Лекция 1. Влияние условий эксплуатации на показатели безотказности

Вопрос 1. Типичная l-характеристика изделий АТ

Типичную l-характеристику изделий АТ мы рассматривали ранее с точки зрения периодов эксплуатации (приработка, нормальная эксплуатация, старение). В данной лекции мы рассмотрим, какой закон распределения характеризует (описывает) каждый из периодов эксплуатации.

Напомним, что период приработки характеризуется высокой интенсивностью отказов, вызванных отклонением от требований конструкторско-технологической документации, Он подчиняется распределению Вейбулла.

Распределение Вейбулла – двухпараметрический закон с параметрами и ( - параметр формы кривой распределения; - параметр масштаба).

Этот закон является универсальным, так как при соответствующих значениях параметров превращается в нормальное, экспоненциальное и другие виды распределений. Закон Вейбулла удовлетворительно описывает наработку до отказа подшипников, элементов радиоэлектронной аппаратуры, его используют для оценки надежности деталей и узлов машин, в частности автомобилей, а также для оценки надежности машин в процессе их приработки. Плотность распределения описывается зависимостью

Функция надежности для этого закона

.

Средняя наработка до отказа

,

где - гамма-функция.

Широкое применение закона распределения Вейбулла объясняется тем, что этот закон, обобщая экспоненциальное распределение, содержит дополнительный параметр α. Подбирая нужным образом параметры α и λ, можно получить лучшее соответствие расчетных значений опытным данным по сравнению с экспоненциальным законом, который является однопараметрическим (параметр λ).

Так, для изделий, у которых имеются скрытые дефекты, но которые длительное время не стареют, опасность отказа имеет наибольшее значение в начальный период, а потом быстро падает. Функция надежности для такого изделия хорошо описывается законом Вейбулла с параметром α<1.

Наоборот, если изделие хорошо контролируется при изготовлении и почти не имеет скрытых дефектов, но подвергается быстрому старению, то функция надежности описывается законом Вейбулла с параметром α>1. При α =3.3 распределение Вейбулла близко к нормальному.

Графики зависимости характеристик закона Вейбулла от наработки приведены на рис.115.

Рис.115. Зависимости характеристик закона Вейбулла от наработки

Период нормальной эксплуатации описывается экспоненциальным законом распределения, называемым также основным законом надежности, постепенные отказы еще не проявились и надежность характеризуется внезапными отказами. Эти отказы вызываются неблагоприятным стечением многих обстоятельств и поэтому имеют постоянную интенсивность. Экспоненциальное распределение находит довольно широкое применение в теории массового обслуживания, описывает распределение наработки на отказ сложных изделий, время безотказной работы элементов радиоэлектронной аппаратуры.

Плотность распределения экспоненциального закона описывается соотношением

Функция надежности — соотношением

Математическое ожидание случайной величины Х (средняя наработка до отказа)

Экспоненциальный закон в теории надежности нашел широкое применение, так как он прост для практического использования. Почти все задачи, решаемые в теории надежности, при использовании экспоненциального закона оказываются намного проще, чем при использовании других законов распределения. Основная причина такого упрощения состоит в том, что при экспоненциальном законе вероятность безотказной работы зависит только от длительности интервала и не зависит от времени предшествующей работы.

Графики зависимости характеристик экспоненциального закона от наработки приведены на рис.116.

Рис.116. Зависимости характеристик экспоненциального закона от наработки

Период старения или износа характеризуется резким увеличением интенсивности износовых отказов, которые подчиняются нормальному закону распределения (закону Гаусса).

Этот закон играет важную роль и наиболее часто используется на практике по сравнению с другими законами распределения. Основная особенность этого закона состоит в том, что он является предельным законом, к которому приближаются другие законы распределения. В теории надежности его используют для описания постепенных отказов, когда распределение времени безотказной работы в начале имеет низкую плотность, затем максимальную и далее плотность снижается.

Распределение всегда подчиняется нормальному закону, если на изменение случайной величины оказывают влияние многие, примерно равнозначные факторы.

Нормальный закон распределения описывается плотностью вероятности

где - среднеквадратичное отклонение наработки до отказа от (математического ожидания).

