний, производства и эксплуатации всей информации, определяющей ресурс силовой конструкции и условия его отработки.

База данных, включающая в себя более 80 таблиц и графиков, состоит из двух основных разделов.

Раздел “Ресурсные характеристики конструкции” содержит информацию об основных силовых элементах, критических местах силовой конструкции и их ресурсных характеристиках, определенных по результатам расчетов и натурных испытаний, аккумулирует данные обо всех проведенных лабораторных ресурсных испытаниях и их результатах, а также данные о типовых повреждениях конструкции в эксплуатации. Данные раздела являются основой для разработки доказательной документации по ресурсу и определения условий его безопасной отработки.

Раздел ИСБД “Условия эксплуатации и техническое состояние” содержит данные мониторинга эксплуатации каждого отдельного экземпляра самолета и парков самолетов различных типов и модификаций, необходимые для поддержания уровня их летной годности в процессе отработки установленных ресурсов и сроков службы.

Раздел содержит около 260 наименований параметров и охватывает весь круг задач анализа условий эксплуатации и технического состояния самолетов - установленные ресурсы и сроки службы и соответствующая доказательная документация, наработки, профили полетов, нагруженность и интенсивность расходования ресурса каждого экземпляра и парка в целом, конструктивные особенности и техническое состояние каждого экземпляра, эксплуатационная документация, отражающая объем и содержание мероприятий, необходимых для обеспечения летной годности в пределах установленных ресурсов и т.д. (рис. 2).

Рис. 2. ИСБД. Содержание подраздела “парк”

На основании данных этого раздела ИСБД формируется раздел Обоснования, отражающий результаты анализа условий эксплуатации и технического состояния парка самолетов и подтверждающий обоснованность примененных при установлении ресурса коэффициентов надежности.

Почти семилетний опыт эксплуатации ИСБД показывает, что она является эффективным средством информационной поддержки работ по обеспечению ресурса конструкции.

В целом, представленные в главе 2 материалы свидетельствуют о том, что созданная в соответствии с разработанной методологией система мониторинга обеспечивает возможность получения объективной информации о характере эксплуатации каждого экземпляра самолета и парка в целом, обосновывать увеличение ресурсов и сроков службы и, при необходимости, корректировать условия их отработки.

В создании системы и обеспечении ее эффективной работы принимали активное участие В.М. Либман, В.А. Хомяков, В.Т. Захарчук, А.В. Стасевич, С.М. Мельников, Т.В. Семенова, Н.Н. Ивашина, С.В. Арясов (ОАО “Туполев”), В.П. Филиппов (ГосНИИ ГА), В.И. Цымбалюк (ЦАГИ), А.П. Зубарев, В.П. Лапаев (СибНИА), которым автор выражает искреннюю благодарность.

Третья глава работы в основном посвящена анализу результатов, полученных в рамках действующей системы мониторинга условий эксплуатации и нагруженности самолетов семейства Ту-204/214.

Анализ проведен на базе 59644 обработанных полетов 34 самолетов различных модификаций и включал в себя оценки межполетного (внутриэкземплярного) рассеивания параметров, оценку типовой нагруженности каждого экземпляра и всего парка. В качестве параметра, характеризующего повреждаемость конструкции, рассматривалась определенная для одного из сечений нижней панели крыла величина относительной повреждаемости Nэкв=факт/тип, где факт - фактическая повреждаемость, а тип – повреждаемость, соответствующая типовому полету, принятому при установлении ресурса.

Полученные в результате анализа внутриэкземплярного рассеивания коэффициенты вариации для каждого параметра были использованы для определения минимально необходимого статистически представительного объема данных по одному самолету с использованием зависимости :

n = * (1)

где n - количество полетов, - квантиль нормированного нормального распределения, соответствующий вероятности (уровню значимости) =1,0 - Pдов, - коэффициент вариации, а - заданная относительная ошибка.

Результаты выполненных по формуле (1) при уровне доверия Pдов = 0,9 (U=1,28) оценок для взлетного веса Gвзл, характеризующей повторяемость перегрузок в центре тяжести безмоментной повреждаемости ny и характеризующей суммарный спектр нагружения нижней панели крыла относительной повреждаемости Nэкв, приведены в табл. 1.

