Экспертная оценка состояния лопаток турбины ГТД методами анализа иерархий и нечетких множеств

УДК 621.452.3:004.93

В. И. Дубровин, Д. В. Павленко, Н. А. Миронова, И. И. Макарчук

ЭКСПЕРТНАЯ ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ ЛОПАТОК ТУРБИНЫ ГТД МЕТОДАМИ АНАЛИЗА ИЕРАРХИЙ И НЕЧЕТКИХ МНОЖЕСТВ

Рассмотрено решение задачи оценки состояния лопаток газотурбинных двигателей методами анализа иерархий и теории нечетких множеств. Предложена методика автоматизированной экспертной оценки технического состояния деталей авиационных двигателей.

В последнее время отечественная промышленность понимает необходимость внедрения систем управления качеством, соответствующих стандартам ISO 9000. Однако эти стандарты являются завершающим этапом развития и, чтобы построить современные системы управления качеством, необходимо пройти определенные этапы, а именно, избавиться от большого количества дефектов на этапе производства и ремонта изделия [1 ]. Эффективным методом решения этой задачи является использование методов анализа иерархий (МАИ) и теории нечетких множеств (ТНМ).

К качеству и надежности изделий авиационной промышленности предъявляются высокие требования. Отказ авиационного двигателя в полетных условиях может привести к катастрофическим последствиям. Поэтому важно своевременно выявить и устранить дефекты и причины их возникновения в процессе эксплуатации [1-2].

Наиболее распространенными методами диагностики и принятия решения для задачи оценки состояния деталей газотурбинных двигателей (ГТД) являются статистические методы [2]. Также можно выделить и нейросетевые подходы решения задачи диагностики и принятия решения состояния деталей ГТД [3].

Одним из возможных методов диагностирования является метод измерения параметров свободных затухающих колебаний лопаток в процессе их широкополосного импульсного возбуждения [1].

Целью настоящей работы является разработка экспертной оценки состояния лопаток турбины ГТД методами МАИ и ТНМ. Объектом исследования являлась лопатка второй ступени турбины низкого давления турбореактивного двухконтурного двигателя Д-36 (рис. 1).

В процессе ремонта двигателя, после полной или частичной разборки, промывки и очистки на участок контроля для дефектации поступают узлы и детали ГТД. Лопатки турбины подвергаются различным методам контроля: внешнему (визуальному) осмотру, рентгеновскому, люминесцентному, метрологическому и ряду других.

По результатам дефектации оформляют свод-

ную ведомость дефектов, в которую вносят обнаруженные несоответствия, не отраженные в действующей ремонтной документации, описание этих несоответствий и решение комиссии ведущих специалистов предприятия (управление главного конструктора, управление главного технолога, управление главного металлурга):

- лопатки, подлежащие ремонту и восстановлению;

- лопатки, не подлежащие ремонту;

- лопатки, не требующие ремонта.

Для снижения себестоимости ремонта ГТД в целом на этапе дефектации необходимо в зависимости от выявленного технического состояния лопаток обоснованно принять одно из решений, описанных выше.

Для решения этой задачи использовались следующие методы принятия решений: методы ТНМ (метод максиминной свертки, отношения предпочтений, аддитивной свертки) и МАИ. Для сбора статистических данных был проведен анализ ведомостей дефектов 20 комплектов лопаток второй ступени турбины низкого давления двигателя Д-36.

При принятии управленческих решений и прогнозировании возможных результатов лицо, принимающие решение обычно сталкивается со сложной системой взаимозависимых компонент (ресурсы, желаемые исходы или цели), которую нужно проанализировать. МАИ (Analytic Hierarchy Process), предложенный Т. Л. Саати [4-7], сводит исследование сложных систем к последовательности попарных сравнений их отдельных составляющих. Ме-

Рис. 1. Рабочая лопатка турбины ГТД

© В. И. Дубровин, Д. В. Павленко, Н. А. Миронова, И. И. Макарчук 2006

г.

тод отличается простотой и дает хорошее соответствие интуитивным представлениям решения проблемы. МАИ предусматривает следующие этапы: построение иерархии, формирование матрицы попарных сравнений (МПС), получение вектора приоритетов, оценка степени согласованности МПС.

