СПОСОБ ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ АГРЕГАТОВ НЕСУЩЕЙ СИСТЕМЫ ВЕРТОЛЕТА ДЛЯ ПРОДЛЕНИЯ РЕСУРСА Российский патент 2002 года по МПК B64F5/00 

Изобретение относится к авиационной технике, преимущественно к вертолетной, и может быть использовано при оценке технического состояния авиационного агрегата для определения возможности продолжения его безопасной эксплуатации.

Учет влияния сочетания эксплуатационных факторов и фактически действующих нагрузок может служить для дополнительного уточнения повреждаемости агрегата при назначении межремонтного ресурса.

Известен "Способ оценки и поддержания надежности самолетов и их силовых установок при эксплуатации авиационной техники по состоянию" (Патент РФ 2038991, МКИ 6 B 64 F 5/00, 1995), согласно которому из числа контролируемых в полете параметров выбирают и систематизируют те параметры, которые оказывают непосредственное влияние на надежность элементов конструкции, вероятностным путем определяют запасы этих элементов и оценивают их надежность. Причем предусматривается сравнение нереальных замеренных значений параметров с эталонными, а сравнение вероятностей появления ожидаемых значений этих параметров и вероятностное определение уровня надежности. Это позволяет принять своевременные меры по восстановлению работоспособности летательных аппаратов при эксплуатации по их состоянию.

Известен способ определения выработки ресурса авиационных конструкций в условиях реальной эксплуатации (Патент РФ 2066664, МКИ 6 B 64 F 5/00, 1996), наиболее близкий к заявляемому, заключающийся в фиксировании продолжительности каждого режима полета, выделенного по уровню нагруженности конструкции и оценки суммарной эквивалентной наработки конструкции, которую сравнивают с назначенным ресурсом.

В описании изобретения рассмотрен пример, по которому применение способа обеспечивает экономию ресурса за один конкретный полет 5,5%.

К недостаткам способа можно отнести неполноту учета индивидуальных условий эксплуатации вертолета, используемых при оценке суммарной эквивалентной наработки для назначения срока дальнейшей безопасной эксплуатации вертолета в пределах ресурса до списания.

Исследования повреждаемости агрегатов несущей системы вертолетов показали, что кроме продолжительности режимов полета на уровень нагруженности агрегатов при эксплуатации вертолета существенное влияние оказывают такие факторы, как высоты полета, температуры воздуха, взлетные массы и центровки вертолета. Сочетание указанных факторов, характерное для условий эксплуатации конкретного экземпляра вертолета, может существенно влиять на ресурс его агрегатов, а повреждаемость, вносимая под воздействием этих факторов, должна соответственно учитываться при установлении индивидуального срока дальнейшей безопасной эксплуатации агрегата.

Кроме того, анализ эксплуатации парка вертолетов показал, что при определении ресурса несущей системы вертолета необходимо дополнительно учитывать реальное техническое состояние агрегата, включая оценку технического состояния шарнирных узлов с помощью инструментальной проверки, поскольку реальное техническое состояние характеризует способность агрегата продолжить работу и определяет качества выполнений технического обслуживания.

Задачей, решаемой заявляемым способом, является повышение точности установления индивидуального срока дальнейшей безопасной эксплуатации агрегата несущей системы вертолета путем комплексной оценки технического состояния шарнирных узлов и элементов конструкции агрегата несущей системы вертолета с учетом индивидуальных условий его эксплуатации.

Это задача решена благодаря тому, что в способе оценки технического состояния агрегатов несущей системы вертолета для продления ресурса, заключающемся в фиксировании продолжительности режимов полета, выделенных по уровню нагруженности конструкции, в период эксплуатации вертолета с последующим определением соотношения индивидуальной нагруженности агрегата и нагруженности, соответствующей типовому сочетанию режимов полета, предварительно на основе анализа конструкторской и нормативной документаций выделяют шарнирные узлы агрегата для инструментальной проверки их технического состояния и на основе обработки и анализа эксплуатационных статистических данных устанавливают критерии инструментальной оценки пригодности каждого из выделенных шарнирных узлов для дальнейшей безопасной эксплуатации агрегата, проводят инструментальную проверку выделенных шарнирных узлов агрегата и оценку их состояния в соответствии с установленными критериями, при этом в период эксплуатации вертолета дополнительно фиксируют условия эксплуатации, включающие высоту полета, температуру воздуха, взлетную массу, центровку вертолета и массу груза на внешней подвеске, по продолжительности выделенных уровней каждого из зафиксированных условий эксплуатации определяют их повторяемость в период эксплуатации для анализа влияния каждого из них на уровень индивидуальной нагруженности агрегата и на основании имеющихся данных о нагрузках, действующих на элементы агрегата при эксплуатации вертолета данного типа при аналогичных условиях эксплуатации и режимах полета, рассчитывают суммарную эквивалентную нагруженность на элементы агрегата с учетом составляющих от каждого из зафиксированных режимов полета и условий эксплуатации, а затем определяют соотношение эквивалентной индивидуальной нагруженности элементов агрегата и нагруженности, соответствующей типовому сочетанию режимов полета, и на основании этого соотношения устанавливают новый индивидуальный срок эксплуатации агрегата с учетом результатов инструментальной проверки шарнирных узлов.

