Разработка теоретических основ и практических рекомендаций с целью эксплуатации авиационных двигателей воздушных судов гражданской авиации по техническому состоянию и совершенствование процессов их диагностирования

Актуальность проблемы. Государственный подход к формированию отечественной системы поддержания летной годности воздушных судов потребовал самого пристального внимания ко многим аспектам деятельности гражданской авиации. Он обусловил необходимость изменения нормативно-правовой базы, нормативного и процедурного обеспечения и контроля характеристик безопасности, надежности, технологичности, контролепригодности и др. характеристик воздушных судов гражданской авиации (ВС ГА).

В то же время определился круг задач правового и организационного образования и совершенствования системы технического обслуживания и ремонта, экономических и других мер, направленных на обеспечение и контроль летной годности в условиях эксплуатации.

Практика давно подтвердила, что уровень безопасности и исправности авиационной техники обеспечивается не только надежностью ее конструкции и грамотной летной эксплуатацией, но и, в большей степени, применяемыми стратегиями и качеством технического обслуживания и ремонта (ТОиР).

В последние годы, практически для всех типов воздушных судов, применяются прогрессивные системы ТОиР, получившие название «эксплуатация по техническому состоянию». Это рациональное (обоснованное) сочетание форм и методов ТОиР — с контролем диагностических параметров, с контролем уровня надежности парка, по фиксированному (установленному) ресурсу. По своей сути все эти методы основаны на достоверном определении (и знании) технического состояния воздушного судна на всех этапах его эксплуатации. Такие задачи решаются на основе широкого комплекса специальных испытаний и исследовательских работ, а реализуются системой инженерно-авиационной службы. В рамках структуры ТОиР большая часть этих задач возложена на сложившуюся систему технической диагностики и неразрушающего контроля (ТД и НК).

Требования о необходимости определенной системы контроля и диагностики технического состояния предусматриваются и нормами летной годности. В соответствии с ними, контроль технического состояния (ТС) должен быть обеспечен для всех функциональных систем, отказ которых может вызвать возникновение опасной ситуации.

Такое единство требований летной годности воздушных судов и требований прогрессивных стратегий их технического обслуживания обусловило необходимость установить круг задач, решаемых системой контроля и диагностирования технического состояния, разработать организационные мероприятия и условия их наиболее эффективного применения.

С установлением этих условий операции ТД и НК вошли непосредственно в процессы ТОиР, и выполнение их стало # предусматриваться нормативно-технической документацией, технологиями, бюллетенями.

В порядке государственного регулирования Государственная служба Гражданской Авиации (ГС ГА) России, при участии Департамента поддержания летной годности гражданских воздушных судов и технического развития гражданской авиации (ДПЛГ ГВС и ТР ГА), последовательно проводит комплекс мер, направленных на формирование системы технической поддержки эксплуатантов и совершенствование нормативной базы поддержания летной годности в процессе эксплуатации ВС.

Создана система сертификации организаций по ТОиР, организован.

Государственный Центр безопасности полетов (ГЦ БП) на воздушном транспорте, введено «Временное положение об организации и проведении работ по установлению ресурсов и сроков службы гражданской авиационной техники», разрабатывается концепция системы поддержания летной годности ВС ГА.

Известно, что в процессе эксплуатации авиационные двигателя (АД) регулярно контролируются количественно и с различной степенью точности как непосредственно в полете (например, контроль и запись параметров двигателей НК-86 самолетов типа ИЛ-86 на борту и последующая их расшифровка на земле), так и на земле (при более углубленном количественном контроле во время проведения других видов работ по техническому обслуживанию).

При количественном контроле результаты сравниваются с заранее заданными допустимыми или критическими границами — допусками на каждый из измеряемых параметров. В целях стандартного представления исходных данных в пределах (0,1) каждый параметр нормируется относительно своего критического допуска.

В отличие от другого бортового оборудования количество % измеряемых параметров авиационных двигателей (АД), как правило, ограничено пятнадцатью — двадцатью параметрами.

Однако, до сих пор (несмотря на наличие ряда содержательных публикаций в области эксплуатации АД) при организации эксплуатации АД I не формализован вопрос о выборе упреждающих регулировок их контролируемых параметров в случаях наблюдаемых приближений к критическим заданным границам.

Более того, не решен и главный вопрос — о выборе и обосновании оптимальных процедур упреждающих регулировок параметров АД в этих предкритических случаях. Хотя, на чисто интуитивном, эвристическом ф уровне, обслуживающий персонал практически всегда осуществляет такие упреждающие регулировки, руководствуясь соображениями прежде всего безопасности полетов и желанием снижения трудозатрат на техническое обслуживание и ремонт АД. Естественно, что «правила» таких упреждающих регулировок у каждого специалиста свои и в основе их всегда лежит накопленный эксплуатационный опыт.