Этап построения иерархии предусматривает выделение цели задачи, возможных альтернатив и критериев их оценки. В ремонтном производстве задачей дефектации деталей (лопаток турбины) является принятие решения о ремонтопригодности рассматриваемого компонента. Выделим возможные альтернативы: установить лопатки на двигатель без ремонта; установить с оформлением карты разрешения; забраковать; подвергнуть ремонту по маршруту 1; выполнить ремонт по маршруту 2; выполнить ремонт по маршруту 3.

В качестве критериев оценки состояния лопаток выбраны характерные дефекты, выявляемые на этапе дефектации, которые разбиты на группы (по методам выявления):

- группа 1 - метрологический контроль - дефекты, выявляемые при метрологическом контроле (отклонения: размера ¡1, размера 12, размера /3, размера ¡4, размера Ь (рис. 2));

- группа 2 - визуальный контроль - дефекты, выявленные при визуальном осмотре (раковины, деформации, выработка, вырывы металла, забои-

ны, налипание металла);

- группа 3 - люминесцентный контроль - трещины и другие дефекты, выявляемые при контроле люминесцентным методом (свечение, выпоте-вание).

Для сравнения критериев (дефектов или фактического состояния лопатки) относительно допустимых значений поставим следующий вопрос: "Насколько критерий 1 отклонился от допустимого значения по сравнению с критерием 2?". Здесь допустимое значение - значение, входящее в поле допуска ремонтного чертежа или таблиц допустимых отклонений. Также отклонение критерия может выходить за поле допуска ремонтного чертежа, в одних случаях до такого предела, при котором экономически обоснованным является ее ремонт, либо ремонт является нецелесообразным. Назовем этот предел ремонтируемым полем допуска. Схема расположения полей допусков на возможные отклонения критерия представлена на рис. 3.

Рис. 2. Параметры, контролируемые при метрологическом контроле лопаток турбины

Рис. 3. Схема расположения полей допусков

- 0т19яшВестникяИвигателестроенияя1 4/т006

- 119 -

Отклонение размеров оценивали по схеме, показанной на рис. 4.

Рис. 4. Шкала для оценки критериев

Преимущество одного критерия над другим оценивается отношением ц/¡2 .

В связи с делением отклонений на величину поля допуска возникают различные ситуации приоритетов альтернатив относительно критерия. Рассмотрим все случаи:

- чем больше отклонение критерия 1, тем больше приоритет (по убывающей) у одного вариантов решения: забраковать, ремонтировать по технологии 1, установить на двигатель с оформлением карты разрешения, установить на двигатель, ремонтировать по технологиям 2, 3;

- если отклонение критерия 1 входит в поле ремонтного допуска, то возможны следующие приоритеты: ремонтировать по технологии 1, установить на двигатель с оформлением карты разрешения, забраковать, установить на двигатель, ремонты по технологиям 2, 3;

- если отклонение критерия 1 входит в поле допуска ремонтного чертежа, то возможны следующие приоритеты: установить на двигатель, установить на двигатель с оформлением карты разрешения, ремонтировать по технологии 1, забраковать, ремонтировать по технологиям 2, 3.

Для сравнения альтернатив поставим вопрос: "Насколько больше приоритет альтернативы 1 по сравнению с альтернативой 2, если отклонение критерия 1 входит в поле допуска ремонтного чертежа".

Построим иерархию, которая представлена на рис. 5.

Построение МПС критериев одного уровня иерархии между собой и альтернатив относительно критериев осуществляется экспертами. Для всех МПС определена приближенная оценка локального вектора приоритетов Ш , максимальное собственное значение Xтах , индекс согласованности С1, отношение согласованности СК [4].

Элементы ТНМ успешно применяются для при-

нятия решений. Экспертные оценки альтернативных вариантов по критериям могут быть представлены как нечеткие множества или числа, выраженные с помощью функций принадлежности. Для упорядочения нечетких чисел существует множество методов: максиминной свертки, отношения предпочтений, аддитивной свертки [8]. Данные методы отличаются друг от друга способом свертки и построения нечетких отношений.

В методе максиминной свертки критерии определяют некоторые понятия, а оценки альтернатив представляют собой степени соответствия этим понятиям.

Метод отношения предпочтения заключается в построении множества недоминируемых альтернатив на основе нечеткого отношения предпочтения.

В методе аддитивной свертки экспертные предпочтения представлены с помощью нечетких чисел, имеющих функции принадлежности треугольного вида.

