Надежность как прикладная научная дисциплина. Обеспечение надежности авиационной техники в процессе производства

Обеспечение надежности авиационной техники в процессе производства

Общие положения

Одним из основных показателей, характеризующих качество современных изде­лий, является надежность. В настоящее время в связи со своей многоплановостью и важностью наука о надежности определилась как самостоятельная отрасль знаний. Она изучает закономерности изменения показателей качества изделий (технических устройств) и на основании этого разрабатывает методы, обеспечивающие с наимень­шими затратами времени и средств необходимую продолжительность и безотказность их работы. Основными разделами науки о надежности являются: теория физико-хи­мического старения, статистическая теория надежности, методы конструирования и расчетов на надежность, технологические методы обеспечения надежности, эконо­мика надежности изделий.

Целью настоящей главы является ознакомление с современным состоянием и основными понятиями прикладной научной дисциплины о надежности изделия и ее роли в обеспечении качества летательных аппаратов на стадии их производства.

При этом в отличие от существующего методического материала по этому вопросу в данной главе с единых позиций рассматриваются надежность изделий, надежность технологических систем и влияние технологии на формирование показателей надежности.

Именно технология ответственна за примерно 50% случаев выхода из строя ГТД в эксплуатации. При этом в подавляющем числе случаев разрушение начинается с поверхности (рис. 7.1, 7.2). Этим обусловлено большое число научных направлений и разработанных технологий в области модифицирования поверхности (обработка механическими методами, в плазме, в электронных и лазерных лучах, химико-термическая обработка, ионная имплантация, плакирование, нанесение покрытий погружением в металлические расплавы и др.).

Рис. 7.1. Общий вид излома лопаток компрессора (а, б). Цифрой 1 обозначена зона очага разрушения

Рис. 7.2. Общий вид состояния сопряженных бандажных полок с указанием (а) стрелкой зоны разрушения лопатки и (б) зоны, где произошла полная потеря натяга из-за износа бандажных полок

Систематические исследования элементов авиационных конструкций пока­зывают, что использование на практике различных способов упрочнения поверхности приводит к повышению долговечности деталей в эксплуатации даже в случае активного коррозионного повреждения поверхности.

Однако упрочнение поверхности создает условия для того, чтобы трещина зарожда­лась на удалении от поверхности при растяжении образца или элемента конструк­ции, где реализуется условие наибольшего стеснения пластической деформации.

В результате исследования влияния хромирования на малоцикловую уста­лость титановых сплавов установлено, что при хромировании по неупрочненной поверхности более чем в 3 раза снижается циклическая долговечность титановых сплавов ВТЗ-1 и ВТ-8. Такая же закономерность, но в меньшей степени, имеет ме­сто и для других сплавов — хромирование по неупрочненной поверхности значи­тельно снижает их циклическую долговечность.

Алмазное выглаживание по хромовому покрытию, как упрочняющая обработ­ка поверхности хрома, повышает практически в 2 раза циклическую долговеч­ность титанового сплава ВТ-6. Такое влияние алмазного выглаживания на повы­шение долговечности титановых сплавов объясняется изменением остаточных напряжений в хромовом покры­тии. Остаточные напряжения в хромовом покрытии после шлифования составляют 250 МПа и являются растягива­ющими, а после алмазного выглаживания составляют 500 МПа и являются сжимаю­щими. Поэтому остаточные на­пряжения сжатия в поверхно­стном слое основы дополни­тельно усиливаются сжатием в слое хрома, тем самым повы­шается долговечность хроми­рованных титановых образ­цов.

Способность лазерного импульса расплавлять поверхностный слой металла с генерацией ударной волны была открыта в 1960 г. В результате исследова­ний были выявлены условия, при которых увеличивается амплитуда ударной вол­ны, что дало возможность вводить пластические деформации в металлическую мишень.

Физика и механизм генерируемой ударной волны в процессе упрочнения по­верхности заключаются в следующем. Когда плотность энергии лазерного импульса достаточно велика, то на облучаемом участке поверхности об­разца происходит быстрое превращение части материала в плазму. Расширяясь в объеме, плазма вызывает скачок давления у поверхности материала, который приводит к возникновению ударной волны, распространяющейся вглубь материа­ла, вызывая в материале пластические деформации, приводящие к возникнове­нию остаточных сжимающих напряжений.

Измерениями распределения остаточных напряжений, наведенных при раз­личных режимах лазерного упрочнения поверхности для большого числа приме­няемых в промышленности металлов, таких как алюминиевые сплавы, стали и титановые сплавы, показано, что они равномерны по глубине, обычно высокие у поверхности и понижаются в глубине материала.