Межполетные коффициенты вариации Таблица 1

	Gвзл	ny	Nэкв.	Примечание
макс	0,12	1,58	1,43	В качестве допустимой относительной погрешности для параметров ny и Nэкв. принято = 0,05, а для Gвзл, от которого повреждаемость зависит в четвертой степени, - = 0,01.
мин	0,06	0,77	0,65
ср	0,08	1,00	0,90
nср	110	650	530

Близкие к этому результаты получены в результате прямого расчета сходимости оценок средних значений по мере увеличения объема выборки.

Таким образом показано, что для надежной оценки средних для самолета значений весов, продолжительности полета, скорости и т.д. необходима обработка не менее 100-150 полетов, а повреждаемостей - не менее 500-600 полетов.

Проведенное сопоставление определенных для каждой модификации самолетов типовых профилей полета, повторяемостей перегрузок, повреждаемостей и ее структуры, фрагменты которого приведены в табл. 2, 3 и на рис. 3, свидетельствует о том, что типовые для парка профили полетов и типовые нагруженность и повреждаемость при установлении ресурсов были определены достаточно надежно.

Рис. 3. Сравнение средних (по паркам модификаций) повторяемостей

приращений перегрузок с расчетным прогнозом

Обращая при этом внимание на повышенную повторяемость перегрузок (в диапазоне ny от 0,0 до 0,15) и повреждаемость самолетов Ту-204-300, следует подчеркнуть, что действующая система мониторинга эксплуатации позволила выявить и устранить причины, негативно влияющие на нагруженность и расходование ресурса парка самолетов этой модификации.

Прогноз и фактические данные эксплуатации Таблица 2

		Gвзл	Gпос	Тпол	Gкомм	Gт.взл	Gт. пос	ny	Nэкв
Ту-214	Прогноз	105,0	84.8	6,2	21,0	25,0	4,8	7,5	1,0
	Факт.	99,0	81,0	5,6	8,0	28,4	7,8	6,8	0,8
Ту-204-100(В)	Прогноз	97,0	80.3	5,2	17,3	21,4	4,7	7,5	1,0
	Факт.	94,97	80,99	3,84	13,14	21,87	7,95	7,35	0,95
Ту-204-300	Прогноз	97,0	80,3	5,2	17,3	21,4	4,7	7,5	1,0
	Факт.	94,52	77,44	5,11	12,26	24,82	7,60	10,2	1,12
Ту-204-120С	Прогноз	97,0	80,3	5,2	17,3	21,4	4,7	7,5	1,0
	Факт.	79,0	75,0	1,1	10,3	11,4	7,6	4,65	0,4

Структура повреждаемости Таблица 3

	Прогноз	Ту-204-100 (В)	Ту-214	Ту-204-300
Доля цикла ЗВЗ в повреждаемости, %	48,0	45,0	45,0	32,0
Доля динамики в повреждаемости, %	52,0	55,0	55,0	68,0

Среднестатистические по парку данные о профилях полета и повреждаемости не дают полного представления о характере эксплуатации без оценок возможных отклонений от средних значений параметров эксплуатации отдельных экземпляров.

Табл. 4 показывает, в какой степени характеристики эксплуатации отдельных экземпляров самолетов Ту-204-100(В) отличаются от среднестатистических для этого парка.

Ту-204-100(В). Межэкземплярный разброс параметров Таблица 4

Параметр	Gвзл	Gпос	Тпол	Gкомм	Gт.взл	Gт. пос	ny	Nэкв
Макс/Средн	1,02	1,03	1,08	1,18	1,07	1,16	1,25	1,33
Мин/Средн	0,96	0,97	0,95	0,73	0,93	0,87	0,84	0,79
Макс/Мин	1,05	1,06	1,13	1,63	1,15	1,34	1,49	1,68
	0,02(0,08)	0,002	0,05	0,19	0,06	0,11	0,12 (1,0)	0,17(0,9)

Комментируя представленные в ней данные, необходимо отметить следующее:

- межэкземплярное рассеивание параметров эксплуатации и повреждаемости существенно (в 5-10 раз) меньше внутриэкземплярного (соответствующие значения из табл. 1 приведены в скобках);

- из параметров, оказывающих существенное влияние на повреждаемость конструкции крыла, наибольшее значение рассеивания (коэффициента вариации) имеет повторяемость перегрузок, которое и определяет в значительной степени рассеивание суммарной повреждаемости внутри данной модификации.

Аналогичный анализ, проведенный по всем модификациям, показал следующие экстремальные соотношения индивидуальных безмоментных (ny) и полных относительных повреждаемостей (Nэкв) с фактическими и с спрогнозированными типовыми для парка значениями (табл. 5 и рис. 4).