И, наконец, следует отметить актуальность комплексного контроля и анализа технических, экономических и экологических параметров АД, которые стохастически тесно зависимы.

В данной работе будут изложены постановки и решения общих и частных оптимальных задач эксплуатации АД по техническому состоянию (далее просто по состоянию).

При этом в обобщенный критерий (функционал) качества, по которому должна проводится оптимизация, следует включать и риски возможных авиационных происшествий, экономические потери от таких происшествий, возмещение морального ущерба пассажирам, затраты на регулировки и измерения параметров АД.

Выходными параметрами оптимизации будут упреждающие допуска, располагаемые всегда ниже критических, и периодичность (шаг) наблюдения параметров. Если такой шаг наблюдения уже задан, то оптимизации подлежат только упреждающие допуска на каждый параметр.

Особый круг задач, тесно связанных с задачами эксплуатации двигателей по техническому состоянию (ЭТС), составляют задачи диагностирования неисправностей на рабочих режимах двигателя. Они также требуют своего решения.

Таким образом, до сих пор не были созданы на базе достижений фундаментальной науки единые методологические основы эксплуатации таких сложных и ответственных энергетических систем, как авиационные двигатели, по техническому состоянию, комплексно не представлены и не проанализированы существующие и перспективные алгоритмы диагностирования АД, а также совокупность систем контроля состояния двигателей, включая вычислительные средства.

Автор диссертации, по роду своей деятельности, тесно связанной с поиском новых методов и средств эксплуатации авиационных двигателей современных ВС ГА, пытается восполнить отмеченный пробел и решить кратко обозначенную выше крупную научную проблему ^ оптимальной эксплуатации АД по техническому состоянию.

В области эксплуатации и ремонта ВС и АД ГА по техническому состоянию следует отметить прежде всего работы Н. Н. Смирнова и А. А. Ицковича, исследования В. Г. Воробьева, А. А. Кулагина и их учеников, Е. А. Гриценко, В. М. Чепкина, Е. А. Куклева, А. А. Иноземцева, Ю. А. Ножницкого, Е. А. Коняева, Л. Ф. Красникова, Р. И. Адгамова, А. Г. Баканова, Ф. М. Муравченко, В. М. Чуйко, А. М. Матвеенко, Ю. Н. Нечаева и др.- в области диагностирования — работы А. И. Биргера, П. П. Пархоменко, В. И. Перова, В. А. Пивоварова, А. Б. Кузьмина, С. М. Дорошко, И. М. Синдеева, В. И. Ямпольского, Н. И. Белоконя,.

A.А.Морозова, В. А. Степанова, Б. А. Чичкова, И. В. Кета и др.

Ряд монографий, непосредственно посвященных теории эксплуатации сложных систем (в частности, и оборудования летательных аппаратов) по техническому состоянию, был издан Е. Ю. Барзиловичем,.

B.Ф.Воскобоевым и В. А. Каштановым.

В данной работе, безусловно, нашли отражение те основные результаты исследований упомянутых авторов, которые можно было в той или иной мере использовать при создании и обосновании предложенной в диссертации концепции эксплуатации АД по ТС и их диагностирования.

Объектом исследования является парк эксплуатируемых в ГА Ф газотурбинных авиационных двигателей и процесс их технической эксплуатации.

Предмет исследования — новые методы эксплуатации АД: эксплуатации их по техническому состоянию комплексно с новыми методами диагностирования.

Целью диссертации является создание на основе достижений современной науки и техники теоретических основ эксплуатации АД по состоянию и обоснование технических, информационных и организационных возможностей реализации полученных теоретических результатов на основе широкого использования вычислительных комплексов.

Для достижения этой цели в диссертации решены следующие задачи:

— оптимального управления состоянием АД при независимых параметрах (одномерная модель);

— оптимального векторного управления состоянием АД при комплексном контроле набора стохастически зависимых параметров;

— скорейшего обнаружения «сбоев» (с заданной малой вероятностью ошибки) в работе АД (например, при скачкообразном изменении уровня вибрации);

— разработки и обоснования предложений по внедрению автоматизированной системы ЭТС и диагностики АД;

— формализованного выявления неисправностей по изменению параметров вибрации;

— по обоснованию выбора контролируемых параметров и алгоритмов диагностирования технического состояния АД в эксплуатации;

— по обоснованию конкретных предложений для внедрения полученных в работе результатов и использования их в руководящих документах по ЭТС и диагностике АД.

