Причины возникновения отказов авиационной техники и ее элементов

РАЗДЕЛ 1. Основы теории надежности

Значение проблемы обеспечения надежности авиационной техники.

Бурное развитие современной техники и непрерывный технический прогресс обеспечили создание совершенных ЛА, позволяющих в различных погодных условиях независимо от календарного и суточного времени перевозить пассажиров и грузы за многие тысячи километров.

Создание любого совершенного высокоэкономичного технического устройства, в особенности авиационного, неизбежно связано с необходимостью поддержания рабочих режимов вблизи предельных границ устойчивости, прочности и оптимального сочетания многих параметров.

Усложнение авиационной техники (АТ), обусловленное необходимостью обеспечения высоких летных характеристик ЛА, повышение энерговооруженности ЛА, постоянно возрастающий объем воздушных перевозок и особенно массовые пассажирские перевозки выдвигают на одно из первых мест требования обеспечения высокой безопасности полетов (БП) и эффективности использования АТ. Все системы, изделия и устройства, участвующие в обеспечении БП должны бесперебойно выполнять свои функции в течение всего заданного времени их работы. Случайный перерыв в работе недопустим, т.к. может привести к нарушению режима полета ЛА и непоправимым последствиям.

Наука о надежности изучает закономерности возникновения отказов и неисправностей технических устройств, разрабатывает способы повышения уровней надежности изделий при конструировании, обеспечения его при изготовлении и поддержания при эксплуатации, рассматривает методы расчета и прогнозирования показателей надежности, способы и методы контроля уровня надежности изделий в эксплуатации.

Теория надежности, как и всякая прикладная теория, базируется на фундаментальных математических и естественных науках.

Базу теории надежности составляют:

— математические методы теории надежности, базирующиеся в основном на теории вероятностей и математической статистики, методах оптимизации, теории информации и математической логики и др.;

— теория повреждающих процессов(физика отказов), изучающая необратимые процессы, приводящие к потере при эксплуатации объектов начальных свойств материалами, из которых изготовлены объекты, или которые необходимы для их функционирования (топливо, смазочные материалы и т.п.), прежде всего – триботехнические процессы, усталость, коррозию, эрозию и старение;

— прикладные методы обеспечения надежности в областях расчета и прогнозирования, проектирование, технологии изготовления, эксплуатации и ремонта объектов изучаемого типа.

Основные понятия и определения.

Безопасность полетов (БП) — комплексная характеристика авиационной транспортной системы (АТС), определяющая способность выполнять полеты без угрозы для жизни и здоровья людей.

Безопасность полетов определяется надежностью ВС.

Надежность — свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования.

Надежность является сложным свойством, которое в зависимости от назначения объекта и условий его применения состоит из сочетаний свойств безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости.

Безотказность — свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течении некоторого времени (например в течение полета) или некоторой наработки.

Это одно из основных условий возможности использования ВС.

Для однозначности формулировок вводят понятие объект, обобщающее в себе такие понятия, как элемент, система иизделие.

Изделие - единица продукции, выпускаемая предприятием или его структурным подразделением, которая может состоять из одной детали или совокупности деталей, например, самолет, двигатель, подшипник, ремень и т.д.

Элемент - простейшая при данном рассмотрении составная часть изделия, предназначенная для выполнения его определенных функций; в задачах надежности может состоять из многих деталей.

Система - совокупность совместно действующих элементов, предназначенная для самостоятельного выполнения заданных функций, например, гидравлическая система воздушного судна.

Наработка — продолжительность или объем работы объекта. Может измеряться в часах, циклах, посадках, взлетах и т.д.

Долговечность — свойство объекта сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния (списания) при установленной системе технического обслуживания и ремонтов (ТО и Р).

Долговечность устанавливается для определенного периода использования изделия, в течение которого бывают перерывы между полетами (включая перерывы на ТО и профилактические работы).

Свойство долговечности предполагает использование изделия до предельного состояния.

Для неремонтируемых объектов понятия безотказности и долговечности практически совпадают.

Предельное состояние — состояние при наступлении которого дальнейшее применение изделия по назначению недопустимо или нецелесообразно, либо восстановление исправного или работоспособного состояния изделия невозможно или нецелесообразно.

Неремонтируемый объект достигает предельного состояния при возникновении отказа или при достижении заранее установленного предельного срока службы или суммарной наработки, обусловленных требованиями обеспечения безопасности или эксплуатационной надежности.

Причинами прекращения эксплуатации ремонтируемого объекта могут быть:

— невозможность обеспечения минимально необходимого уровня безопасности, безотказности и эффективности;

— неоправданно большие затраты на ремонт и восстановление объекта (экономическая нецелесообразность);

— моральное старение объекта, когда его эксплуатация становится экономически неоправданной.

