ФОРМИРОВАНИЕ РЕЖИМОВ ТОиР ИЗДЕЛИЙ АВИАЦИОННОЙ ТЕХНИКИ
4.1. МЕТОДЫ ТЕХНИЧЕСКОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ИЗДЕЛИЙ АВИАЦИОННОЙ ТЕХНИКИ
Метод эксплуатации изделия АТ определен в разделе 1.2 как «…совокупность правил выбора критерия предельного состояния изделия, по достижении которого дальнейшее использование изделия по назначению прекращается или приостанавливается». Данная формулировка в целом соответствует сложившемуся в практике пониманию этого термина, но переносит акцент с «технической эксплуатации» на «эксплуатацию», в которой реализуется и ограничивается использование изделий по назначению.
Согласно критериям предельного состояния, устанавливающим пределы использования по назначению, выделены следующие методы эксплуатации:
■ до выработки ресурса;
■ до предотказного состояния;
■ до отказа.
Для выявления предельных состояний изделий в системе ТОиР необходимо выполнять целевые плановые работы по контролю состояния, поэтому каждому методу эксплуатации ставятся в соответствие следующие плановые работы ТО:
■ методу эксплуатации до выработки ресурса (ТЭР) — работы по контролю наработки;
■ методу эксплуатации до предотказного состояния (ТЭП) — работы по контролю значений определяющего параметра состояния;
■ методу эксплуатации до отказа (ТЭО) — работы по контролю работоспособности.
Следует отметить, что дополнительно к указанным группам работ, в системе ТОиР могут выполняться и другие работы этого вида для выявления случайных, неучитываемых и нерасчетных нарушений технического состояния каждого изделия в процессе его эксплуатации в реальных условиях.
Все указанные группы работ ТО связаны с контролем состояния изделий АТ, и общим признаком этих работ является то, что их выполнение не изменяет технического состояния изделия и его безотказность. Восстановление технического состояния изделия АТ или предупреждение его отказа осуществляется последующими действиями в системе ТОиР (ремонт, регулировка, замена) по результатам контроля.
Выбор критерия предельного состояния изделия, до которого допускается его использование по назначению, обусловлен последствиями отказа изделия в
функциональной системе ВС по его влиянию на безопасность и регулярность полетов, а также приспособленностью конструкции ВС в целом и данного изделия к проведению работ по контролю данного вида предельного состояния и экономической эффективностью выполнения этих работ. Таким образом, выбор метода эксплуатации изделия базируется на условиях:
■ необходимое — обеспечение нормативного уровня безопасности и регулярности полетов;
■ достаточное — обеспечение экономической эффективности работ по контролю предельных состояний, т. е. решается задача оптимизация контроля сложной многофункциональной системы ВС по выходным параметрам, при структурных и информационных ограничениях.
Нормативные уровни безопасности полетов задаются на ВС в целом согласно требованиям НЛГ, далее эти уровни распределяются по функциональным системам ВС методами экспертных оценок или по аналогу, а в каждой системе безотказность отдельных изделий нормируется методами равномерного, пропорционального или оптимального распределения между изделиями системы.
Исследование и анализ надежности каждого изделия в составе функциональной системы ВС выполняются известными методами теории надежности сложных систем.
Из принятого определения метода эксплуатации формулируются следствия:
■ метод эксплуатации до выработки ресурса (ТЭР) устанавливает, что вероятность отказа любого изделия данного типа за установленный интервал наработки в ожидаемых условиях эксплуатации не превысит заданной величины, что соответствует установлению одинакового ресурса всем изделиям данного типа без дополнительного контроля состояния и условий эксплуатации. Значение ресурса устанавливается известными способами расчета, ранжировано по особым ситуациям полета вследствие отказа данного изделия;
■ метод эксплуатации до предотказного состояния (ТЭП) устанавливает, что вероятность отказа каждого конкретного изделия в реальных условиях эксплуатации не превысит заданной величины, что соответствует установлению индивидуального ресурса каждому изделию по результатам параметрического контроля состояния и условий эксплуатации.
■ метод эксплуатации до отказа (ТЭО) устанавливает, что количество отказов изделий за установленный интервал наработки не превысит заданной величины, что соответствует установлению гамма-процентного ресурса парку изделий без дополнительного контроля их состояния и условий эксплуатации.
Эти следствия распространяются и на установление сроков службы изделий.