Максимальный межэкземплярный разброс повреждаемости Таблица 5

	Макс/Средн	Мин/Средн	Макс/Прогноз	Мин/Прогноз	Макс/Мин
ny	1,31 (Ту-214)	0,67(Ту-204-300)	2,15(Ту-204-300)	0,7(Ту-204-120)	1,9(Ту-204-300)
Nэкв	1,33(Ту-204-100(В)	0,63(Ту-214)	1,42(Ту-204-300)	0,4(Ту-204-120)	2,1(Ту-214)

Рис. 4. Межэкземплярный разброс Nэкв по модификациям

Эти данные, отражая фактический разброс нагруженности самолетов в эксплуатации, свидетельствуют как об имеющемся неиспользуемом ресурсном потенциале отдельных экземпляров, так и о необходимости мероприятий, обеспечивающих безопасность эксплуатации экземпляров, эксплуатирующихся в более тяжелых, чем среднестатистические, условиях.

В целом, приведенные в главе 3 данные свидетельствуют о том, что действующая система мониторинга обеспечивает возможность безопасной эксплуатации парка самолетов Ту-204/214 без введения запасов на рассеивание нагруженности.

Однако опыт функционирования системы показывает, что не всегда удается обеспечить мониторинг абсолютно всех самолетов парка. Для обеспечения безопасной эксплуатации самолетов, эксплуатирующихся вне системы мониторинга, а также в тех случаях, когда по тем или иным причинам мониторинг носит эпизодический характер, необходим метод, позволяющий определять потребные коэффициенты надежности в зависимости от реализуемого на парке рассеивания нагруженности конструкции, характеристики которого определяются по данным ограниченного мониторинга.

В четвертой главе развивается вероятностный подход к определению запасов на рассеивание нагруженности при установлении ресурса силовой конструкции и определении условий их отработки.

Обозначим j типовую полетную повреждаемость j –го самолета парка из L самолетов, а величину отн j = j / ср, где ср = – средняя по парку из L самолетов повреждаемость одного полета, будем называть относительной повреждаемостью.

Легко показать, что долговечность конструкции D является функцией двух случайных независимых величин – долговечности d при равном единице среднем значении относительной повреждаемости и самой относительной повреждаемости отн:

D=d / отн или lgD = lgd lgотн.

Рассеивание долговечности D обусловлено как рассеиванием усталостных свойств конструкции при воздействии определенного спектра нагрузок, так и рассеиванием самих спектров нагрузок (повреждаемости) в эксплуатации. Гипотеза о логарифмически нормальном распределении усталостной долговечности согласуется с многочисленными экспериментальными данными и является общепризнанной. Гипотеза о логарифмически нормальном распределении относительной повреждаемости, как показано далее, также не противоречит фактическим данным эксплуатации.

Из теоремы о дисперсии суммы независимых случайных величин следует, что

, (2)

где lgd – среднеквадратическое отклонение логарифма долговечности при неизменной повреждаемости, lgотн - среднеквадратическое отклонение логарифма относительной повреждаемости.

Используемый в Нормах коэффициент надежности 4, на который следует делить достигнутую в испытаниях наработку, определен на основе зависимости

(3)

и по сути представляет собой произведение двух коэффициентов

4 = 4,1* 4,2,

где - учитывает рассеивание долговечности d, определен из рассмотрения ее логнормального условного распределения со стандартным отклонением lgd и соответствует квантилю 0,001 такого распределения;

- учитывает погрешность определения математического ожидания величины d по результатам испытаний n образцов, соответствует 0,9 квантилю логнормального распределения случайной величины определяемого экспериментально среднего значения долговечности.

Сохраняя такой же подход при определении запасов, необходимых для учета полного рассеивания величины долговечности D, можно записать:

. (4)

Индекс “3,4” означает, что определенный таким образом коэффициент надежности заменяет и коэффициент надежности 3, и коэффициент надежности 4.

Если придерживаться практики разделения коэффициентов по смыслу выполняемых ими функций, то, определяя коэффициент надежности 4 по формуле (3), коэффициент надежности 3 может быть определен, как

3 = 3,4/4, или . (5)

Рассмотренный выше подход и полученные в соответствии с ним выражения (4) и (5) позволяют количественно оценивать необходимый запас в зависимости от фактического рассеивания нагруженности в эксплуатации.

