книги из ГПНТБ / Соломонов, П. А. Надежность планера самолета

Подставляя в формулу (2.88) значение Pit получим

/- 1

Втом случае, если элементы системы имеют одинаковую на­

Следовательно, для расчета надежности систем необходимо знать законы распределения интенсивности отказов элементов во времени или экспериментальные кривые Я (7).

Рис. 41. Принципиальная схема топливной системы самолета:

/ — д р е н а ж ; 2— т о п л и в н ы й б а к ; 3— п о д к а ч и в а ю щ и й н а с о с ; 4, 6, 8, 10 и 12 — т р у б о п р о в о д ы ; 5 — о б ­

р а т н ы й к л а п а н ; 7— п о ж а р н ы й к р а н ; 9— т о п л и в н ы й н а с о с ; 11— т о п л и в н ы й ф и л ь т р

При постоянстве интенсивности отказов Х = const вероятность безотказной работы системы

Величина интенсивности отказов системы будет равна сумме интенсивности отказов элементов системы

80

Для расчета безотказной работы всего самолета производят­ ся расчеты надежности систем управления, гидросистемы, топ­ ливной и воздушной систем, электросистемы, силовой установки и других систем и агрегатов. Далее составляется схема соедине­ ния жизненно важных систем и агрегатов всего самолета и производится расчет безотказной работы всего самолета. Из­ вестно, что надежность агрегатов зависит от условий и режимов их работы. При работе на низких режимах долговечность агре­ гатов, как правило, будет больше. Поэтому при расчетах на­ дежности необходимо учитывать условия и режимы работы агре­ гатов. Для этого в расчетные формулы для определения вероятности безотказной работы подставляются значения интен­ сивности отказов при реальных условиях (температурах, давле­ ниях, влажности, наличии агрессивной среды и т. п.) и действи­ тельных режимах работы.

В некоторых системах самолета отдельные группы агрегатов работают неодинаковое время. В этом случае при расчете весь процесс работы системы разбивается на отдельные этапы, соот­ ветствующие отдельным периодам работы системы. Для каждо­ го этапа составляется своя функциональная система, содержа­ щая все работающие в течение данного этапа агрегаты. После этого рассчитывается надежность системы для каждого этапа работы. Вероятность появления отказа системы за полный цикл работы

В ряде случаев требуется определить среднюю вероятность безотказной работы системы, например, топливной системы са­ молета за время полета. Пусть первые два часа работы (/4= 2 ч) система работает на первой группе баков с вероятностью безот­

81

Если задана вероятность безотказной работы и требуется оп­ ределить время, в течение которого она будет обеспечена, то сле­ дует определить значение интеграла

t

[ l { t ) d t = - \ n P { t ) (2.103)

о

и затем по графику X{t) определить такое значение t, при кото­ ром площадь под кривой равна вычисленному интегралу.

Аналогичные расчеты .надежности можно производить, ис­ пользуя кривые плотности вероятности отказов. В этом случае вероятность безотказной работы определяется по формуле

t

В процессе эксплуатации летательных аппаратов имеют мес­ то внезапные отказы и отказы по износу. Плотность распределе­ ния отказов по износу характеризуется функцией нормального закона распределения. Поэтому вероятность отсутствия отказов по износу

функции Лапласа.

63

Глава III

МЕРОПРИЯТИЯ ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ НАДЕЖНОСТИ ПЛАНЕРА САМОЛЕТА И ЕГО СИСТЕМ НА ЭТАПЕ ЕГО СОЗДАНИЯ И СЕРИЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА

3.1. Обеспечение высокой надежности самолета на этапе проектирования и создания опытного образца

Повышение качества, надежности и ресурса самолета — за­ дача нелегкая, решение ее требует коллективных усилий, твор­ ческих решений, научных исследований, чувства ответственности всех исполнителей за качество продукции [12, 24]. Как показал опыт передовых самолетостроительных заводов и ОКБ, харак­ терными особенностями и необходимыми условиями обеспечения высокой надежности самолета в процессе проектирования, соз­ дания опытного образца и серийного производства являются:

—■комплексность решения задачи;

—сочетание классических методов и приемов, обеспечиваю­ щих повышение надежности, характерных для различных отрас­ лей промышленности и специфических, свойственных только от­ расли самолетостроения;

—конструктивно-технологическая доводка самолета и его отдельных сложных агрегатов при создании образца для серий­ ного производства в процессе подготовки производства;

—участие серийного завода в непрерывном совершенствова­ нии конструкции самолета, двигателя, их агрегатов оборудова­ ния и систем; интенсивное использование периода подготовки производства для конструктивно-технологической отработки из­ делия, проведение широких лабораторных и летных исследова­ ний и испытаний и разработка на их основе необходимых меро­ приятий по повышению надежности;

—всемерное развитие научных исследований в научно-ис­ следовательских учреждениях, ОКБ, на серийных заводах, нап­ равленных на повышение надежности;

—разработка комплексных технологических процессов, под­ чиненных решению единой задачи повышения надежности и ох­ ватывающих все стадии производства самолета — изготовление

85

деталей, сборку узлов, панелей и агрегатов, общую сборку, про­ верку на контрольно-испытательной станции и при летных ис­

пытаниях;

— активное содействие серийного завода и ОКБ правильной эксплуатации самолетов в эксплуатирующих организациях. Тес­ ная творческая связь между серийными заводами, ОКБ и экс­ плуатирующими организациями. Глубокое изучение опыта экс­ плуатации самолетов и разработка на основе его мероприятий по повышению надежности самолетов и обеспечению безопасно­ сти полетов.

