Диагностирование отказов контрольно-проверочной аппаратуры газотурбинного двигателя на основе построения комбинаторной диагностической модели

Актуальность. Современный уровень развития авиастроения, увеличение ресурса газотурбинных двигателей (ГТД) и усиление конкуренции' среди производителей сделали особенно актуальной проблему повышения эффективности эксплуатации двигателей. Эта проблема может решаться либо за счёт совершенствования конструкции ГТД, либо за счёт совершенствования самой системы эксплуатации.

Одной из наиболее важных проблем при эксплуатации ГТД является оценка состояния и диагностирования дефектов и отказов. Этой проблемой занимались многие авторы, в том числе: Абрамчук В. Е., Акимов В. М., Ах-метзянов A.M., Белоконь Н. И., Биргер И. А., Боровик В. О., Гельфандбейн Я. А., Горбунов Г. Н., Дубравский Н. Г., Егоров В. И, Епифанов С. В., Кеба Н. В., Клюев В. В., Клячкин A. JI, Коровкин Ю. М., Косточкин В. В., Костерин В. А.,' Куршев Н. В., Литвинов Ю. А., Лозицкий Л. П., Лозовсктй В. Н., Пархоменко 'П.П., Пилиносян Б. Н., Румянцев С. В., Степаненко В. П., Симбирский В. Ф., Сиротин Н. Н., Солохин Э. Л., Студеникин В. А., Степаненко В. А., Тимошенко О. И., Таршиш М. С., Тунаков А. П., Хамзин А. С., Шляхтенко С. М., Ямполь-ский В.И., и многие другие.

В роли средства диагностирования двигателя выступает КГТА (контрольно-проверочная аппаратура) газотурбинных двигателей, которая обеспечивает получение информации о состоянии бортовых систем. Однако она не только служит источником информации о состоянии самолета, но и сама является одним из неотъемлемых компонентов самолета, без которого невоз-' можна его эксплуатация. Поэтому проблема повышения эффективности применения самолетов тесно связана с проблемой повышения надежности выполнения своих задач КПА. Решение этой проблемы ведется в нескольких направлениях, основными, из которых являются [45]: предотвращение возникновения отказоввосстановление утраченной работоспособностиобеспечение устойчивости к отказам (толерантности). • Первое направление разработано достаточно подробно. Однако реализация двух последних направлений на сегодняшний день не позволяет полностью исключить появление отказов. Поэтому диагностирование контрольно-проверочной аппаратуры играет важную роль в определении технического состояния авиационных двигателей. В существующих ГТД любой отказ, возникший в контрольно-проверочной аппаратуре во время полета, рассматривается как отказ всей системы (КПА-ГТД) и решение рассматривается однозначно — прекращение полета, т. е. работы двигателя. Данная стратегия, эксплуатации предопределила существующую концепцию применения диагностирования, в результате которой определяется вид технического состояния КПА. Локализация места отказа производится с точностью до КПА-ГТД.

Реализация третьего направления ставит перед диагностированием контрольно-проверочной аппаратуры другие цели, поэтому в диссертационной работе ставится задача по реализации второго направления и изысканию способов обеспечения устойчивости КПА к отказам за счет снижения их влияния на безопасность полетов.

Объект исследования. Объектом исследования является ГТД НК-86, представляющий собой 2-х контурный, 2-х каскадный двигатель со смешени-" ем потоков наружного и внутреннего контуров в общем выходном устройстве. На двигателе предусмотрены системы: запуска, контроля, защиты, сигнализации, противообледенения, противопожарной защиты и диагностики. .

Цель исследования. Выявить показатели эффективности контроля ГТД и диагностирования КПА, которые зависели бы не только от технических характеристик, но и его организации, одновременно отражая конечную направленность процесса полета.