Установление ресурса г-м изделиям АТ из условия обеспечения требуемой их безотказности в эксплуатации по данным испытаний на надежность допустимо представить соотношением
ад = Ры>[ 1 -т}Q(X) ] (7-Pi), (5.1)
где т] = T)1rj2rj3r)4 — коэффициент надежности; х — искомое значение ресурса;
Р,„ — нормативное значение функции надежности 1-го изделия;
Q(x) — вероятность отказа изделия в интервале наработки (0,х);
Р, — риск эксплуатанта при принятом плане испытаний на надежность;
т), — коэффициент, учитывающий эквивалентность программы испытаний
ожидаемым условиям эксплуатации;
т}2- коэффициент, учитывающий адекватность математической модели надежности изделия реальному физическому объекту;
ц3 — коэффициент, учитывающий эквивалентность ожидаемых и реальных условий эксплуатации изделий;
tj4-коэффициент, учитывающих качество изготовления изделий.
Согласно установленным следствиям для различных методов эксплуатации 1-го изделия при заданных Р,„ и Р,- фактически реализуемая наработка изделий показана на рис. 5.1.
При эксплуатации изделия по методу ТЭР наработка любого изделия ограничивается значением Г (или Т при г|,=1), по достижении которого производится замена или восстановление. При эксплуатации по методу ТЭП наработка любого изделия ограничивается значением Т2, а при методе ТЭО — значением Тт, . В частном случае, если отсутствует ограничение на безотказность, реализуемая наработка каждого изделия соответствует м. о. наработки изделий до отказа. Различие в значениях Т-Т3 определяет эффект в реализации средней наработки изделия до замены или ремонта при различных методах эксплуатации.
Во всех случаях реализуемая наработка изделия базируется на последовательной модели надежности изделий, имеющих возрастающую или возрастающую в среднем функцию интенсивности отказов (ВФИ или ВСФИ распределения).
Следовательно, надежность изделия должна зависеть от наработки, причем эта зависимость может быть выражена функционально или стохастически. Параметр безотказности X (или w) должен быть возрастающим (возрастающим в среднем): X(t)<X(t + At) или w {t)<w{t + At), т. к. при х([) = X = const ограничение наработки лишено физического смысла, а убывание параметра X (или w) соответствует периоду приработки, который для изделий АТ реализуется на этапах изготовления и испытаний.
А
Поскольку изделия АТ в полете не восстанавливаются, а время полета t есть случайная величина с распределением F(t), то вероятность безотказной работы 1-х изделий заJ-й полет
оо оо
Ру= J P(t)dF(t)= | P(t)f(t)dt, (5.2)
о о
где f(t) — плотность распределения F(t).
При нормальном распределении F(t) (разд.3.2) продолжительность произвольного j-го полета стремится к продолжительности типового полета, вероятность безотказной работы изделия, в котором для пуассоновского потока отказов равна [39,40):
3 V 2і
-Xjto+——^
V
Тогда надежность j-x изделий при отработке ресурса Т допустимо представить как последовательную отработку п = T/to типовых полетов, т. е. как после-
довательное соединение п элементов с безотказностью каждого, равной Ру, откуда
Тогда (5.1) принимает вид
причем количество типовых полетов, для которых выполняется (5.4) определяется значениями коэффициентов Ц/ г4 и может различаться в 2 — 8 раз, что и определяет сравнительную эффективность различных методов эксплуатации изделия.
Установление ресурса изделию АТ при его эксплуатации по методу ТЭР производится известными способами расчета ресурсов по результатам проектирования, испытаний и эксплуатации. Альтернативный выбор методов эксплуатации ТЭР — ТЭП — ТЭО изделий АТ, учитывая их высокую надежность, целесообразно проводить из необходимого условия обеспечения безопасности полетов на основе экспертных оценок последствий отказов, определяемых по логи — ческой схеме (рис. 5.2), или ее аналогов [17]. Схема на рис. 5.2 состоит из трех блоков: информация — анализ — метод. В блоке «информация» формируется вся располагаемая информация об изделии, используемая для выбора метода эксплуатации. В блоке «анализ» производится выбор метода по логической схеме, а в блоке «метод» группируются результаты. Достаточное условие для применения методов ТЭП и ТЭО определяется их эффективностью относительно метода ТЭР из условия
где С — выходной экономический эффект;
СИЗд— стоимость изделия;
АСуд — дополнительные (к ресурсной эксплуатации) удельные эксплуатационные затраты;
Т — установленный ресурс изделия;
Гер — средний фактически реализуемый ресурс изделия.
Дополнительные удельные эксплуатационные затраты в общем виде определяются как
где d и С — затраты при ресурсной и безресурсной эксплуатации изделия соответственно;
|
||||||||||
|
||||||||||
|
||||||||||
|
||||||||||
|
||||||||||
|
||||||||||
|
||||||||||
|
||||||||||
|
||||||||||
|
||||||||||
|
||||||||||
|
||||||||||
|
||||||||||
|
||||||||||
|
||||||||||
|
||||||||||
|
ТО, Р, КПА, HP — затраты на ТО, ремонт, контрольно-поверочную аппаратуру, накладные расходы, которые, при необходимости, раскладываются на составные части эксплуатационных расходов в соответствии с нормативными документами.