Опыт показывает, что 80—85% отказов происходит в резуль­ тате недостатков конструкции и технологических процессов. Уст­ ранение этих недостатков производится при наличии в эксплуа­ тирующих организациях большого количества самолетов. Это вызывает значительные затраты на доработку техники, выпол­ нение профилактических мероприятий в процессе эксплуатации. Следовательно, доводка самолетов ложится тяжелым бременем и на серийные заводы и на эксплуатирующие организации.

Однако эти недостатки не являются результатом только неб­ режности конструкторов и технологов. Важнейшие показатели качества и надежности определяются тем, насколько удалось в ходе проектирования и испытания опытного образца выявить все недостатки и «слабые» места изделия. Во многих случаях кон­ структор еще не располагает объективными методами оценки качества конструкторского проекта. Это же в значительной ме­ ре относится и к технологическим процессам. Поэтому качество проектирования и технологической отработки изделия в ряде случаев выясняется после проведения специальных довольно длительных испытаний или в процессе эксплуатации.

Совершенство конструкций авиационной техники во многом определяет ее качество. В процессе проектирования закладыва­ ются основы надежности любого самолета, прочностные и уста­ лостные характеристики, ее долговечность, ремонтопригодность, а также решаются задачи обеспечения функциональной эффек­ тивности изделия, вопросы технологических и эксплуатационных показателей. Конструктивное совершенство изделий авиацион­ ной техники, их летно-технические характеристики во многом определяют безопасность полетов, эффективность использова­ ния, удобство эксплуатации, стоимость ее производства и экс­ плуатации. Поэтому на этапе проектирования решаются вопро­ сы производственной, эксплуатационной и ремонтной техноло­ гичности, закладываются технические основы эксплуатации и обслуживания. При проектировании в основном решаются воп­ росы стандартизации, определяются эстетические характеристи­ ки самолета.

Известно, что с усложнением изделий возрастает зависи­ мость надежности всей системы от надежности каждого элемен­ та, входящего в нее. Поэтому основным методом повышения

«6

надежности изделий является повышение надежности его составных элементов. Одним из путей повышения надежности авиационной техники является совершенствование методов рас­ чета на базе проведения научных исследований, испытательных

иисследовательских работ и использования опыта эксплуатации

иремонта. Важное значение в обеспечении надежности каждого элемента конструкции имеет правильный выбор материала и конструктивных форм в зависимости от условий работы элемен­ та, нагрузок и факторов, определяющих его износ или разруше­ ние. Большинство деталей и агрегатов самолетов подвергаются механическому истиранию, тепловому разрушению, разрушениям от статических ударных, динамических вибрационных нагрузок,, подвергаются коррозии и действию других факторов. Примене­

ние при изготовлении агрегатов и деталей планера самолета, силовых установок, агрегатов оборудования и систем высоко­ прочных материалов, обладающих повышенной чувствительно­ стью к концентрации напряжений и колебаниям в технологиче­ ском процессе при усложнении спектра нагрузок, .увеличении срока службы, интенсивности эксплуатации, требует повышенно­ го внимания, а зачастую и нового подхода к проектированию силовых конструкций.

Поэтому одним из обязательных условий обеспечения надеж­ ности конструкции является правильный выбор материалов.. Кроме учета механических, электрических, химических и терми­ ческих свойств материалов, необходимо учитывать также посто­ янство их свойств. Особое внимание необходимо, когда выбор материала определяется комбинацией механических, физических и электрических свойств. Следует тщательно оценивать предпо­ лагаемые условия работы материала, детали, элемента или са­ молета в целом, а также влияние способа обработки на свойства материала.

Успехи авиационной техники были всегда связаны с прогрес­ сом в области изыскания более прочных, стойких и легких ме­ таллических, а также неметаллических материалов.