Перечисленные выше задачи и выносятся автором на защиту.

Ф Научная новизна диссертационного исследования заключается в разработке метода и прикладных алгоритмов векторного оптимального упреждающего (отказы, неисправности) управления состоянием АД при количественном контроле параметров и оптимального (скорейшего) обнаружения сбоев в системе измерений, искажающих истинную картину технического состояния АД.

В работе также впервые предложена и обоснована новая процедура определения допустимых уровней вибрации эксплуатируемых АД.

В основе этой процедуры — использование фундаментальных результатов в современном разделе математической статистики — в компьютерной статистике, полученных на базе теории перевыборок.

В работе предложена информационно-управляющая система контроля и диагностирования АД, ориентированная на их эксплуатацию по техническому состоянию, а также решен ряд новых частных задач в области выбора параметров и совершенствования алгоритмов диагностики с учетом специфики функционирования современных газотурбинных авиационных двигателей. Сформулирована концепция дальнейшего совершенствования алгоритмов диагностирования и методов неразрушающего контроля авиадвигателей в условиях эксплуатации.

Достоверность результатов исследований обеспечивается апробированными строгими и общими математическими моделями, практической приемлемостью принятых допущений и реализуемостью предложенных алгоритмов и вычислительных программ как для существующих, так и для перспективных АД, а также устойчивостью полученных результатов к неполноте исходных данных.

Практическая ценность полученных результатов заключается в приложении фундаментальной теории в области последовательного анализа к разработке и реализации в современных системах контроля и диагностирования предложенных в диссертации алгоритмов и вычислительных программ.

Внедрение результатов. Полученные лично автором или при его непосредственном научном руководстве результаты реализованы и использованы при составлении практически всех действующих нормативных и руководящих документов, регламентирующих эксплуатацию по состоянию.

АД в эксплуатационных предприятиях отраслипри создании автоматизированной системы контроля эксплуатации АДразработке концепции диагностирования и неразрушающего контроля технического состояния авиадвигателей в условиях эксплуатации, положения о порядке реализации эксплуатации газотурбинных двигателей (ГТД) ВС ГА и их ш агрегатов по техническому состоянию.

Апробация работы и публикации. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на научных конференциях, семинарах секции «Проблемы воздушного транспорта России» РАН, совещаниях различного уровня, проводившихся в стране и за рубежом по проблемам надежности, эксплуатации по техническому состоянию ВС и АД, безопасности полетов.

Автор по теме диссертации имеет более 50 научных трудов (включая комплексные научно-исследовательские работы, выполненные под его руководством), из них 15 печатных трудов и две монографии. •4 Перейдем к краткому изложению содержания диссертации. В первом.

разделе приведен обзор современного состояния технической эксплуатации и летной годности ВС в России и за рубежом, дан краткий обзор немногочисленных теоретических исследований в области эксплуатации сложных технических систем по состоянию и описывается решаемая в диссертации проблема, ее декомпозиция на ряд крупных прикладных научных задач, формализуемых с позиций последних достижений фундаментальной науки (в области управляемых случайных процессов, последовательного анализа, теории перевыборок). Показано, какие практические выводы, рекомендации и мероприятия следуют (или уже ф последовали) как результаты проведенных автором исследований.

Второй раздел посвящен математическим моделям, обосновывающим оптимальное управление состоянием АД по критерию минимума средних потерь на его техническое обслуживание (ТО) при сохранении (возрастании) заданных параметров безопасности (надежной) работы в воздухе.

Первая модель относится к случаю выборочного контроля одиночных выходных параметров АД. Задача в этом случае сводится по упомянутому критерию к однозначному выбору оптимальных значений упреждающих допусков, находящихся внутри поля основных (предельных) допусков, на измеряемые параметры АД в эксплуатации.

Вторая модель является более общей. Она позволяет отыскивать оптимальное управление состоянием набора стохастически зависимых выходных (или промежуточных) параметров АД. К числу таких стохастических зависимых параметров АД, которые в перспективе должны измеряться и регулироваться, относятся не только контролируемые в настоящее время технические и экономические параметры АД, но и его экологические характеристики (уровень шума, различные вредные выбросы в атмосферу и др.).

Модель не требует аналитической аппроксимации исследуемого векторного случайного процесса (да она пока и невозможна). Приближенное к оптимальному решение (с достаточной для практики точностью) отыскивается с помощью специально организованного моделирования. При этом выбираются оптимально не только упреждающие допуска на каждый измеряемый параметр АД, но и единый оптимальный шаг наблюдения.

