ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМ С МНОГОКРАТНЫМ РЕЗЕРВИРОВАНИЕМ
Причины резервирования современных функциональных систем. Усложнение авиационной техники находит свое выражение не только в росте размеров конструкции, но и в числе элементов (агрегатов), образующих любую, из функциональных систем [25, 26]. Уменьшение надежности функциональных систем (ФС) по мере ее усложнения можно показать на следующем’: примере. Пусть изделие состоит из п элементов. Вероятность безотказной: работы каждого из них за время t обозначим через Ri{t). Примем, что отказ любого элемента не зависит от отказа других, но в то же время его отказ означает также отказ системы в целом. Тогда согласно положениям § 1.3 вероятность безотказной работы
Яф. с(і) = П Ri(t).
/=і
При использовании однотипных элементов
Ri>.c(t) = [/?/(£)]"■ р.
Результаты моделирования показывают, что надежность ФС, если не — принять мер по резервированию, может оказаться меньше надежности любого самого ненадежного элемента (рис. 2.5). В качестве модели «слабейшего звена» обычно рассматривают электрическую цепь, состоящую из п одинаковых элементов, когда эта цепь испытывает тепловые нагрузки.
Резервирование ФС может быть выполнено дублированием элементов,, т. е. использованием моделей с параллельным соединением,. При этом выделяют класс ФС с нагруженным резервом, когда все элементы включены (например, от взлета до посадки), но для работы системы достаточно одного — элемента. ФС с ненагруженным резервом представляет собрй систему с паралельним соединением элементов, в которой в каждый момент времени, работает только одна подсистема. Когда одна из подсистем выходит из строя, то включается другая. В общем случае можно сказать, что резервирование — и — дублирование направлены на повышение безопасности полета при существующей в настоящее время надежности элементной базы.
Одно из следствий такого принципа обеспечения безопасности ■— возможность эксплуатации самолета в течение какого-то периода времени с одной?
2.5. Зависимость надежности ФС от 2.6. Принципиальная схема управле — числа элементов при изменении ния рулем направления самолета Ri(t) от 1 до 0,5
или несколькими отказавшими ФС. Это, в свою очередь, позволяет не производить ТО по полному восстановлению ФС, например в транзитных аэропортах, и использовать стратегию ТО и Р по состоянию.
Расчет гидромеханической функциональной системы. Априорное определение надежности систем со сложными функциональными связями элементов’ вызывает значительные затруднения и требует использования специальных методов расчета, включающих, кроме теории надежности, еще применение алгебры логики и теории вероятностей. Обычно используют метод логических схем и логических уравнений для определения вероятности безотказной работы системы (см. § 1.3). Но он не обеспечивает в полной мере «выход» на классификацию опасных ситуаций, принятую в НЛГС-3. Степень опасности может быть определена только с использованием понятия «функциональный отказ».
Поскольку во многих случаях при проектировании приходится пользоваться оценкой вероятности безотказной работы ФС, приведем пример расчета, который предлагается выполнить применительно к типовой гидромеханической системе, используемой для управления рулем поворота самолета [26].
Принципиальная схема такой гидросистемы (ГС) приведена на рис. 2.6. Особенностью этой схемы является наличие 4 независимых ГС (3 каналов) с идентичными рабочими механизмами (РМ). В качестве показателя надежности системы будем использовать вероятность выполнения полетного задания. Длительность беспосадочного полета примем равной 10 л. ч. Вероятность безотказной работы элементов, комплектующих систему, определяем, используя экспоненциальный закон распределения отказов. Перечень комплектующих элементов, их обозначения по схеме и значения интенсивности отказов приведены в табл. 2.3. Сформулируем условие безотказной работы системы.
Система управления рулем направления будет работать безотказно в течение заданного времени полета, если будут работать безотказно следующие элементы: педали (П), тяги управления (Т), руль направления (PH), 2 из: 3 рулевых машин РМ1; 2 из 3 рулевых машин РМ2; 2 из 3 гидравлических усилителей (ГУ) и будет обеспечено питание от соответствующих гидросистем. Это условие логически выражается следующим образом
5 = (5i SzSaSi -}- SiS2S5S6 — р SaSiSaSe) X
X {SiS^SзS8 -f — SiS7S5S6 — P S&SgSbSg) X
X (S1S10S3S11 ~P SiS10S5S12 + SaSuSsSi^Sis.