Требования, предъявляемые к материалу, в зависимости от условий его работы, характера механического нагружения, тем­ пературы и воздействия среды могут быть различными. Для изготовления, например, лонжеронов самолета требуется мате­ риал, обладающий большой жесткостью и статической прочно­ стью; валы авиационных двигателей изготовляются из матери­ ала, хорошо сопротивляющегося ударному и знакопеременному нагружению; для лопаток газовой турбины реактивного двига­ теля требуется материал высокой жаропрочности; при изготов­ лении подшипников авиадвигателя используется антифрикцион­ ный материал, не дающий при эксплуатации большого износа и обеспечивающий нормальную смазку. В связи с развитием жид­ костных реактивных двигателей появилась необходимость в ма­ териалах, стойках к действию сильных кислот, например,

8Т

Целый ряд деталей самолетов и авиационных двигателей из­ готовляется из пластических материалов, которые должны обла­ дать специальными свойствами: прозрачностью, электроизоля­ ционными качествами, малой теплопроводностью, высокими функциональными свойствами, эластичностью и непроницаемо­ стью для жидкостей и газов, высокой механической стойкостью. К таким материалам относятся плексиглас, стеклотекстолит, гетинакс, полиэтилен, полистирол, пенопласты, асботекстолит, по­ лихлорвинил, фторопласт, резина, дельта-древесина и др.

Все приведенные выше примеры показывают, что в настоя­ щее время характерно резкое дифференциальное применение материалов в зависимости от конкретных условий эксплуатации.

ления деталей, подвергающихся динамическому или знакопере­ менному нагружению, а также для деталей, работающих при высоких температурах, так как их прочность в этих условиях не­ достаточна. Магниевые сплавы рекомендуется использовать для деталей, работающих в обычных атмосферных условиях. Одна­ ко при воздействии, например, морской воды они быстро разру­ шаются, поэтому без специальной защиты применяться не мо­ гут. Следовательно, при изучении свойств металлов и сплавов надо учитывать условия эксплуатации, т. е. характер механиче­ ского нагружения изделия, температуру, состав и свойства внеш­ ней среды.

Кроме перечисленных выше широко распространенных ме­ таллов и сплавов, получены и используются новые металлы и сплавы. В последние годы нашли практическое применение ти­ тан, ниобий, хром, молибден, вольфрам. Разработка сплавов на их основе была одним из основных условий нового качественно­ го скачка авиационной техники. В современных конструкциях летательных аппаратов находят все большее применение неме­ таллические материалы. Разработанные в последние годы на ос­ нове эпоксидных, кремнийорганических, полиэфирных смол но­ вые стеклопластики и их модификации отличаются повышенной теплостойкостью, а по удельной прочности превосходят многие высокопрочные авиационные стали и сплавы. Пластмассы все шире используются как заменители дефицитных бронз и лату­ ней, а в ряде случаев качественных сталей. Одновременно пла­

88

стмассы благодаря целому ряду присущих им особых свойств во многих случаях являются не заменителями, а вполне само­ стоятельными высокоценными материалами. Примером могут служить десятки тысяч различных деталей самолетов, изготов­ ленных из конструкционных пластических масс, органического стекла и резины.

В последнее время нашли применение композиционные ма­ териалы. Это гетерогенная структура, состоящая из двух разно­ родных композиций: матриц, заполняемых волокнами из раз­ личных материалов, и наполнителя (например, бора или стекло­ волокна) .

Переход к высокопрочным и композиционным материалам приводит к снижению массы и увеличению прочностных характе­ ристик конструкций. Применяя материалы нового типа — ком­ позиционные материалы — в ближайшие годы реально можно будет увеличить прочность и жаропрочность в несколько раз. Для повышения эксплуатационных характеристик материалов в процессе проектирования должна быть предусмотрена антикор­ розионная защита от фретинга, должны также использоваться покрытия, улучшающие электропроводные, теплопроводные и антифрикционные свойства, назначаться технологические при­ емы, повышающие механические характеристики материалов (поверхностный наклеп, термическая обработка, напыление твер­ дых сплавов и т. д.).

Кроме выбора материала, большое значение имеет примене­ ние известных принципов проектирования с учетом обеспечения необходимой надежности. Одним из таких принципов является проектирование' -конструкций повышенной надежности. При этом даже самая низкая надежность элементов конструкции должна быть выше требуемой надежности всей конструкции. Однако использование этого принципа ведет к значительному утяжелению конструкций. И все же для некоторых элементов конструкции (лопасти вертолетов, лопатки компрессора, турбин двигателей и т. д.) этот принцип является одним из обязатель­ ных. Другим важным условием /конструирования является соз­ дание силовых конструкций, рассчитанных на безопасное разру­ шение. К такому типу относятся статически неопределимые конструкции, имеющие несколько основных силовых элементов, воспринимающих нагрузки. В случае разрушения или поврежде­ ния каких-либо элементов в конструкциях такого типа нагруз­ ки воспринимаются другими элементами. Этот тип конструкции обычно применяется в жизненно важных агрегатах, подвержен­ ных действию переменных нагрузок сложного спектра. Наибо­ лее характерным примером таких конструкций являются многолонжеронные конструкции крыльев и фюзеляжей самолетов.

В некоторых случаях используют принцип создания силовых конструкций со «слабым» звеном. «Слабый» элемент должен быть выбран таким образом, чтобы разрушение его происходи-

89