С использованием данных мониторинга индивидуальной нагруженности самолетов типа Ту-204/214 и Ту-154 и критерия Андерсона-Дарлинга проведена проверка гипотезы логнормального распределения повреждаемости.

Результаты проведенных расчетов приведены на рис. 5 и позволяют констатировать, что для самолетов Ту-154 и Ту204/214 распределение величин относительных повреждаемостей экземпляров не противоречит логнормальному закону. Об этом свидетельствуют как хорошая корреляция эмпирических данных в осях “повреждаемость” – “вероятность”, так и превышение уровня значимости (УЗ) значения 0,05 по критерию Андерсона-Дарлинга.

а б

Рис. 5. Распределение повреждаемости по Ту-154 (а) и Ту-204/214 (б)

В табл. 6 приведены значения коэффициентов надежности, определенные с использованием выражения (5) для парка самолетов Ту-154 и различных модификаций Ту-204/214.

Оценки потребных коэффициентов надежности Таблица 6

	Ту-154М	Ту-204/214
		Модификации
		Ту-204-100 (В)	Ту-204-300	Ту-214
lg	0,039	0,075	0,097	0,115
Nэквср	0,88	0,94	1,09	0,78
3 по формуле (5)	1,04	1,13	1,23	1,32
3 по МОС 25.571	1,50	1,50	1,50	1,50
3 МОС / 3формула	1,44	1,33	1,22	1,14

Видно, что для рассматриваемых парков самолетов, рекомендуемое МОС значение 3 =1,5 в 1,44 – 1,14 раз превышает величину необходимого запаса на рассеивание нагруженности.

Отметим, что полученные оценки потребных коэффициентов надежности 3 для самолетов семейства Ту-204/214, ресурс которым установлен с 3 =1,0, представляют не только теоретический интерес. В случае отсутствия данных от какого-либо эксплуатанта, к его самолетам должны быть применены именно эти запасы.

Приведенное в работе обобщение имеющихся данных о рассеивании повреждаемости в эксплуатации различных типов самолетов позволяет сделать вывод о том, что в качестве средней оценки рассеивания повреждаемости в эксплуатации достаточно надежно может рассматриваться величина lg =0,075, а в качестве оценки сверху, используемой при отсутствии данных о фактическом рассеивании условий эксплуатации и нагруженности конструкции, можно принимать lg = 0,12, что соответствует 3 = 1,35.

Основываясь на результатах проведенного исследования, а также учитывая, что при принятом в Нормах значении = 0,15 в диапазоне изменения от 0,0 до 0,12 зависимость (5) с погрешностью порядка 5% аппроксимируется выражением 3 =2,5+1,0, в работе предложена следующая редакция п.4.1.8.2 МОC 25.571:

Коэффициент 3 учитывает обусловленные особенностями условий эксплуатации отдельных экземпляров отличия их нагруженности от типовой (средней) для парка, а также возможные отклонения самой типовой (средней) нагруженности от принятой при установлении ресурса.

Величину коэффициента 3 следует принимать в зависимости от полноты и надежности данных о фактических условиях эксплуатации в соответствии с указаниями табл.7.

Потребная величина коэффициента надежности 3 Таблица 7

Данные о фактических условиях эксплуатации и нагруженности.	3
Отсутствие данных о фактических условиях эксплуатции, типовой (средней) для парка нагруженности и ее воможного рассеивания	1,5
Статистически обоснованные данные о фактических типовых условиях эксплуатации парка и средней нагруженности без оценки ее возможного рассеивания	1,35*k
Статистически обоснованные данные о фактических типовых условиях эксплуатации парка, средней нагруженности и ее рассеивании ()	(2,5lg+1,0) *k
Непрерывно функционирующая система контроля условий эксплуатации и нагруженности каждого экземпляра, либо заведомо консервативная программа испытаний, отражающая наиболее тяжелые из возможных условий эксплуатации	1,0

Примечания:

1. Под наиболее тяжелыми понимаются такие условия эксплуатации, которые соответствуют повреждаемости, не менее чем в 1,5 раза превышающей типовую, принятую при установлении ресурса.

2. Под статистически обоснованными понимаются данные, полученные в результате обработки информации о параметрах не менее 600 выполненных каждым экземпляром парка полетов за последние 2 года.