‘Наименование системы и элемента |
Позиция на принципиальной схеме |
Обозначение события безотказной /работы |
Интенсивность отказов X — Ю6, 1 /ч |
Г идросистема |
ГС1 |
S, |
15 |
ГС2 |
s3 |
25 |
|
ГСЗ |
s5 |
25 |
|
.Рулевая машина |
РМ11 |
s2 |
ЗО |
РМ12 |
s4 |
ЗО |
|
РМ13 |
s6 |
ЗО |
|
РМ21 |
s7 |
ЗО |
|
РМ22 |
S8 |
ЗО |
|
РМ23 |
s9 |
ЗО |
|
Тндравлический усили- |
ГУ1 |
Sio |
ЗО |
тель |
ГУ2 |
Sh |
ЗО |
ГУЗ |
Sl2 |
ЗО |
|
Педали |
П |
] |
|
Тяги |
Т |
Sh |
1 |
Руль направления |
PH |
По логической схеме (рис. 2.7), используя значения интенсивности отказов и логическое уравнение (2.3), вычислим вероятность безотказной работы системы: Q(S) =0,9999903. Приведенный пример показывает, что метод позволяет оценивать не только надежность всей системы, но определять влияние каждого элемента при различных вариантах принципиальной схемы.
Обеспечение требований безопасности полета при проектировании элек — трогидромеханической функциональной системы. На этапах проектирования, начиная с эскизного проекта, когда определены характеристики основных ФС, возникает необходимость оценить влияние на БП их совместной работы. Характерным примером является функционирование электрогидромеханической системы управления закрылками, предкрылками или шасси.
Рассмотрим основные принципы обеспечения требований безопасности полета на примере системы управления закрылками самолета Ил-86. Обоснование и подтверждение правильности расчетов, проводимые на этапе сертификации самолета, сводятся к следующему:
определяют принципиальную схему всей ФС с учетом электрической, гидравлической и механической подсистем;
для ФС формулируют перечень функциональных отказов;
‘для каждого функционального отказа находят возможное последствие для ВС;
для каждого последствия устанавливают степень влияния на БП в соответствии с классификацией НЛГС;
‘2.7. Логическая схема для расчета безотказной работы системы управления рулем направления самолета
Функциональный отказ и его ПРИЧИНЫ |
Внешнее проявление отказа |
Влияние отказа «на исход полета |
Классификация ситуации до НЛГС и оценки вероятности отказа |
1. Закрылки не выпускаются или не убираются: разрушение любой из двух рессор между хвостовиком и редуктором РП-70 |
Заклинивание закрылков при уборке |
Прекращение полета и посадка с неполностью убранными закрылками |
Сложная ситуация, <2взл=0,5-10~10 |
разрушение любого из двух хвостовиков между рессорами редуктора и гидромотором |
То же, при выпуске |
Посадка с повышенной скоростью и неполностью выпущенными закрылками |
Сложная ситуация, <3пос=0,25-10-9, Флол = 0,35-10—9 |
2. Закрылки самопроизвольно выпускаются или не убираются: заклинивание одного из шариковых винтовых механизмов; заклинивание одного из угловых редукторов; заклинивание цилиндрического редуктора |
Самопроизвольное прекращение выпуска, уборки закрылков из-за отключения гидропривода при превышении расчетных нагрузок на неисправном механизме |
Прекращение полета и посадка с повышенной скоростью |
Сложная ситуация, ‘(2взл = 0,25* 10 8; <2ИОС = 0,8-10“8; Qno л “0,1 * 10"7 |
3. Самопроизвольная уборка закрылков на полукрыле: обрыв трансмиссии в зонах между 1-м винтовым механизмом и приводом с одновременным отказом концевого тормоза |
Большой крен из-за уборки секций закрылка ’ |
Последствия отказа не рассматриваются ввиду его малой вероятности ‘ |
Сложная ситуация, Q»«= 1,15.10-»*; Qnoc = 0,5-10~13; <2пол=0,6-10~13 |
электрических отказов, вызывающих автоматическое отключение канала:
обрыв электропроводов датчиков положения закрылков или концевых механизмов обрыв управляющей обмот ки одного из магнитных реле
в соответствии со степенью влияния иа ВП задают Допустимую вероят- ■ ность появления функционального отказа;
в соответствии с возможностью или невозможностью обеспечения заданной вероятности появления отказа принимают решения о резервировании и дублировании;
после изменения принципиальной схемы проводится окончательный контроль выполнения требований по обеспечению БП.
Результаты исследований по анализу надежности и оценке обеспечения требований БП для основных функциональных отказов представлены в; табл. 2.4.
Вероятность функционального шказа определяется в соответствии с логическим уравнением по типу тех, которые были рассмотрены ранее. Исходными данными для расчета вероятностей функциональных отказов являются интенсивности отказов агрегатов прототипов. При определении QK. c полагают, что действия экипажа соответствуют требованиям РЛЭ, т. е. вероятность совершения ошибки экипажем равна 0 и не влияет на значение QK. е.