Указано далее на простоту реализации полученных приближенных результатов при организации эксплуатации АД по техническому состоянию. Эти результаты должны уточняться по мере сбора информации о поведении измеряемых параметров во времени в разрабатываемой под руководством автора автоматизированной системе эксплуатации АД.

В третьем разделе впервые излагаются применительно к функционированию АД две математические модели скорейшего обнаружения «сбоев» в работе АД. Физическим аналогом исследуемого здесь случайного процесса может служить стационарный случайный процесс уровня вибрации исправно работающего АД, который при возникновении неисправности (в системе измерений), оставаясь стационарным, может изменить уровень вибрации*.

Пусть в дискретные моменты Хг, .^0−1 состояние контролируемого параметра характеризуется последовательностью случайных величин.

Эта последовательность случайных величин имеет общую функцию распределения Р0(х). Допустим, что в момент в силу некоторых внутренних или внешних воздействий произошло изменение контролируемого параметра, и он в дискретные моменты времени (момент состояния параметра, который назовем в дальнейшем моментом разладки или моментом возникновения нештатной ситуации), VI, ^0+2 и т. д. характеризуется другой последовательностью случайных величин, и эта последовательность случайных величин также имеет общую функцию распределения Б^х) Ф Р0(дг).

Таким образом, момент разладки есть случайная величина 6, принимающая дискретные значения 0, 1 .

Возникает задача: как по результатам наблюдений ••• решить вопрос о том, что произошла «разладка», чтобы при заданной малой вероятности «ложной тревоги» а = <0 } среднее время запаздывания м1-е /т >е] было бы минимальным.

Эта задача в диссертации решена для двух случаев: дискретного времени и непрерывного времени. В последнем случае наблюдению подлежит случайный процесс (а не последовательность случайных величин).

В перспективе рассмотренные модели должны быть реализованы в автоматизированной системе эксплуатации АД, обоснованные предложения к созданию и облик которой подробно изложены в следующем, четвертом разделе диссертации. Иллюстрацией сказанного могут служить рис. 4.7 раздела 4 и соответствующие пояснения к нему.

В этом разделе сформулированы требования к обобщенной базе данных по эксплуатируемым АД, а также требования к минимально необходимой базе знаний. Предполагается, что и база данных, и база знаний будут постоянно адаптироваться к совершенствующимся алгоритмам ЭТС и диагностирования. В разделе также отражен накопленный опыт (на уровне алгоритма и вычислительной программы) локализации неисправностей АД с точностью до модуля. Особое внимание при этом уделено статистическому анализу неисправностей АД по изменению регистрируемых характеристик вибрации АД как одного из наиболее информативных эксплуатационных параметров.

Предложен новый подход к статистическому оцениванию характеристик вибрации эксплуатируемого АД и проверки их на соответствие заданным эксплуатационным требованиям путем сравнения с характеристиками вибрации эталонного АД. Этот подход основан на использовании ограниченных исходных данных (но одного и того же объема) по уровням вибрации эксплуатируемого и эталонного АД и преобразованиях их с использованием теории перевыборок. На этой основе предлагается оригинальная процедура сравнения уровней вибраций обоих АД и принятия решения о состоянии эксплуатируемого АД по изменению его регистрируемых параметров. При этом не предполагается знание закона изменения случайной величины — уровня вибрации АД, который во всех исследованиях, посвященных этому вопросу, предполагается нормальным, однако, это предположение нигде статистически не подтверждается и теоретически не доказывается.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

Организация оптимальной эксплуатации авиационных двигателей воздушных судов гражданской авиации дает существенный экономический и социальный эффект. Наряду с повышением надежности АД при их создании использование новых технологий управления и информационного обеспечения в эксплуатации ВС ГА должно качественно улучшить функционирование важнейшей для страны отрасли — гражданской авиации Российской Федерации.

Разработки по оптимальной эксплуатации ответственных объектов, включая ВС ГА, обладают высокой экономической эффективностью, приводят к минимизации (снижению) эксплуатационных затрат, продлению сроков их безопасного функционирования.

В диссертации рассмотрены и обоснованы новые технологии контроля технического состояния воздушных судов (на примере авиационных двигателей) в сочетании с оптимальной системой управления этим состоянием в штатном (исправном) режиме АД и при наличии в нем неисправности.

Более конкретно по проведенным исследованиям можно сделать следующие выводы.

1. В диссертации обобщен и систематизирован имеющийся опыт эксплуатации газотурбинных двигателей воздушных судов гражданской авиации по техническому состоянию.

