Анализ методов и технологических процессов обеспечения надёжности изделий авиационной техники

3 Лысов В. А., Сердюк А. И., Шевченко О. В. и др. Графоаналитическое моделирование динамики механических свойств металлов в технологических процессах изготовления глубокой вытяжкой // Информационные технологии в проектировании и производстве. 2012. № 4. С. 46-53.

4 Романовский В. П. Справочник по холодной штамповке, 6-е изд. Л. : Машиностроение, 1979. 520 с.

5 Щеголев А. В., Овечкин М. В. Автоматизация расчетов кружка для операции глубокой вытяжки // Современные проблемы науки и образования. 2014. № 6. URL. www.science-education.ru/120-15632 (дата обращения : 09.02.2015).

УДК 669.018.29.004.14

Н.З. Султанов, В.С. Уханов, А.В. Уханов Оренбургский государственный университет

анализ методов и технологических процессов обеспечения надёжности изделий авиационной техники

Аннотация. Статья посвящена актуальной на сегодняшний день проблеме - обеспечению надежности изделий авиационной техники. Рассмотрены причины, вызывающие отказы объектов, и методы обеспечения условных форм надежности: функциональной, параметрической, прочностной. Показано, что контроль качества -важнейшее средство обеспечения надежности. Значения показателей надежности формируются на основе оптимизации параметров, определяющих свойства изделия применительно к условиям эксплуатации.

Ключевые слова: система, отказ, разрушение, усталость, изделие, состояние, ресурс, испытание, надежность.

N.Z. Sultanov, V.S. Ukhanov, A.V. Ukhanov Orenburg State University, Orenburg, Russia

ANALYSIS OF METHODS AND TECHNOLOGICAL PROCESSES OF RELIABILITY OF AvIATION TECHNOLOGY PRODUCTS

Annotation. The article is devoted to the actual problem of ensuring reliability of aviation equipment products. The reasons causing rejections of objects and methods of maintenance of conditional forms of reliability: functional, parametric, structural ones are considered. It is shown that quality control is the most important means of ensuring reliability. The values of reliability indicators are formed on the basis of optimizing the parameters determining the properties of the product in relation to operating conditions.

СЕРИЯ «ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ», ВЫПУСК 12

Keywords: system, rejection, destruction, fatigue, product, condition, resource, test, reliability.

Надёжность является одной из важнейших характеристик, учитываемых на этапах разработки, проектирования и эксплуатации технических систем. Обеспечение надёжности систем охватывает разные аспекты человеческой деятельности. С развитием и усложнением техники углубилась и развилась проблема её надёжности. Изучение причин, вызывающих отказы объектов, определение закономерностей, которым они подчиняются, разработка метода проверки надёжности изделий и способов контроля надёжности, методов расчётов и испытаний, изыскание путей и средств повышения надёжности являются предметом исследований.

Обеспечение надежности изделий в производстве требует комплексного подхода к изучению и разработке технологических процессов и выбора управляющих воздействий. Этот комплексный подход предусматривается системой технологической подготовки производства. Она регламентируется стандартами ЕСТПП (Единой системой технологической подготовки производства). В технологическую систему входят оборудование и оснастка, заготовки, готовая деталь и изделие, средства контроля или испытаний, оператор и контролер, конструкторская и технологическая документация и т.д. Так же, как и надежность изделия, надежность технологической системы характеризуется безотказностью, долговечностью и ремонтопригодностью [1].

Технологические методы обеспечения надежности изделия определяются прежде всего надежностью самой технологической системы. При этом чем сложнее изделие, тем сложнее система и тем труднее обеспечить ее надежность. Авиационный двигатель относится к категории сложных изделий, чем и определяется особенность технологической системы. Технологические методы обеспечения надежности двигателей имеют целью достижение показателей и параметров, заданных конструкторами при проектировании деталей, узлов и двигателя в сборе. Опыт совершенствования технологических процессов производства и ремонта двигателей выявил ряд решений, реализация которых позволяет поднять надежность ряда узлов и деталей.

Существует два метода обеспечения надёжности:

1 Метод физического обеспечения.

2 Метод схемного обеспечения.

Метод физического обеспечения надежности базируется на изучении физических явлений и причин отказов в зависимости от нагрузок механических и физико-химических свойств материала деталей и от изменения этих параметров во времени. Сущность метода заключается в том, что все элементы изучаемого объекта составляют ед и н у ю фу н кц и о н а л ь н ую последов ател ь н о сть,

65

и при отказе одного из элементов работоспособность всего изделия нарушается.