Чем выше уровень плотности энергии лазерного воздействия, тем больше ам­плитуда поверхностного давления, созданного под влиянием расширения плазмы. В результате увеличиваются область и уровень остаточных сжимающих напряже­ний, вызванных ударной волной. При увеличении плотности энергии лазерного воздействия увеличивается глубина области остаточных сжимающих напряже­ний, но при достижении некоторого порога уровень максимального остаточного напряжения на поверхности материала достигает максимума, а далее начинает уменьшаться. Этот порог считают оптимальным для создания упрочнения поверхности.

Надежность как прикладная научная дисциплина

Основной характеристикой любого технического изделия (самолета, двигателя, космического аппарата, ракеты-носителя и т. д.) является его эффективность. Под эф­фективностью понимают свойство изделия соответствовать своему назначению. Эф­фективность определяется качеством изделия и условиями его эксплуатации. Качество изделия определяется не всеми его свойствами, а только той совокупностью его свойств, которые обусловливают пригодность изделия для удовлетворения определенных потребностей в соответствии с его назначением. В зависимости от вида изделия и его назначения совокупность его свойств, определяющих качество изделия, может существенно изменяться. Однако абсолютно для всех изделий в эту совокупность свойств входит такое свойство изделия, как надежность.

Надежностьюназывается свойство изделия выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в заданных в пределах, соответствующих заданным режимам и условиям использования, технического обслуживания, ремонта, хранения и транспортировки (ГОСТ 27.002—83).

Надежность является комплексным свойством, состоящим из следующей сово­купности свойств: безотказность, долговечность, сохраняемость и ремонтопригодность. В зависимости от вида изделия каждая из этих составляющих имеет различную относительную значимость.

Хотя надежность является только одним из свойств качества, тем не менее, имен­но она в абсолютном большинстве случаев определяет эффективность (в том числе экономическую и тактико-техническую) и безопасность использования изделия. Так, из-за недостаточной надежности изделий стоимость затрат на их ремонт и техниче­ское обслуживание может в несколько раз превышать стоимость нового изделия. Су­щественное недоиспользование потенциальных возможностей изделий имеет место при завышении требований к их безотказности, так как в этом случае изделия снима­ются с эксплуатации при меньших сроках службы. Существуют и такие последствия ненадежности изделий, которые нельзя оценить никакими экономическими и техни­ческими показателями — гибель людей и экологические катастрофы. Проблема на­дежности изделий в настоящее время общепризнана, и на обеспечение надежности новых изделий вкладываются суммы, достигающие 80...90% всех затрат по техниче­скому проекту.

7.2.1. Вероятностная природа показателей надежности. При испытаниях любой партии деталей, изготовленных из материала одной плавки по одной технологии, всегда наблюдается разброс значений в измеренных ха­рактеристиках. Так, коэффициент вариации предела прочности специальных образ­цов из сталей достигает 0,07, коэффициент вариации предела выносливости таких же образцов достигает 0,15, а коэффициент вариации интенсивности изнашивания мо­жет достигать 0,2. Значения же коэффициентов вариации этих же параметров для де­талей изделия могут быть существенно больше. Поэтому при проведении рас­чета специального образца или детали изделия на предельные характеристики по ка­кому-либо параметру возникает вопрос: какое значение предела прочности (предела усталости, интенсивности изнашивания и т. д.) необходимо подставить в расчет? Если мы подставляем наименьшее возможное, то это заведомо приводит к снижению эф­фективности изделия. Подстановка же максимального значения будет приводить к слишком частому возникновению поломок. Реальное же значение рассматриваемой характеристики для выбранной детали неизвестно. Его можно получить только после ее испытания, но при этом деталь уже будет непригодна для эксплуатации в составе изделия.

Правильный ответ на такой вопрос может быть сформулирован только в вероят­ностном аспекте — подставляя выбранное значение параметра в расчет, необходимо указать или рассчитать вероятность возникновения отказа для этого значения пара­метра.

Аналогичная ситуация возникает при испытании самих изделий - отказы оди­наково изготовленных изделий и испытываемых в одинаковых условиях также возни­кают через различные промежутки времени. В этом случае также возникает вопрос: какой ресурс назначить для этого изделия? Ответ на этот вопрос совпадает с ответом в предыдущем случае. Таким образом, анализ надежности изделия должен проводить­ся с учетом вероятностной природы обеспечения требуемого уровня характеристик материалов, изготовленных из них деталей и изделия в целом. При этом необходимо иметь в виду, что реально эксплуатируемое изделие (ракета, самолет и т. д.) находится под воздействием внешних нагрузок, значения которых также имеют разброс. Не ме­нее важное влияние на параметры надежности и их дисперсию оказывают внутренние физико-химические процессы, протекающие при работе самого изделия.