Напомним, что среднеквадратическое отклонение наработки до отказа есть квадратный корень из дисперсии: . Эта величина оценивает разброс (рассеяние) случайной величины – времени наработки до отказа относительно ее среднего значения (математического ожидания) , т.е. на сколько в среднем наработка до отказа отдельных изделий отличается от среднего значения .

Степень разбросанности случайных наработок до отказа вокруг среднего значения характеризуется дисперсией наработки до отказа :

.

Статистическая формула для вычисления величины по опытным данным:

.

Функция распределения определяется следующим образом:

Интенсивность отказов :

.

где - функция стандартного нормального распределения, - плотность стандартного нормального распределения.

Графики зависимости характеристик нормального закона от наработки приведены на рис.117.

Рис.117. Зависимости характеристик нормального закона от наработки

Вопрос 2. Влияние условий эксплуатации на показатели безотказности

Рассмотрим влияние условий эксплуатации на показатели безотказности ГТД, т.к. эти части ВС являются одними из самых нагруженных тяжелыми режимами работы и влияние условий эксплуатации проявляются на них быстрее.

Для анализа характера изменения надежности двигателей в процессе их освоения в эксплуатации используют среднестатистические показатели безотказности, которые частично изучались нами выше. Это средняя наработка на отказ , параметр потока отказов в полете , интенсивность отказов, приводящих к досрочному съему двигателей , параметр потока отказов, устраняемых в эксплуатации , параметр суммарного потока отказов .

На рис.118 в качестве примера приведено изменение показателей и по годам эксплуатации для двух типов ГТД. Из этого рисунка следует, что в течение первых 3…4-х лет происходит непрерывное повышение надежности ГТД, обеспечиваемое в производстве путем совершенствования конструкции и технологии по мере выявления неисправностей деталей в эксплуатации. Так осуществляется принцип обратной связи между производством и эксплуатацией. Через 3…4 года эксплуатации уровень надежности двигателей стабилизируется при величинах показателей ( в полете ч) и ( при досрочном снятии двигателей ч). Указанные величины характерны для многих освоенных в производстве и эксплуатации ГТД пассажирских самолетов.

годы эксплуатации

Рис.118. Изменение по годам эксплуатации интенсивности отказов, приводящих к досрочному съему, (- - -) и параметра потока отказов (выключений) в полете () для ТВД () и ТРДД ()

Анализ статистических данных показывает, что существенное влияние на надежность ГТД оказывает продолжительность полета (рис.119). Чем она меньше, тем больше при неизменном ресурсе число циклов запуска – останова, которые вызывают интенсивное накопление малоцикловых и термоусталостных повреждений в элементах конструкции двигателей, что приводит к возрастанию числа их отказов.

Рис.119. Изменение по наработке параметра потока отказов двигателя в полете при его эксплуатации на длинных () и коротких () авиалиниях

Весьма показательным примером того, как существенно зависит надежность двигателей от условий их применения, является замеченное по данным наблюдений отличие в уровнях безотказности ТВД, установленного на двух самолетах различного назначения, на одинакового класса (рис.120). Это отличие можно объяснить неодинаковыми условиями работы двигателя в разных мотогондолах, спецификой применяемых методов технического обслуживания.

Рис.120. Изменение по наработке суммарного параметра потока отказов ТВД при эксплуатации на пассажирском () и грузовом () самолетах, имеющих одинаковую продолжительность полета

Изменение надежности ГТД в зависимости от климатических условий показано на рис.201 в виде относительного изменения по кварталам года интенсивности отказов, приводящих к досрочному съему. Из него видно, что в зимнее время года уровень надежности двигателей ниже, чем в летнее.

Рис.201. Относительное изменение интенсивности отказов ТВД () и ТРДД (- - -) по кварталам года

Вышеприведенные данные показывают существенное влияние на надежность ГТД эксплуатационных факторов, которые необходимо учитывать путем дифференцированного подхода к установлению ресурса и контролю его расходования в эксплуатации.

Смирнов, коге, Лозицкий

Дата добавления: 2014-12-16