Совершенствование методов расчета надежности функциональных систем самолетов гражданской авиации и исследование процессов старения (06.09.2010)

Автор: Бойко Оксана Геннадьевна

подходе, не стимулирует разработчиков систем к преодолению этих трудностей.

При альтернативном методе решения той же задачи увеличение надежности с разбиением системы на z частей существенно больше (рис. 11). При z=4 надежность увеличивается в 100, а при z = 6 в 340 ( 400 раз.

Показано, что для системы с общим резервированием при трех параллельно работающих подсистемах эффект еще выше. При традиционном подходе к рас-

чету надежности он составляет при z = 4 увеличение надежности в 12 раз (рис. 12), а при альтернативном подходе (рис. 13) надежность возрастает в 2800 раз и в 9000 раз при z = 5. Это не может не стимулировать разработчиков к преодолению упомянутых выше трудностей связанных с переходом от систем с общим резервированием к системам имеющим z блоков индивидуального резервирования. При традиционном подходе, при построении решения для расчета надежности сложных систем, не учитывается неоднозначность возможных путей (сценариев) развития отказа в системе. Это также приводит к получению ошибочных результатов.

Практика оценки надежности агрегатов и ФСС ГА опирается на результаты испытаний, программы которых в соответствии с ГОСТами определяются планами испытаний. Поверочные расчеты выполняются по статистической информации о наработках и отказах, собранной в эксплуатационных подразделениях. При этом, планы испытаний на надежность не совпадают с программами технического обслуживания и возникает неоднозначность в толковании результатов. В связи с этим, для получения адекватных оценок на стадии проектирования, необходимо планы испытаний согласовывать с задаваемыми эксплуатантам программами технического обслуживания.

Рисунок 12 – Отношение вероятностей отказа исходной системы и системы разделенной на z частей, рассчитанные по традиционной методике при n = 20, m = 3 и

( = 1 * 10-2 Рисунок 13 – Отношение вероятностей отказа исходной системы и системы разделенной на z частей, и рассчитанные по альтернативной методике при n = 20, m = 3 и ( = 1*10-2

В практике технической эксплуатации различают две стратегии: стратегию эксплуатации до выработки ресурса и стратегию эксплуатации по фактическому состоянию. Последняя в свою очередь разделяется на стратегию эксплуатации до предотказного состояния и до безопасного отказа. Каждой стратегии эксплуатации соответствует своя стратегия технического обслуживания. Стратегии эксплуатации до выработки ресурса соответствует стратегия технического обслуживания с контролем наработки. Стратегии эксплуатации до предотказного состояния соответствует стратегия обслуживания с контролем параметров. Стратегии эксплуатации до безопасного отказа соответствует стратегия обслуживания с контролем надежности.

, в эксплуатации соответствует стратегия эксплуатации до безопасного отказа, но только до той поры, пока не выполнялись мероприятия по поддержанию надежности агрегатов.

. Значения указанных оценок приведены в таблице 1

Таблица 1 Значения наработки агрегатов

=182 700 часов, календарный срок наработки на отказ для РП-56-2 составит 91 год, а для агрегата РП-55-2А – 20 лет. Рассматриваемые агрегаты являются гидромеханическими с высоким давлением и с резиновыми уплотнительными манжетами. Естественно, что они не смогут безотказно проработать 90 или даже 20 лет.

, которая для агрегатов недостижима в принципе. Здесь следует иметь ввиду два аспекта действующей стратегии технического обслуживания. Первый состоит в том, что заменяются не только отказавшие агрегаты, но и все неотказавшие наработавшие 12 000 часов, т.е. реально ни 20 лет ни 91 год агрегаты не эксплуатируются.

. Но при этом необходимо помнить, что это оценки не только собственных свойств безотказности агрегатов, но и системы их технического обслуживания, а она сильно зависит от принятой стратегии и режимов технического обслуживания. Если рассматриваемым рулевым приводам увеличить ресурсы, например, до 24 000 часов, то их параметры потоков отказов увеличатся. А если уменьшить до значений менее 12 000 часов, то параметры потоков отказов также уменьшатся.

Параметр потока отказов агрегата в эксплуатации следует представить состоящим из двух частей

- стратегией и режимом обслуживания. В эксплуатации при действующей системе технического обслуживания выделить эти составляющие не представляется возможным.

Для оценки вероятностей пребывания системы в различных состояниях оперативного цикла использования самолета по назначению разработана упрощенная методика использования Марковских моделей.