7.2.2. Основные задачи прикладной научной дисциплины о надежности изделия. Важнейшая роль надежности в обеспечении эффективности изделий, атакже ее методологические особенности привели к выделению надежности в самостоятельную прикладную научную дисциплину. Наука о надежности изучает закономерности из­менения показателей качества изделий и на основании этого разрабатывает методы анализа и обеспечения показателей надежности при проектировании, изготовлении, испытании и эксплуатации изделий.

В связи со спецификой различных видов технических изделий в науке о надежности есть самостоятельные направления, определяемые видом изделия. В этих направлениях много общего, но есть и отличия, связанные в основном с технологическими и конст­руктивными методами обеспечения надежности конкретных видов изделий.

Перед наукой о надежности стоят следующие основные задачи:

1) установление источников информации об изменении показателей надежности;

2) разработка методов диагностики изменения показателей качества;

3) исследование физико-химических закономерностей, приводящих к изменению показателей качества;

4) разработка математических методов расчета, прогнозирования и подтверждения значений показателей качества по результатам испытаний;

5) разработка технических рекомендаций, конструктивных и технологических методов и организационных мероприятий, обеспечивающих достижение заданного уровня надежности изделий.

Как любая наука, надежность в своем развитии и становлении прошла сложный диалектический путь. На начальном этапе надежность развивалась по двум самостоя­тельным направлениям. Первое направление возникло в технологии машиностро­ения на основе изучения физико-химической природы изменения свойств материа­лов (усталости, старения, износа, деградации, коррозии и т. д.) при внешних (эксплу­атационных и технологических) воздействиях. Это направление в настоящее время получило название «Физика отказов».

Второе направление возникло в радиотехнике на основе разработки математиче­ских методов оценки показателей надежности сложных систем со статистической об­работкой эксплуатационной информации методами теории вероятностей. Это на­правление заложило основы второго раздела науки о надежности математической те­ории надежности.

Математическая теория надежности разрабатывает математические модели на­дежности технических систем и прогнозирует поведение таких систем методами те­ории вероятностей и математической статистики. Физика отказов разрабатывает фи­зические и математические модели изменения свойств материалов в результате внеш­них воздействий. Результаты этих двух разделов служат исходными данными для проектирования и расчета изделий на надежность, а также для разработки технологий производства изделий с нужным уровнем надежности и качества.

7.2.3. Этапы формирования надежности изделий авиационной техники. Действующими стандартами регламентирован единый порядок разработки, про­изводства и эксплуатации, создаваемых изделий, который состоит из трех основных стадий: разработка изделия, серийное производство, эксплуатация изделия.

Особенность решения вопросов по надежности при создании изделий заключается в том, что эти вопросы должны решаться на каждой из перечисленных стадий, так как изменить уровень надежности изготовленного изделия нельзя, как, например, изменить его товарный вид. Только после эксплуатации или специальных испытаний можно определить уровень его надежности, а затем, если это необходимо, внести кор­рективы в конструкторскую, производственную или эксплуатационную документа­цию и изготовить новое изделие с более высоким уровнем надежности. В общем слу­чае только в результате определенного цикла таких итераций можно гарантировать определенный уровень надежности изготавливаемого изделия. Естественно, такой итерационный путь длителен и требует больших материальных ресурсов. В связи с этим при создании новых изделий закладываются специальные мероприятия для ус­корения и удешевления процесса отработки изделия на надежность, которые оформ­ляются в виде комплексных программ.

Необходимость решения вопросов по надежности на каждой из трех стадий часто подчеркивается в так называемой формуле надежности изделия — надежность закладывается на этапе проектирования (разработки), обеспечивается на этапе производства и реализуется на этапе эксплуатации изделия.

Рассмотрим кратко основные особенности этих трех этапов с точки зрения на­дежности.

После получения задания на разработку изделия производится сбор и изучение данных по диапазонам нагрузки и внешних воздействий на разных стадиях эксплуата­ции изделий. Изучают фактически достигнутый уровень надежности в эксплуатации изделия и его узлов, выбранных прототипами. Особый интерес для надежности пред­ставляют изделия, снятые с эксплуатации из-за отказов или полной выработки ресур­са. На основании этой информации уточняют требования к отдельным элементам из­делия и производят подбор материалов с учетом их прочностных характеристик, об­рабатываемости, производственных возможностей и стоимости. После этого разрабатывается комплексная программа достижения нужного уровня надежности изделия с конкретизацией выполняемых работ по отдельным узлам и изделию в це­лом на каждой стадии его создания.