Иногда столь высокий уровень надежности (0,97) каждого из элементов может быть либо не достижим, либо на это требуются огромные средства. В этом случае прибегают ко второму методу схемного обеспечения надежности, суть которого следующая: в конструкцию изделия вводят несколько параллельно действующих одинаковых элементов, надежность каждого из которых не очень велика.

Многие детали при работе в двигателе испытывают усталостное напряжение, неприятность которого заключается в опасности внезапного разрушения детали. Закономерности усталостного разрушения носят статистический характер, когда под действие одного и того же циклического напряжения число циклов до разрушения отличается на однотипных деталях в несколько раз. Наиболее характерно это явление на лопатках турбины. Поэтому достоверные прогнозы надежности в этом случае можно сделать лишь на основе вероятностного подхода.

Сущность научных методов заключается в обосновании выбора рациональных конструктивных схем, обеспечивающих наиболее полное выполнение заданных функций в расчётных условиях эксплуатации при различных внешних воздействиях и возможных отказах отдельных узлов и подсистем. Расчётно-аналитические методы основаны на применении теории вероятностей и статистической информации об отказах элементов, агрегатов и узлов, полученной в ходе эксплуатации. При анализе рассматриваются работоспособное состояние изделия и состояние отказа, а само изделие представляется состоящим из последовательных и параллельных соединений элементов и узлов. Надёжность отдельных узлов и изделия в целом рассчитывается с применением структурных, логических или схем-но-функциональных методов. Последний метод позволяет учитывать изменяющуюся схемную структуру изделия применительно к меняющимся режимам и условиям полёта летательного аппарата. Комплекс выполняемых работ даёт возможность получить данные по прогнозированию ожидаемого уровня надёжности [2].

В число применяемых способов обеспечения требуемых уровней надёжности изделий входят следующие. На стадии проектирования — использование новых материалов с улучшенными физико-химическими характеристиками и новых элементов повышенной надёжности; разработка принципиально новых схемных решений, включая резервирование; выбор оптимальных рабочих режимов и условий работы; разработка эффективного производственного и эксплуатационного контроля, обеспечивающего диагностику и прогнозирование технического состояния изделий. На стадии производства — использование про-грессивн о й техн ол о ги и ; прим е н е н и е эффе ктив-66

ных методов контроля; проведение специальных испытаний на надёжность основных систем и изделия в сборе. На стадии эксплуатации - обеспечение и контроль заданных условий и режимов работы; проведение профилактических работ; эксплуатационный контроль работоспособности; анализ и устранение причин выявляемых отказов.

Надёжность авиационных конструкций -способность конструкций сохранять заданную прочность при выполнении своих функций в процессе отработки назначенного ресурса. Под безотказностью конструкции понимается отсутствие разрушений её элементов и (или) конструкции в целом из-за недостатка прочности (несущей способности) или устойчивости при возникновении экстремальных условий нагружения; отсутствие повреждений от действия многократно повторяющихся переменных нагрузок или температурных напряжений; отсутствие чрезмерных упругих деформаций несущих поверхностей от действия аэродинамических нагрузок и т.п. Безотказность авиационной конструкции тесно связана с безопасностью, гарантирующей практическую вероятность катастрофических ситуаций. Требования безопасности авиационной конструкции отражаются в государственных документах. Долговечность авиационной конструкции характеризуется её техническим ресурсом, который определяется наработкой - продолжительностью работы авиационной конструкции (число лётных часов, полётов и др.) и сроком службы, выражаемым календарным временем эксплуатации. Срок службы парка летательных аппаратов может быть увеличен путём рационального использования индивидуального ресурса каждого экземпляра. Эксплуатационная сохраняемость конструкции - способность её сохранять работоспособность в промежутках между периодами эксплуатации (например, когда летательный аппарат находится на стоянке, в ангаре). Для обеспечения сохраняемости конструкции (от действия окружающей среды и т.п.) в это время важное значение имеет коррозионная стойкость материалов и их антикоррозийная защита. Особенность надёжного авиационного двигателя заключается в необходимости получения оптимальных удельных характеристик по тяге, массе и расходу топлива в широком диапазоне изменения внешних условий при безотказной работе всех его систем в течение назначенного ресурса. Работоспособность и совершенство функциональных характеристик двигателя зависят от надёжности обеспечивающих систем (топливной, охлаждения, смазки), систем управления, регулирования и контроля. Уровень надёжности двигателя зависит от прочности основных силовых частей, определяемой запасами прочности и значениями тепловых, газодинамических, вибрационных и других воздействий. Уровень надёжности двигателя оценивается его наработкой на отказ, а также значениями назначенного и межремонтных ресурсо в . О це н ка _ро в н е й н адёжн ости в ы п ол ня-

Вестник КГУ, 2017. № 2

ется также в ходе специальных стендовых ресурсных и лётных испытаний на летающих лабораториях надёжность двигателя во многом определяет его стоимость и эффективность эксплуатации [3].