Ремонтопригодность — приспособленность объекта к предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов, повреждений, а также поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем проведения ТО и Р.

Ремонтопригодность, с одной стороны, характеризует полноту конструкторских решений по предупреждению и обнаружению возможных отказов и, с другой, - какой ценой по трудозатратам и по времени восстановления и подготовки к эксплуатации обеспечивается требуемый уровень надежности изделия.

Сохраняемость — свойство объекта сохранять значения показателей безотказности, долговечности и ремонтопригодности в течение и после хранения и (или) транспортирования.

В зависимости от назначения изделия и условий его эксплуатации, различные сочетания указанных выше свойств могут быть присущи изделиям в целом или отдельным его частям.

Например, невосстанавливаемые изделия, при функционировании которых допустим только один отказ, не имеют свойства ремонтопригодности, а их свойства безотказности и долговечности практически совпадают.

Авиационные двигатели как сложное восстанавливаемое изделие имеет все четыре свойства, составляющие надежность, а такие его элементы как топливные форсунки, свечи зажигания и другие, имеют только часть этих свойств.

Работоспособность — состояние объекта, при котором значения всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствуют требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской документации.

Работоспособность не касается требований, непосредственно не влияющих на эксплуатационные показатели, (например, повреждение окраски).

Исправность - состояние объекта, при котором он удовлетворяет не только основным, но и вспомогательным требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской документации.

Исправное изделие обязательно работоспособно.

Неисправность — состояние объекта, при котором он не соответствует хотя бы одному из требований нормативно-технической и (или) конструкторской документации.

Различают неисправности, не приводящие к отказам, и неисправности и их сочетания, приводящие к отказам.

Отказ — событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния объекта.

Рис.1. Диаграмма состояний и событий.

1 — повреждение; 2 — отказ; 3 — неустранимый или опасный дефект;

4 — восстановление исправности; 5— ремонт; 6 — списание.

Причины возникновения отказов авиационной техники и ее элементов.

Объективные законы, действующие в окружающем мире, таковы, что любая машина в процессе эксплуатации испытывает воздействие со стороны внешней среды, человека, продукта произведенного машиной, а также взаимное воздействие отдельных элементов машины друг на друга.

Воздействие на машину и её элементы является результатом передачи и преобразования энергии.

Большинство неисправностей АТ связано со старением и износом.

В результате старения происходит изменение механических и физических свойств сплавов: на первых стадиях наблюдается упрочнение сплава, увеличение его твердости и повышения сопротивления пластической деформации; на последних стадиях прочность сплава снижается.

В процессе старения сплавов часто наблюдается коррозионное растрескивание по границам зерен под напряжением.

При старении пластических материалов вследствие изменения их физико-химических свойств, снижается прочность при растяжении, увеличивается хрупкость при низких температурах, увеличивается газопроницаемость и ухудшаются диэлектрические свойства.

Рис. 2.Схема возникновения отказа, связанного со старением

Износ – результат процесса постепенного изменения размеров детали по её поверхности при трении (сухом, полусухом или жидком).

Изнашивание – процесс постепенного изменения размеров тела при трении, проявляющийся в отделении с поверхностей трения материала и (или) его остаточной деформации.

Применительно к изделиям АТ с учетом специфики их работы и внешних воздействий рассмотрим следующие основные виды изнашивания:

— абразивное изнашивание, при котором отделение части поверхности происходит за счет микрорезания и микроцарапания, производимого абразивными частицами;

— усталостное изнашивание, возникающее при трении качения и являющееся следствием усталости поверхностных слоев металла; при этом происходит измельчение поверхностных слоев;

— молекулярное изнашивание, характеризуемое местным налипанием и отделением частиц на поверхности трения (адгезионный отрыв). Такое изнашивание возникает при высоких давлениях и, как правило, обладает высокой интенсивностью.

— окислительное изнашивание, происходящее под сильным воздействием окислительных процессов. Пластически деформированный и насыщенный кислородом поверхностный слой изделий разрушается под действием многократно повторяющихся нагрузок, после чего в процесс вступают новые нижние слои металла.

— кавитационное изнашивание возникает в местах понижения давления;

— газовая эрозиявозникает вследствие размягчения и окисления с последующим отрывом и уносом частиц с поверхности элементов изделия, обтекаемых газовым потоком.

Эрозия – разрушение поверхности материала вследствие механического воздействия на неё высокоскоростного потока жидкости или газа.

В результате трения происходит расшатывание отдельных частиц материала, последующее вымывание которых ускоряется динамическим потоком жидкости или газа.

Коррозия – процесс самопроизвольного и необратимого разрушения металла вследствие его химического или электрохимического взаимодействия с внешней средой.

В зависимости от конкретных условий коррозии, разрушение может иметь механизм химической коррозии, электрохимической коррозии или их комбинации.