Задачи исследования. Рассматривая проблемы диагностирования КПА, можно заключить, что для их решения необходимо: оценить влияние характеристик безотказности контрольно-проверочной аппаратуры и средств ее диагностирования, а также глубины локализации отказов КПА на эффективность работы ГТДразработать диагностическую модель авиационного двигателя для определения глубины алгоритмической локализации отказов КПА без дополнительных средств диагностированияразработать методику анализа структуры КПА, алгоритма ее работы и получения диагностической моделивыработать практические рекомендации по совершенствованию средств и процедур диагностирования КПА, повышающие эффективность ее применения.

Методика исследования. Для достижения поставленных в работе целей потребовалось проведение теоретических исследований и расчетов. Теоретической основой исследования эффективности диагностирования послужила общая теория вероятностей. Методологической основой исследования взаимодействия аппаратуры контроля, диагностирования и двигателя явились основные положения системного подхода. Для решения частных задач, связанных с разработкой моделей и получением аналитических выражений критериев эффективности использовался аппарат теории графов и множеств, теории вероятностей и комбинаторики, бинарной алгебры, теории принятия последовательных решений.

Научная ценность и новизна.

1. Получены аналитические выражения показателей эффективности, определяющие оптимальную глубину диагностирования КПА.

2. Разработана иерархическая комбинаторная диагностическая модель. (КДМ) системы КПА-ГТД в виде графа и таблицы.

3. Разработана графовая модель процесса локализации отказа контрольно-проверочной аппаратуры при ее диагностировании.

4. Разработаны конкретные предложения по совершенствованию системы диагностирования КПА, реализация которых позволяет повысить ее эффективность и снизить влияние отказов на безопасность проведения полетов.

Положения, выносимые на защиту.

1. Аналитические выражения показателей эффективности.

2. Результаты оценки влияния характеристик безотказности и средств-ее диагностирования, а также глубины локализации отказов КПА на эффективность эксплуатации ГТД.

3. Графовая и табличная иерархическая комбинаторная диагностическая модель контрольно-проверочной аппаратуры.

4. Методика синтеза КДМ.

5. Графовая модель локализации отказа в КПА при ее диагностирование и аналитические выражения показателей эффективности.

6. Методика автоматизированного построения оптимального алгоритма диагностирования контрольно-проверочной аппаратуры.

7. Предложения по совершенствованию диагностирования КПА, направленные на снижение влияния отказов ее на результаты полета.

Практическая ценность исследования. Определяется тем, что реализация разработанных методик по построении комбинаторной диагностической модели КПА и алгоритма идентификации ее состояния создает основу для принятия обоснованного решения о наиболее эффективном варианте эксплуатации ГТД (действий экипажа). Результаты работы могут быть практически реализованы как в существующих, так и в перспективных самолетах, не только для идентификации состояния контрольно-проверочной аппаратуры, но и для локализации отказов контрольно-регламентной аппаратуры, используемой на базах и ремонтных предприятиях. При этом в перспективных самолетах, доведенные до уровня машинных программ алгоритмы позволяют включать их в состав математического обеспечения автоматизированной аппаратуры. Результаты, полученные в диссертационной работе, могут быть использованы в других многофункциональных технических системах. Программы реализованы на ПЭВМ.

Реализация. Результаты исследования нашли применение при выполнении научно-исследовательских работ № 3−96−564 и № 3−96 563 на предприятии ЦНИИ АГ, в методиках оценки технического состояния двигателей НК-8 2У и НК-86 на КПП ОАО «Авиамотор» и в учебном процессе Казанского ФВАУ, что подтверждается соответствующими актами о применении.

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения и приложения.

Результаты работы алгоритма локализации отказа в КПА, при условиях задачи примера № 3, позволяют допустить ГТД к продолжению полета JIA с отказом в АК КПА. Отказ обнаружен в первом КПЭ КПА, при этом было реализовано три ЭС.

Результаты решения примера № 4 показывают, что при данных условиях задачи дальнейшая локализация невозможна, т.к. в ОПП отсутствуют ЭС, позволяющие продолжить процесс локализации отказа в КПА.

В примерах 1, 3 определены номера ЭП, которые необходимо исключить из программы функционирования ГТД-КПА.