Массовое производство деталей двигателя требует точных и производительных методов контроля. Современная измерительная аппаратура достигла высокого совершенства и, как правило, встраивается в линию механической обработки. Задача современного контроля - не отбраковка негодных изделий, а предупреждение брака. С этой целью широко используются статистические методы контроля. Применяемые в этом случае приборы имеют решающее и печатающее устройства, дающие готовые данные о контролируемых размерах и их статистических параметрах - средней величине, среднем квадратичном отклонении, а также о запасе по допуску. Контроль качества -важнейшее средство обеспечения надежности. Несмотря на наличие совершенной метрологической техники, необходима высокая квалификация контрольного персонала. Оценка качества готовых двигателей, как правило, производится органолептическими методами - осмотром и прослушиванием, что не исключает в ряде случаев субъективных ошибок.

Важнейшими показателями качества газотурбинных двигателей (ГТД), которые обеспечиваются в производстве, являются показатели назначения, надежности и безопасности. В характере оценки этих показателей имеются существенные различия. Показатели назначения: тяга и удельный расход топлива в различных условиях полета - могут определяться в процессе стендовых испытаний двигателя непосредственно на предприятии. Надежность ГТД является временной характеристикой. Основные показатели надежности, которые обеспечиваются в производстве, - ресурс и наработка на отказ - проявляются и, соответственно, могут быть непосредственно оценены вне производственного процесса - в условиях эксплуатации. Поскольку надежность - это свойство двигателя сохранять работоспособное состояние или, иными словами, стабильно обеспечивать заданные показатели назначения, то решение проблемы надежности в условиях производства обеспечивает качество ГТД в целом.

В условиях производства можно судить только о потенциальной надежности ГТД. При этом основным источником информации о надежности двигателя являются данные о качестве его деталей и сборочных единиц. В этой связи выделяются два уровня в понятии качества продукции в производстве. Более высокий уровень - качество двигателя в целом. Другой уровень - качество деталей и сборочных единиц на различных стадиях их изготовления.

Оценка качества такой продукции осуществляется в процессе производства на основе соответствия ее параметров и характеристик и парам е_тров р е_ж и м о в о б р а б о_т ки требованиям к о н -СЕРИЯ «ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ», ВЫПУСК 12

структорской (КД), технологической (ТД) и нормативно-технической документации (НТД), а также на основе вида и уровня технологической наследственности от сопутствующих технологическому процессу явлений. К сопутствующим явлениям технологического процесса относятся такие явления, как образование остаточных напряжений в поверхностном слое при механической обработке на размер, образование микротрещин, образование усадочных раковин в процессе перехода из жидкого состояния в твердое при отливке деталей, обезуглероживание в поверхностном слое при термообработке в воздушной среде, наводо-раживание деталей и др. [4].

Параметры продукции размеры, твердость, шероховатость поверхности, остаточные напряжения, а также режимы обработки - температура и продолжительность термообработки, усилие при монтаже, остаточный дисбаланс и другие -должны находиться в поле технического допуска на них. Также должно быть исключено негативное влияние сопутствующих явлений на качество продукции. Удовлетворение указанным требованиям является необходимым условием обеспечения заданной геометрии, определенных уровней усталостной и длительной прочности деталей, их коррозионной и эрозионной стойкости, износостойкости, вибрационных напряжений. Все эти свойства определяют качество деталей, сборочных единиц и двигателя в целом.

Геометрические параметры (размеры элементов конструкции и проходных сечений, шероховатость поверхности) определяют характеристики газовоздушного тракта и элементов топливной системы, а в целом показатели назначения двигателя. Размеры элементов и их физико-химические свойства, характеризующие прочность и стойкость деталей, их взаимное расположение определяют ресурс и безотказность двигателя.

Таким образом, условие производственного обеспечения качества ГТД - изготовление продукции в строгом соответствии с требованиями КД, ТД, НТД.

Из общего числа выявленных недостатков по конструктивным и производственным причинам недостатки по последним составляют внушительную величину - до 40%.

Производственные недостатки обусловлены, как правило, двумя основными группами причин: недостатками технологии и нарушением технологической дисциплины. На современных предприятиях обязательно наличие технологических лабораторий, ведущих разработку и проверку новых технологических процессов механической обработки, металлопокрытий, сварки, литья и т.д. Необходимы также исследовательские лаборатории двигателей. Автоматизированная система управления технологическим процессом и применение ЭВМ позволяет оптимизировать технологические маршруты, режимы резания, выбор оборудования, приспособлений и инструмента,

67

технические нормы времени, расход материалов и т. п. [5].