А общим правилом расчетов АС°уд является учет всех изменившихся расходов на ТОиР при методах ТЭП или ТЭО, отнесенных к величине установленного ресурса изделия при методе ТЭР. При этом следует учитывать только затраты на дополнительные работы по контролю состояния (включая стоимость и затраты на эксплуатацию дополнительных средств контроля, а при необходимости и стоимость неплановых замен изделий и убытки от простоев) дополнительно к затратам на ресурсную эксплуатацию изделия.
При выборе границ применения различных методов эксплуатации необходимо учитывать следующие особенности изделий авиатехники.
Эксплуатация до выработки ресурса назначается для наиболее ответственных изделий, изменение состояния которых описывается последовательной моделью надежности, однако, контроль промежуточных состояний изделий в процессе эксплуатации невозможен по технологическим или производственноорганизационным причинам, к числу которых относятся: низкая контролепригодность изделия, отсутствие методов и средств контроля, отсутствие диагностических признаков, технологическая невозможность или экономическая нецелесообразность контроля состояния изделия в реальных условиях эксплуатации ВС данного типа. Поэтому в условиях эксплуатации производится исследование причин отказов изделий и подтверждение обоснованности ресурсов изделий, эксплуатирующихся до выработки ресурса, что не исключает возможности перевода этих изделий на эксплуатацию по другому методу (ТЭП, ТЭО) при изменении функций изделия или указанных выше причин.
Ресурс изделия при методе ТЭР с позиций обеспечения безотказности изделий в эксплуатации определяется согласно (5.1), а средний реализуемый ресурс изделия при эксплуатации по методу ТЭО равен гамма-процентному ресурсу или (при отсутствии ограничений на уровень надежности) средней наработке изделия на отказ в эксплуатации и определяется параметрами F(t). Гаммапроцентный ресурс изделия назначается таким образом, чтобы средняя наработка изделий до отказа была не ниже заданной, т. е.:
(5.8)
при условии, что 1-F(r3)>^.
Эксплуатация до предотказного состояния назначается для ответственных изделий, изменение состояния которых описывается последовательной моделью надежности, когда имеется диагностический параметр состояния изделия, определены методы и средства контроля этого параметра в эксплуатации, обеспечена контролепригодность изделия и решены производственно-организационные вопросы. Метод ТЭП также назначается для малоответственных изделий, контроль состояния которых при указанных выше условиях экономически целесообразен относительно эксплуатации по предупредительно заданному ресурсу.
Для оценки эффективности эксплуатации изделия по методу ТЭП необходимо определить средний фактически реализуемый ресурс ( Тср ф ) изделий, а также оптимальное допустимое значение параметра Допт (табл. 5.1). В общем случае, изменение диагностического параметра U(t) может быть выражено моделью [41]
U(t) = Vcta + Z(t) + ЛП, (5.9)
где Vc — коэффициент скорости изменения параметра;
t — наработка изделия;
а — показатель степени аппроксимирующей функции;
Z(t) — случайный процесс отклонений реализации значений параметра от
теоретической кривой;
ДП — изменение параметра за период приработки.
Значение ДП реализуется для изделий АТ на этапах изготовления, испытаний и ремонта, а случайный процесс Z(t) имеет стандартизованные характеристики:
M[Z(t)]=0; Д [Z(t)J = ; R [Z(t), Z(t+At)]=p(At);
где т — среднее время корреляции в единицах наработки изделия.
Для гладких функций изменения U(t) при показателях а =1 и а2 = 0 и нормальном распределении Тср, фактический ресурс составит [42]
Дф (До>> -/i (Jb) +fi (До; + fi (ДоЛ
где
Г |
/До-До 1 |
„и |
ч |
<*0 ) |
Ч |
г? |
[•■/До-Ї’о] |
/ /г |
Г 0 |
ч ст0 |
0 1 |
Фо |
/2(До) = ^1 1=1 /з(До)= |
/=П|+1 |
(«-1)/Д0-Г0 |
Таблица 5.1 Схема расчетов для метода ТЭП
|
Пн. П„ — номинальное, предельное значение параметра; ГСР — средний ресурс по параметру;
U — коэффициент вариации ресурса; — периодичность контроля;
— А, В, С-средняя стоимость устранения отказа, диагностирования и предупредительного восстановления, соответственно.
1=1
<р0- индекс плотности вероятности F0.