Решим задачу оценки состояния лопаток турбины ГТД методами ТНМ: максиминной свертки, отношения предпочтений, аддитивной свертки. Результаты решения задачи оценки состояния лопаток ГТД методами анализа иерархий и ТНМ представлены в табл. 1.

Таблица 1- Результаты решения задачи оценки состояния лопаток ГТД методами анализа иерархий и теории нечетких множеств

4/п006

— 121 -

Анализ ведомостей дефектации лопаток турбины двигателя Д-36 и принятые в каждом конкретном случае специалистами решения свидетельствуют о несовпадении результатов (табл. 1). Данное явление объясняется различием в способах представления экспертной информации и различием подходов к принятию решений. Так, в основу МАИ и метода отношения предпочтений заложен рационально-взвешенный подход, основанный на попарных сравнениях объектов и нормированных весовых коэффициентах. Метод максиминной свертки является реализацией пессимистического подхода, игнорирующего хорошие стороны альтернатив, когда лучшей считается альтернатива, имеющая минимальные недостатки по всем критериям. Метод аддитивной свертки предлагает оптимистический подход в том случае, когда низкие оценки по критериям имеют одинаковый статус по сравнению с высокими [8].

Таким образом, предложенная методика экспертной оценки технического состояния деталей авиационных двигателей может быть использована на отечественных предприятиях авиационной промышленности для автоматизации труда экспертов-аналитиков и поддержки принятия решений по устранению возможных дефектов (ремонту) деталей. Методика является универсальной и может применяться для оценки составных частей не только авиационных двигателей, но и для других компонентов любых технических объектов.

Список литературы

1. Адаменко В.А., Дубровин В.И., Субботин С.А. Диагностика лопаток авиадвигателей по спектрам затухающих колебаний после ударного возбуждения на основе нейронных сетей прямого распространения // Нов1 матер1али I технологИ' в металурги та машинобудуванн1.-2000. - № 1.- С. 91-96.

2. Дубровин В.И. Идентификация и оптимизация сложных технических процессов и объектов. -

Запорожье:ЗГТУ. - 1997. - 92 с.

3. Дубровин В.И., Субботин С.А. Нейросетевая диагностика газотурбинных лопаток // Оптические, радиоволновые и тепловые методы и средства контроля качества материалов, промышленных изделий и окружающей среды / Тезисы докладов VIII международной научно-технической конференции. - Ульяновск: УлГТУ. - 2000. -С. 121-124.

4. Дубровин В.И., Миронова Н.А., Конопля В. И. Многокритериальная оптимизация технологического процесса с использованием метода анализа иерархий // Радиоэлектроника. Информатика. Управление. - 2005. - №2. - С. 47-53.

5. Миронова Н.А. Модифицированный метод анализа иерархий в системах поддержки принятия групповых решений // 9-й Международный молодежный форум "Радиоэлектроника и молодежь в 21 веке": Сб. материалов форума.-Харьков: ХНУРЭ, 2005. - 291 с.

6. Дубровин В.И., Миронова Н.А. Модифицированный метод анализа иерархий в системах поддержки принятия решений // Тиждень науки. Тези доповщей науково-техычноТ конференций Запорiжжя, 25-28 квггня 2005 р. - За-порiжжя: ЗНТУ, 2005. - 203 с.

7. Миронова Н.А. Анализ методов решения задачи оценки состояния лопаток авиационного двигателя // 10-й Международный молодежный форум "Радиоэлектроника и молодежь в 21 веке": Сб. материалов форума. - Харьков: ХНУРЭ, 2006. - 433 с.

8. Андрейчиков А. В., Андрейчикова О.Н. Анализ, синтез, планирование решений в экономике. -М.: Финансы и статистика, 2002. - 368 с.

Поступила в редакцию 28.06.2006 г.

Розглянуто вир1шення задач1 оцнки стану лопаток газотурб1нних двигун1в методами анал1зу ¡ерарх1й й теорИ'неч1тких множин. Запропоновано методику автоматизовано!'ек-спертно!'оцнки техн1чного стану деталей ав1аи,1йних двигун1в.

The problem of gas turbine blade state value is analyzed by means of analytic hierarchy process and theory of fuzzy sets methods. The automated expert assessment strategy of aircraft engine components technical condition is suggested.