3. k= факт/ тсн., где факт - повреждаемость, соответствующая фактическим средним по парку условиям эксплуатации, тсн. - повреждаемость типового полета, принятая при установлении ресурса.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. На основе проведенного анализа и классификации методов и средств контроля нагруженности в эксплуатации определено, что наиболее оптимальным методом мониторинга нагруженности в эксплуатации в настоящее время является обработка данных, регистрируемых штатными бортовыми регистраторами полетной информации.
2. В соответствии с разработанной методологией создана и введена в практику работ по поддержанию летной годности самолетов семейства Ту-204/214 система мониторинга эксплуатации, включающая в себя:

• Программы обработки регистрируемой на МСРП полетной информации, позволяющие оценивать нагруженность конструкции в каждом выполненном полете и за весь период эксплуатации каждого самолета и парка в целом.

• Интерактивную базу данных, обеспечивающую хранение, систематизацию и анализ данных об условиях эксплуатации и нагруженности самолетов, а также данных о ресурсных характеристиках конструкции.

• Комплекс организационно-технических мероприятий, обеспечивающих возможность своевременно получать объективную информацию о характере эксплуатации и, при необходимости, корректировать условия отработки устанавливаемых ресурсов.

3. Проведен анализ результатов работы системы при проведении работ по поддержанию летной годности различных модификаций семейства самолетов Ту-204/214, свидетельствующий о том, что:

• Фактические профили полетов и повреждаемости, типовые для парка рассматриваемых модификаций, легче или близки к спрогнозированным при установлении ресурсов.

• Типовая полетная повреждаемость подавляющего большинства самолетов парка не превышает спрогнозированную. При этом повреждаемость конструкции отдельного экземпляра может существенно превышать среднюю по парку, а часть самолетов эксплуатируется с существенно меньшей, чем средняя, повреждаемостью.

• Действующая система мониторинга обеспечивает безопасную эксплуатацию самолетов Ту-204/214, ресурс которым установлен без запасов на рассеивание нагруженности.

4. С использованием полученных в результате мониторинга данных:

• Проанализировано внутриэкземплярное рассеивание параметров полетов и повреждаемости и обосновано минимальное количество полетов, необходимое для надежного определения типовых для данного самолета параметров полета и повреждаемости.

• Проанализировано распределение повреждаемостей конструкции на парке самолетов Ту-154 и Ту-204/214, показано, что оно подчиняется логнормальному закону и определены параметры этого распределения.

5. На основе вероятностной модели рассеивания долговечности получена формула для определения потребного значения коэффициента надежности 3 в зависимости от реализуемого на парке межэкземплярного рассеивания повреждаемости конструкции и сформулированы соответствующие предложения по корректировке МОС 25.571, вошедшие в проект новой редакции документа.
6. С использованием результатов проведенных автором работ установлены увеличенные ресурсы различным модификациям самолетов Ту-154 и Ту-204/214.

Результаты исследований, проведенных автором и изложенных в диссертационной работе, опубликованы в следующей литературе:

1. Фейгенбаум Ю.М., Сеник В.Я. Система мониторинга условий эксплуатации, как средство максимального использования ресурсного потенциала парка ВС // Проблемы прочности авиационных конструкций и материалов: тезисы школы-семинара. – Новосибирск: СибНИА, 2011. - С. 27-28.

2. Гришин А.Н., Самойлов И.А., Диогенов С.В., Семин А.В., Фейгенбаум Ю.М., Халенков М.А. Самолеты Ту-204. Основные проблемы и перспективы их эксплуатации // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Аэромеханика, прочность, поддержание летной годности. - 2011.- № 163. - С. 30-40.

3. Бутушин С.В., Семин А.В., Фейгенбаум Ю.М. Оценка вероятности развития усталостного повреждения в элементах конструкции планера воздушного судна, имеющего производственные дефекты // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Аэромеханика, прочность, поддержание летной годности. - 2011. – №163. - C. 103-109.

4. Миркин И.И., Михалев А.В., Фейгенбаум Ю.М. Совершенствование системы обеспечения и поддержания летной годности самолетов по условиям безопасности от коррозии // Научный Вестник МГТУГА, серия Аэромеханика, прочность, поддержание летной годности. - 2011. – № 163. - C. 41-48.

5. Байков В.М., Каширин В.В., Ковалевский А.С., Лапаев А.В., Фейгенбаум Ю.М., Шапкин В.С. Практические результаты экспериментальных исследований характеристик долговечности элементов конструкции из материала Д16АТВ в разных исходных состояниях // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Аэромеханика, прочность, поддержание летной годности. - 2010. – №153 - C.44-51.