Анализ результатов решения задач позволяет сделать вывод о работоспособности методики построения оптимального алгоритма диагностировав ния КПА. Причем оптимальная глубина, диагностирования КПА определяется условиями постановки задачи.

3.5. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО РЕАЛИЗАЦИИ РАЗРАБОТАННОЙ МЕТОДИКИ.

Результаты проведенных исследований эффективности диагностирования КПА ГТД позволяют сделать важные для практики разработки и эксплуатации ЛА выводы.

Существующие стратегии диагностирования КПА в серийных ГТД не позволяют с полной эффективностью реализовать потенциальные возможности использования ее результатов, это обусловлено тем, что любая, возможность использования по прямому назначению ГТД с обнаруженным в КПА отказом не допускается. Однако если исходить из введенного в разделе 1.2 представления контрольно-проверочной аппаратуры как многофункциональной системы в форме КДМ, то становится очевидным, что не любой отказ КПА ведет к невозможности выполнения ею всех предписанных функций (задач).

Для каждой задачи ГТД можно составить, в общем случае, список отказов КПА, которые не препятствуют выполнению ею необходимых полетных операций, а лишь требуют изменения (сокращения) содержания операций контроля КПА-ГТД.

Перспективы развития ЛА, связанные с резким расширением функций и задач, решаемых КПА, требуют соответствующего изменения стратегии диагностирования, основными элементами которой являются: обеспечение соответствия между задачами, которые предстоит решать КПА, и определением возможности реализации соответствующих ей функций при диагностированиивыбор средств и способов диагностирования аппаратуры диагностирования, обеспечивающих непрерывность процесса контроля ГТД-КПА в поле-' те и диагностирования КПАпостроение алгоритмов диагностирования КПА, учитывающих ее реальное состояние на момент проверок.

Результаты реализации алгоритма самоконтроля КПА.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате проведенных в работе исследований получены следующие результаты:

1. Показано противоречивое влияние самоконтроля КПА ГТД на полет ЛА. С одной стороны, проведение процесса самоконтроля позволяет определять состояние и принять обоснованное решение о возможности выполнения КПА своих задач. С другой стороны, оно связано с риском ложного забрако-вания аппаратуры. Кроме того, отсутствие возможности восстановления работоспособности КПА ГТД в настоящее время в большинстве случаев значительно снижает эффективность самоконтроля.

2. Как показал произведенный анализ критериев эффективности, для оценки эффективности многофункциональной КПА при работе ГТД в полете, целесообразно использовать апостериорную вероятность отсутствия отказов в бортовой аппаратуре, необходимой и достаточной для осуществления успешного полета и вероятность получения результата «годен» в процессе предполетной подготовки.

3. На основе анализа структуры системы контроля и особенностей организации ее самоконтроля построена графовая модель процесса функционирования КПА, на основании которой получены в общем виде аналитические выражения для определения численных значений критериев эффективности. Они учитывают не только состояния функциональных составляющих КПА, но и систему самоконтроля этих частей. Разработан алгоритм расчета показателей эффективности, который доведен до машинной программы и реализован на ПЭВМ.

4. Разработана иерархическая комбинаторная диагностическая модель, которая позволяет оценить влияние функциональных частей КПА на работу ГТД ЛА и возможность осуществления процедуры изменения алгоритма функционирования КПА. При построении КДМ введены понятия: элементарная операция (ЭО), элементарная проверка (ЭП), комбинаторное подмножество элементов. КДМ может быть представлена в виде графа, таблицы или матрицы.

Комбинаторная диагностическая модель уровня задач учитывает функциональный состав КПА и список задач, решаемых ею. Позволяет определить, какой функциональной части аппаратуры принадлежит отказ и какую какие) задачи сможет выполнить ГТД с данным отказом. Разработана методика построения КДМ уровня задач.

Разработанная модель отображает связи между областями (ЭО, ЭП, функции, задачи) управления и функциональной структурой ГТД. В процессе построения КДМ обеспечивает «вложенность» моделей различных уровней.