При проектировании и конструировании закладывается надежность изделия. Она зависит от конструкции изделия и его узлов, применяемых материалов и техно­логий, методов защиты от внешних воздействий, систем смазки, приспособленности к ремонту и обслуживанию и так далее. Любой узел и агрегат можно сконструировать бесконечным числом способов, рассчитав надежность конструкции по статическим нагрузкам. Однако в настоящее время существует не много расчетов, позволяющих прогнозировать поведение конструкции в реальных условиях эксплуатации с учетом динамики и статистического характера внешних воздействий. Поэтому проектирова­ние строится на основании использования конструкций, которые были в изделиях, прошедших эксплуатацию. Обычно при создании новых типов изделий используется до 50% и более агрегатов и узлов, выполненных по ранее разработанным схемам и ап­робированных в серийной эксплуатации. Это, с одной стороны, ускоряет и удешевля­ет процесс запуска в серию изделия, но, с другой стороны, замедляет качественное развитие техники. Для вновь же проектируемых узлов и агрегатов проводится комп­лекс опережающих мероприятий по их изготовлению и испытанию на моделирующих установках, стендах и в специальных летающих лабораториях. Опережающие мероп­риятия планируются таким образом, чтобы на сборку опытного образца поступали уз­лы и агрегаты с известными показателями надежности.

При производстве изделия должна быть обеспечена надежность, заложенная при ее проектировании, т. е. технология изготовления определяет, насколько могут быть реализованы потенциальные возможности конструкции. Известно, что до 80% отказов в работе изделий возникает по вине заводов-изготовителей. На данном этапе надеж­ность зависит от технологий изготовления и сборки деталей, методов контроля, воз­можностей управления технологическими процессами, соответствия оборудования и технологической дисциплины серийного завода параметрам опытно-эксперименталь­ного завода, а также от других показателей. Пока летательные аппараты подвергались эксплуатационным нагрузкам небольшого уровня, делались из среднепрочных мате­риалов, имели большие коэффициенты безопасности и небольшие ресурсы, статиче­ские расчеты и существующие технологии обеспечивали требуемую надежность изде­лий. Однако, переход на высокопрочные материалы для обеспечения более высокой эффективности изделия показал, что такие материалы значительно более чувствитель­ны к внешним воздействиям как при эксплуатации, так и при изготовлении.

В этих условиях выяснилось, что конструкторско-технологические аспекты очень сильно влияют на надежность изделий. В очень небольшой степени это тради­ционно учитывается в чертежах, например, по требованиям шероховатости поверхно­стей и покрытиям, а также ссылками на соответствующие технологические инструк­ции по изготовлению. Однако этого совершенно недостаточно, так как два изделия, изготовленные на разных заводах по одинаковым чертежам, будут иметь совершенно разные показатели надежности. В связи с этим во всех высокоразвитых странах мира достаточно давно пришли к пониманию того, что практически все основные элемен­ты «ноу-хау» новых изделий связаны с технологией их изготовления. Как отмечает­ся в работах, ссылки в чертежах на технологические инструкции «отражают в ос­новном печальный опыт конструкторов и конструкторских подразделений», но в ма­лой степени обеспечивают такую регламентацию технологии, при которой гарантирован определенный уровень надежности изделия. Обеспечение гарантиро­ванного уровня надежности изделия, особенно в условиях серийного производства, является сложной технической задачей, решаемой в течениедостаточно длительного периода запуска изделия в производство с помощью специальных программ или по­литики обеспечения качества.

Важнейшей особенностью и отличием показателей надежности от других показа­телей качества является то, что их уровень выявляется только при эксплуатации, при­чем их значения нельзя измерить с помощью прибора на готовом изделии и указать, сколько времени осталось до наступления отказа. Надо отметить, что по некоторым частным направлениям диагностики (спектры акустической эмиссии, наличие час­тиц износа в смазках и т. д.) намечается прогресс в оперативной диагностике изделий по текущему состоянию.

Приведенная общая схема отработки изделия на надежность конкретизируется в зависимости от вида летательного аппарата (ЛА) и опыта, накопленного в подразде­лении, обеспечивающем его выпуск. Вместе с тем, общая схема отработки изделия на надежность обязательно включает следующие этапы: задание уровня показателей надежности; анализ проекта на надежность, обеспечение заложенного уровня надеж­ности в процессе изготовления; испытания на надежность; контроль и подтверждение уровня надежности.