При а * 1 в (5.10) вместо Д, применяется До’/а. Средний фактический ресурс /-го изделия по параметру U(t) составляет
*ост
^ф/# ^осх^ ” ^ОСТ “ [ tocr / U(t) = UkJ dt, (5.11)
о
где tK — наработка изделия в момент контроля;
/ост =tK[(Un/UJl, a при о, <0,05 1 = 1;
tOCr = ( и„/ Vj’hl — tK при о2 < 0,05 / >1;
ШГ/± tia.
i=i i=i
Q [ /ост / и ft) = UK] = 1 — exp { — [(toct -1 Z)/aJb}.
где о, b, t™ — параметры масштаба, формы и сдвига.
Остаточный ресурс с заданной вероятностью Pjh безотказной работы при сг>0,05 определяется как корень уравнения
Q[t0cr/U(tJ = UJ = -PjH, (5.12)
откуда при і = 1
/ост=/к {[( + Броя) / (1+ Броя)]1/п — 1 )К, (5.13)
где Бр — квантиль нормального распределения, соответствующий PjH; а„ — относительная погрешность прогнозирования.
или при i=m > 3 рассчитывается предварительное значение
которое при /ост — т является искомым, в противном случае
Далее при каждом последующем контроле через интервалы производится очередной расчет /ост. Эксплуатация изделия прекращается, если при контроле установлено, что /ОСт</ц— Индивидуальный ресурс 1-го изделия, реализуемый при методе ТЭП, будет равен:
^,=’o + iV (5-16)
Ц=1
Схемы расчетов остаточного ресурса для метода ТЭП приведены в табл. 5.1. Подобные условия выбора /ф и U(t) изложены в ГОСТ 21571, однако для изделий АТ, по выражениям (5.9 — 5.16) рассчитываются только предварительные значения /ф и U(t) для решения вопроса об экономической целесообразности применения метода ТЭП данного типа изделий. Эксплуатация конкретных изделий по методу ТЭП производится по рабочим методикам контроля параметров изделий и принятия решений в эксплуатации, обеспечивающих требуемый уровень безопасности полетов, однако во всех случаях при выборе метода эксплуатации ТЭП изделие АТ рассматривается как невосстанавливаемое, а средний реализуемый ресурс изделий при методе ТЭП составит
Тср — ЕФ. (5.17)
п i=i
где п — количество изделий в эксплуатации.
Значение Тер подставляется в (5.6) при определении эффективности применения метода ТЭП. Эксплуатация до отказа назначается для изделий, отказ которых в сочетании с любым другим приводит к ситуации не сложнее усложнения условий полета. Если изменение технического состояния изделия описывается последовательной моделью, но контроль промежуточных состояний невозможен или экономически нецелесообразен, то устанавливается контрольный уровень надежности таким образом, чтобы средняя наработка изделий до отказа была не ниже заданной
аэ
Тср= jP(x)dx > 7^
О
или в статистической форме:
где t,(i) — наработка t-ro изделия до отказа, т. е. по данным усеченной выборки производится контроль средней наработки изделий до момента превышения заданного уровня, свидетельствующего о приближении к среднему ресурсу совокупности изделий. В частном случае при простой модели надежности изделий реализуется их средний ресурс.
Контролируемым параметром при методе ТЭО является интенсивность отказов X(t), значение которой определяется для всей совокупности изделий по этапам их эксплуатации. Для различных типов распределений времени наработки изделия до отказа модели изменения параметра Г имеют вполне определенный вид (Приложение 2). Поскольку значение (t) в эксплуатации всегда определяется по статистическим данным, то функция Z(i) в (5.9) определяет случайное отклонение эмпирической функции X(t) от ее прогнозируемого значения при наработке t. Поэтому функция X(t) для высоконадежных изделий АТ при малом количестве наблюдаемых отказов всегда имеет вид ломаной кривой при стг>0,05, a Z(t) имеет характеристики согласно (5.10). Тогда для определения эффективности эксплуатации изделий по методу ТЭО применяют выражения (5.9-5.16) при о*>0,05.
Таким образом, определены условия выбора методов эксплуатации изделий АТ по различным критериям их предельного состояния, как невосстанавливае — мых элементов функциональных систем ВС относительно плановых работ по контролю состояния, выполняемых в системе ТОиР.
Необходимо отметить, что методы ТЭП и ТЭО, экономически эффективные для всего парка 1-х изделий, могут оказаться убыточными в эксплуатации для отдельного авиапредприятия при малом количестве этих изделий в данном авиапредприятии или их эксплуатации в неблагоприятных условиях, что следует из полученных выше определений средних реализуемых ресурсов изделий при эксплуатации по методам ТЭП и ТЭО.