5. Разработанная методика синтеза комбинаторной диагностической модели уровня элементарных операций обеспечивает формирование мно-' жеств, А и В, т. е. задания исходных данных для построения табличной КДМ, отвечающих реальным физическим процессам функционирования КПА. Она содержит два этапа: построения первичных таблицсинтез первичных таблиц в КДМ КПА уровня элементарных операций. Сформулирована и решена задача первого этапа. Для ее решения могут использоваться технические описания, электрические схемы и инструкции по эксплуатации, а также известные формальные модели технических систем.

Сформулирована и решена задача второго этапа. Для ее решения предложен метод синтеза, основанный на реализации метода ветвей и границ и применении оценки связности снизу. Разработан алгоритм решения, задач, который доведен до рабочих машинных программ и реализован на ПЭВМ. Работоспособность и результативность алгоритма проверена построением КДМ КПА.

6. Разработана модель процесса локализации отказа контрольно-проверочной аппаратуры в виде графа, который является политохомическим деревом решений. Такая структура графа позволяет решать задачи, связанные с прогнозированием принятия соответствующих решений по выбираемой очередной ЭС при локализации отказа КПА.

7. Разработанная методика автоматизированного построения оптимального алгоритма самоконтроля аппаратуры контроля позволяет реализовать гибкую стратегию функционирования ГТД в полете, т. е. осуществить с" учетом функциональной структуры КПА принципы частичного изменения алгоритма ее работы в полете. Реализовать процедуру изменения функционирования КПА с оптимальной глубиной локализации отказа при самоконтроле.

Предложен метод решения, основанный на реализацию метода ветвей и границ, идея применения которого состоит в последовательном выборе и реализации на каждом шаге элементарной самопроверки из подмножества самопроверок по минимальной величине.

Разработан алгоритм оптимизации самоконтроля КПА, который доведен до машинной программы и реализован на ЭВМ. При составлении программ использовался язык обработки информационных данных Fox Pro. Эффективность разработанной методики и полученного алгоритма проверялась на примере КДМ гипотетической КПА-ГТД-ССК. решением конкретных задач. Причем, решение производилось как вручную, так и на ПЭВМ. Проведенные расчеты подтверждают результативность и эффективность полученной методики автоматизированного построения оптимального алгоритма са-. моконтроля КПА.

8. Разработаны конкретные предложения по совершенствованию стратегий применения ГТД в случае возникновения отказа в КПА.

9. Разработанная методика была внедрена на предприятии КПП ОАО «Авиамотор» С ее помощью было выявлено 16 дефектов, что составляет 12,6%, которые принадлежали только КПА. Все эти дефекты были выявлены с применением КДМ. По результатам работы был сделан вывод о том, что данные дефекты не влияют на работу ГТД, и вполне можно было бы рекомендовать продолжение полета при возникновении данной ситуации, если бы использовался алгоритм разработанный в данной диссертации.

Таким образом, применение результатов диссертационной работы на' основе использования разработанной КДМ позволило: обосновать рациональное принятие решения о возможности дальнейшей эксплуатации диагностируемого ГТДснизить эксплуатационные затраты на техническое обслуживание и ремонт ГТД за счет выявления случаев «ложного забракования» .

Для обеспечения возможности практической реализации изменения содержания программы функционирования ГТД по результатам самоконтроля КПА на разработку ГТД необходимо задавать требования, определяющие: необходимую глубину локализации отказов КПА при самоконтролеформу представления этой информации оператору, модульность по-, строения алгоритмов (программ) самоконтроля КПА и работы ГТДвозможность пошаговой реализации программных модулей и исключения автономных модулей из программы диагностирования КПА.

Для перспективных JIA разработанные программы должны включаться в состав математического обеспечения бортовой ЭВМ.

Для обеспечения непрерывности и эффективности процесса «контроль-ГТД — самоконтроль КПА» необходимо аппаратурную часть системы самоконтроля аппаратуры реализовать в виде встроенных средств оперативного самоконтроля на базе средств и методов, рассмотренных в диссертационной работе.

Соискатель.

А.Забелин.