Таким образом, из результатов рассмотрения возможных последствий отказов в зависимости от их характера развития и проявления различают следующие условные формы надежности:

- функциональную, когда изделие не способно выполнять заданные функции;

- параметрическую, когда выполняемые функции не удовлетворяют требованиям высокой точности, экономичности и эффективности;

- прочностную, когда происходят повреждения и поломки и не обеспечивается необходимая долговечность.

Характеристики изменения отказов многих авиационных изделий по времени их эксплуатации имеют сложные зависимости. Статистические данные показывают, что многим изделиям свойственны три типичных периода их эксплуатации, которые характеризуются различным уровнем интенсивности отказов и разными закономерностями их проявления:

1) приработка (начальный период эксплуатации),

2) период нормальной эксплуатации,

3) период износа и старения.

Под износом в данном случае понимается не только физический износ, но и накопление любых необратимых повреждений.

Причиной повышенного уровня отказов в начале эксплуатации является главным образом недостаточное совершенство методов контроля, приводящее к тому, что изделия со скрытыми дефектами выходят из строя вскоре после начала работы. Основное средство снижения интенсивности отказов в этот период эксплуатации — совершенствование контроля выпускаемых изделий и повышение эффективности заводских испытаний готовой продукции. Период приработки обычно непродолжителен и часто полностью перекрывается периодом обкаточных или приработочных испытаний. В этот период работы изделия нельзя повысить надежность путем замены каких-то элементов, так как причины отказов при нормальной эксплуатации связаны главным образом с внезапным воздействием неучтенных при проектировании изделия факторов, с попаданием изделия в такие эксплуатационные ситуации, последствия которых не были достаточно хорошо предусмотрены и проверены.

Технологические процессы должны отвечать ряду требований, в том числе по производительности, себестоимости и др. Приоритетным требованием является обеспечение качества двигателя. В этой связи при разработке новых ТП необходимо руководствоваться в первую очередь двумя принципами: повышением качества продукции и обеспечением высокой стабильности процесса [6].

Развитие технологических процессов и оборудования идет, с одной стороны, в направлении созд а н и я бл а го п р и ятных усл о в и й обрабон ки дета-68

лей и сборочных единиц как средства повышения их качества (обработка в условиях вакуума - литье, термообработка, покрытия, электронно-лучевая сварка; обработка давлением в состоянии сверхпластичности материала; многоинструментальная обработка, исключающая деформацию детали и другие), с другой - в направлении непосредственного улучшения функциональных свойств деталей и сборочных единиц (химико-термическая обработка, модификация поверхности, электрофизические и электрохимические способы обработки, технология обработки прогрессивных конструкционных материалов и др).

Автоматизированная система управления технологическим процессом и применение ЭВМ позволяет оптимизировать технологические маршруты, режимы резания, выбор оборудования, приспособлений и инструмента, технические нормы времени, расход материалов и т. п.

В результате проведенного анализа установлено, что качество и надежность авиационного двигателя, численные значения его показателей формируются на основе оптимизации параметров, определяющих свойства изделия применительно к предполагаемым условиям применения. Они закладываются в процессе обоснования схемных, конструктивных и технологических решений при проектировании, отработке макетного образца и доводке опытных образцов, при отладке технологии, обеспечиваются в производстве в ходе технологических процессов обработки, сборки, технического контроля и испытаний.

Список литературы

1 Технология производства авиационных газотурбинных двигателей : учебн. пособие для вузов /

Ю. С. Елисеев, А. Г. Бойцов, В. В. Крымов, Л. А.Хворостухин. М. : Машиностроение, 2003. 512 с., ил.

2 Крымов В. В., Елисеев Ю. С., Зудин К. И. Производство газотурбинных двигателей / под ред. В. В. Крымова. М. : Машиностроение - Полет, 2002. 376 с., ил.

3 Елисеев Ю. С., Крымов В. В., Малиновский К. А. и др. Технология эксплуатации, диагностики и ремонта газотурбинных двигателей : учебное пособие. М.: Высш. шк., 2002. 355 с., ил.

4 Елисеев Ю. С., Крымов В. В., Митрофанов АА. и др. Физико-химические методы обработки в производстве газотурбинных двигателей : учебное пособие / под ред. Б. П. Саушкина. М. : Дрофа, 2002. 656 с.; ил., 16 с цв. вкл.

5 Моисеев Ю. А., Челышев С. В. Технологическая надежность сложного изделия и ее отработка / под ред.

Ю. С. Соломонова. М. : Едиториал УРСС, 2003. 176 с.

6 Суслов А. Г., Дальский А. М. Научные основы технологии машиностроения. М.: Машиностроение, 2002. 684 с.

Вестник КГУ, 2017. № 2