В четвертом разделе рассмотрены некоторые аспекты риск-анализа авиационной техники. Риск-анализ, как новое направление в области исследования надежности, развивается сравнительно недавно. Под ним понимается анализ произведения вероятности возникновения катастроф на потери, сопровождающие их реализации (А.М. Лепихин, Н.А. Махутов , 2003). Фактически под риск-анализом понимается риск потерь. В работе развивается подход, анализирующий «затраты-прибыль», предложенный в монографии Девида Б.Брауна (1979 г.). Под затратами понимаются средства истраченные на достижение определенного уровня безопасности сложных человеко-машинных систем, а прибыль это нереализовавшиеся потери от аварий и катастроф в функции затрат на безопасность. Кривая «затраты-при-быль», как утверждает Б.Браун, имеет один и тот же характер для всех областей человеческой деятельности (рис. 14)

Отличие состоит в соотношении затрат и прибыли. В соответствии с кривой «затраты-прибыль», на начальном этапе повышения безопасности небольшие затраты обеспечивают получение существенной прибыли. По мере роста затрат на безопасность, эффект неуклонно снижается. Опасность существует всегда и приходит с неожиданной стороны.

Существенен вопрос о том, сколько необходимо и достаточно вкладывать средств в

Рисунок 14 – Кривая затраты-прибыль обеспечение безопасности. Б. Браун полагает, что условие необходимости и достаточности

выполняется если затраты равны прибыли. Считается, что при меньших затратах налогоплательщики теряют из-за недостаточного разрежения потока аварий и катастроф. При больших затратах в обеспечение безопасности общество беднеет поскольку недопроизводит товары и услуги. В настоящее время появились отрасли промышленности, например ядерная энергетика, для которых такое условие необходимости и достаточности представляется сомнительным. Авария на атомной электростанции может уничтожить экономику государства средних размеров, но вложение всего национального дохода государства в безопасность далеко от реальности и бессмысленно.

В работе предпринята попытка построить математическую модель кривой «затраты-прибыль» и наполнить ее содержанием как в части затрат, так и прибыли. на примере частных задач обеспечения безопасности полетов. Для этого рассмотрена статистика 50 катастроф с самолетами и вертолетами на территории Российской Федерации. Установлено, что катастрофы, вызванные отказами функциональных систем, не наблюдались. 97 % катастроф сопряжены с негативными последствиями влияния человеческого фактора. И только 3% катастроф связаны с отказами авиационной техники, по причине КПН. Они определяются отказами двигателей с отягощающими последствиями, к которым относятся нелокализуемый пожар и разрушение двигателя, наносящее самолету повреждения, при которых продолжение полета становится невозможным.

При современном уровне производства надежность двигателей с большей или меньшей тягой одинакова. В этих условиях вероятность отказа двигателя с отягощающими последствиями возрастает с увеличением числа двигателей на самолете. В связи с этим в гражданской авиации наметилась тенденция к увеличению тяги двигателей и к переходу к двухдвигательным самолетам.

Производство двигателя большей тяги существенно дороже, чем меньшей. Так стоимость одного килограмма тяги двигателя примерно пропорциональна степени увеличения каждого килограмма тяги в кубе. Данный факт обеспечивает возможность построения кривой «затраты-прибыль» для оценки безопасности полетов, определяемой безопасностью силовой установки.

В работе рассмотрено влияние стоимости силовой установки самолета на потери от катастроф. Стоимость одного килограмма тяги двигателя принимается пропорциональной степени увеличения его тяги k (k = 2(3) в n раз. Пусть базовый двигатель имеет тягу Р0 и стоимость Ц0. Если на самолете установлено m базовых двигателей, то тяга всей силовой установки выразится как

а стоимость базового варианта силовой установки будет

раз. Если в силовой установке использовать двигатели большей тяги, то при фиксированной тяге силовой установки Р на самолете будет установлено в n раз меньше двигателей. Тогда стоимость силовой установки с уменьшенным числом двигателей будет

двигателей. Тогда вероятность отказа двигателя за 1 час полета

Поскольку увеличение тяги двигателей в n раз позволяет во столько же уменьшить их число в силовой установке, то и вероятность отказа двигателя будет

Тогда стоимость потерь от катастрофы составит

из (19) в виде

и подставив в уравнение (20) окончательно получим

Результаты выполненных расчетов для случаев увеличения стоимости одного кг тяги пропорционально второй и третьей степени увеличения тяги двигателя, представлены на рисунке 15. Таким образом из рисунка следует, что с увеличением затрат, их эффективность по уменьшению потерь от катастроф интенсивно снижается, что хорошо согласуется с предложенной в Б Брауном моделью «затраты-прибыль» применительно к безопасности полетов.

В работе рассмотрена задача анализа соотношения затрат и прибыли для самолета при неизменном числе двигателей m и увеличении их тяги. Поскольку при увеличении тяги двигателей в n раз стоимость каждого килограмма тяги увеличивается в nk раз, а стоимость двигателя увеличивается в nk+1 раз, то стоимость силовой установки в этом случае будет

При этом пропорционально n

Рисунок 15 – Зависимость потерь от

катастроф в функции затрат возрастает общая тяга силовой установки самолета, а с ней возрастает полетная масса, пассажировмести-

мость и потери от реализации катастрофы, т. е.

- потери от катастрофы при базовом варианте силовой установки.


загрузка...