Известно, что система технического обслуживания (ТО) воздушных судов является важнейшим фактором, влияющим как на экономическую эффективность их эксплуатации, так и на безопасность полетов. Совершенствование системы технического обслуживания ВС ГА направлено на переход их к эксплуатации по техническому состоянию (ЭТС), т. е. к отказу от плановых ремонтов авиационной техники, если их необходимость не обусловлена выявленными в процессе контроля недостатками и дефектами, а также профилактическими заменами отдельных узлов, модулей, которые нельзя осуществить непосредственно в эксплуатации. Экономическая эффективность метода ЭТС АД определяется возможностью увеличения срока его работы до дорогостоящего капитального ремонта.

Первый опыт эксплуатации АД по техническому состоянию показывает, что трудозатраты на ТО ВС и АД возрастаютэтот рост обусловлен не только организационными трудностями перехода к новому способу обслуживания, но и сравнительно более глубоким знанием состояния авиационной техники (АТ), а значит, и большим объемом трудозатрат на устранение выявленных неисправностей и предпосылок к ним. Таким образом, постоянный контроль состояния АТ позволяет не только своевременно выявлять и устранять неисправности, не допуская отказов с опасными последствиями, но, что самое важное, и предупреждать многие отказы и неисправности, что существенно повышает безопасность полетов воздушных судов.

Возможность и эффективность применения ЭТС обеспечивается и конструктивным совершенством авиационной техники.

2. Предложен новый подход к созданию математического обеспечения ЭТС АД. Он заключается в разработке применительно к АД прикладной модели векторного оптимального управления состоянием АД при контроле в эксплуатации стохастически зависимых выходных параметров (в перспективе это не только технические, экономические, но и экологические параметры). Контроль в совокупности названных параметров (для любой энергетической установки) на современном этапе развития чрезвычайно важен и актуален. В модели использован составной критерий: трудозатраты (минимизируются) — безопасность (фиксируется и проверяется на соответствие заданному уровню).

Модель опирается на исследование записей измеренных и зафиксированных параметров АД в эксплуатации и не требует аналитического решения (да оно и невозможно в рамках поставленной задачи). Квазиоптимальное решение задачи получено методом специально организованного моделирования. Оптимизируемыми параметрами в результате решения являются набор упреждающих допусков на все контролируемые параметры и шаг наблюдения за состоянием АД в эксплуатации. Модель легко реализуется в любых существующих системах контроля состояния АД (и в других сложных технических системах ответственного назначения) в эксплуатации при условии соблюдения требований к точности измерения параметров, позволяющей фиксировать вводимые значения упреждающих допусков.

3. Обоснованная в диссертации модель скорейшего обнаружения «сбоев» (разладок) при измерении состояния АД в процессе эксплуатации с заданной малой вероятностью ложной тревоги, опирающаяся на последние результаты теории последовательного анализа, может быть реализована в автоматических системах контроля состояния АД.

4. Решенная в диссертации задача выбора оптимальных сроков замен стареющих агрегатов АД позволяет в процессе длительной эксплуатации корректировать значения задаваемых для них межремонтных ресурсов.

5. Предложенный в работе подход к статистическому оцениванию параметров неизвестных распределений случайных величин по ограниченной исходной выборке позволяет решать целый класс новых задач в области надежности и вибродиагностики АД, приводит к сокращению объема дорогостоящих испытаний и к разработке обоснованной методики проверки на соответствие показателей безопасности полетов ВС и надежности АД задаваемым требованиям.

6. В диссертации предложена модель выбора диагностических параметров, в которой в отличие от традиционных подходов к выбору параметров контролируемого объекта более полно учитывается физическая картина функционирования АД и факты обнаружения типовых неисправностей. Обоснованные в диссертации выводы и рекомендации предлагается реализовать в автоматизированной системе эксплуатации АД по техническому состоянию, математическое обеспечение и облик этой системы содержатся в диссертации.

7. Полученные в работе результаты в области совершенствования диагностирования и неразрушающего контроля состояния АД вошли в концепцию, главные положения которой уже используются в практике эксплуатации авиационных двигателей ВС ОАО «Аэрофлот» и других авиапредприятий.

8. Результаты диссертации могут быть рекомендованы для энергетических установок ответственного назначения, включая установки транспортного типа, при организации их эксплуатации по техническому состоянию.

Таким образом, решенная в диссертации комплексная теоретическая, техническая и организационная проблема ЭТС АД позволяет существенно повысить эффективность системы технического обслуживания ВС ГА, снизить трудозатраты на его выполнение, повысить безопасность полетов воздушных судов и надежность работы АД.