6. Фейгенбаум Ю.М., Шунаев В.П. Система и опыт поддержания летной годности самолетов “Ту” по условиям безопасности от коррозии // Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества:

тезисы докладов междунар. науч.-техн. конф. - М.: МГТУ ГА, 2008. - C.116-117.

7. Стасевич А.В., Фейгенбаум Ю.М., Шунаев В.П. Информационные технологии при проведении работ по обеспечению прочности самолетов // Новые рубежи авиационной науки: сб. тезисов междунар. конф. - Жуковский: ЦАГИ, 2007. - C. 53-54.

8. Фейгенбаум Ю.М. Информационное обеспечение работ по поддержанию летной годности по условиям прочности. // Программные продукты информационного обеспечения безопасности полетов, надежности и технической эксплуатации авиационной техники: труды междунар. конф. - М.: Межгосударственный авиационный комитет, 2006. - С. 34-42.

9. Алакоз А.В., Фейгенбаум Ю.М., Филиппов В.П. Применение бортовых регистраторов для оценки поэкземплярной нагруженности самолетов в процессе эксплуатации // Проблемы и перспективы создания накопителей полетных данных: сб. докладов Первой науч.-практ. конф. ОАО “Прибор”. - Курск, 2004. - С. 65-69.

10. Либман В.М., Фейгенбаум Ю.М. Влияние качества аэродромных покрытий на весовые и ресурсные характеристики среднемагистральных самолетов // Плавность хода экологически чистых автомобилей в различных дорожных условиях и летательных аппаратов при приземлении и торможении: тезисы Первой междунар. науч.-метод. и науч.-исслед. конф. - М.: МАДИ, 1997. - С. 49-52.

11. Либман В.М., Фейгенбаум Ю.М. Типовые спектры нагружения шасси // Проблемы обеспечения ресурса и функциональной способности шасси: тезисы межотрасл. науч.-техн. семинара. - Жуковский: ЦАГИ, 1993. - C. 29.

12. Кочарян Ф.А., Фейгенбаум Ю.М., Либман В.М., Бурмистрова В.Ю., Фролков А.И., Воробьев А.Д., Баженов В.А. Опыт установления ресурса на основе учета индивидуальной нагруженности изделий в эксплуатации: тезисы Восьмой науч.-техн. конф. по ресурсу авиаконструкций. - Жуковский: ЦАГИ, 1986. - C. 172.

13. Кочарян Ф.А., Скотников В.А., Сулименков В.В., Фейгенбаум Ю.М. Влияние условий эксплуатации на интенсивность расходования ресурса: тезисы Седьмой науч.-техн. конф. по ресурсу авиаконструкций. - Жуковский: ЦАГИ, 1983. - С. 31.

14. Либман В.М., Лягушкин Н.В., Фейгенбаум Ю.М. Опыт расчетной оценки нагруженности и долговечности крыла самолета Ту-114: тезисы Седьмой науч.-техн. конф. по ресурсу авиаконструкций. - Жуковский: ЦАГИ, 1983. - С. 34.

15. Нюренберг Д.И., Фейгенбаум Ю.М. Анализ влияния различных эксплуатационных факторов на ресурс самолета Ту-154: тезисы Седьмой науч.-техн. конф. по ресурсу авиаконструкций. - Жуковский: ЦАГИ, 1983. - С. 35.

16. Пат. Российской Федерации №2068198. Устройство для вычисления расхода ресурса планера самолета / Фролков А.И., Адров В.М., Алембаторов А.П., Захарихин А.Б., Краснопирко А.М., Фейгенбаум Ю.М. Класс пат. G06F17/00; номер заявки 5048503/23; дата подачи заявки - 17.06.1992; дата публикации – 20.10.1996; заявители, авторы и патентообладатели: Фролков А.И., Адров В.М., Алембаторов А.П., Захарихин А.Б., Краснопирко А.М., Фейгенбаум Ю.М.

Соискатель Ю.М. Фейгенбаум

Подписано в печать11.05.11 г

Печать офсетная Формат 60х84/16 1,21 уч.-изд. л.

1,28 усл.печ.л. Заказ № Тираж 80 экз.

Московский государственный технический университет ГА

125993 Москва, Кронштадтский бульвар, д. 20

Редакционно-издательский отдел

125493 Москва, ул. Пулковская, д.6а

© Московский государственный

технический университет ГА, 2011