Для трехшарнирной втулки несущего винта вертолета Ми-8 такими выделенными шарнирными узлами агрегата являются осевые, вертикальные, горизонтальные шарниры, а также узлы валиков рычагов поворота лопастей и вилок тяг поворота лопастей. Для них по установленным критериям проводят инструментальную проверку величин радиального и осевого зазоров подшипников узлов валиков рычагов поворота лопастей и осевого зазора вилок тяг поворота лопастей в подшипниках головок валиков рычагов поворота лопастей.

Для автомата перекоса несущего винта вертолета Ми-8 по установленным критериям проводят инструментальную проверку суммарного люфта поводка в плоскостях тяги и вращения, величин радиального и осевого зазоров подшипников узлов валиков тарелки автомата перекоса и осевого зазора вилок тяги поворота лопасти и осевого зазора подшипника тяг поворота лопастей.

Для втулки рулевого винта вертолета Ми-8 по установленным критериям проводят инструментальную проверку осевых зазоров и моментов поворота подшипников узла кардана, осевого зазора узла подшипника штока, радиального и осевого зазоров подшипников узлов валиков и осевого зазора вилок рычагов поворота лопастей.

Оценку состояния подшипников осевых, вертикальных и горизонтальных шарниров производят по продуктам износа, находящимся в масле. Для этого дополнительно при инструментальной проверке проводят оценку качества отработавшей смазки подшипниковых узлов агрегата.

Проведение перед анализом нагруженности агрегата инструментальной проверки определенных его шарнирных узлов позволяет оценить техническое состояние агрегата для дальнейшей безопасной эксплуатации путем сравнения результатов проверки с соответствующими критериями, установленными для исследуемого агрегата. Выбор шарнирных узлов для инструментальной проверки осуществлен на основе анализа многолетнего опыта эксплуатации агрегатов несущей системы вертолетов. Этот опыт показал, что основными элементами, определяющими их ресурс до первого ремонта или межремонтный ресурс, являются подшипниковые узлы. Практически все подшипниковые агрегаты работают в условиях качательного движения на угол до - 5 ^o, при этом тела качения вырабатывают на наружных и внутренних кольцах подшипников лунки так называемого ложного бринеллирования. Величина этих лунок и определяет возможность дальнейшей эксплуатации подшипника. Косвенным образом глубина этих лунок входит в величину зазоров, замеряемых в процессе инструментального контроля состояния шарнирных узлов агрегатов.

Использование статистических данных по состоянию при эксплуатации шарнирных узлов позволяет путем их математического анализа получить для каждого из них критерий оценки пригодности, допустимые нормы для дальнейшей безопасной эксплуатации агрегата. Места замеров и их характер выбраны для каждого узла соответствующего агрегата на основании анализа агрегатов, выработавших ресурс, и изучения влияния условий эксплуатации агрегатов на соответствующие узлы с учетом имеющегося опыта проектирования и эксплуатации вертолетов.

На фиг.1 изображен вид в плане на втулку несущего винта вертолета Ми-8; на фиг. 2 - вид сбоку на автомат перекоса втулки несущего винта вертолета Ми-8; на фиг.3 - вид сбоку на втулку рулевого винта вертолета Ми-8; на фиг.4 - то же, вид сверху.

На фиг. 1-4 обозначены узлы инструментальной проверки для оценки состояния шарнирных узлов трех агрегатов несущего винта вертолета Ми-8.

Такими шарнирными узлами для трехшарнирной втулки несущего винта вертолета Ми-8 являются подшипниковые узлы 1 валиков рычагов поворота лопастей и подшипник головок валиков рычагов поворота лопастей. Критериями инструментальной оценки технического состояния их являются допустимые величины радиального и осевого зазоров подшипников узлов валиков рычагов поворота лопастей и допустимые величины осевого зазора вилок тяг поворота лопастей в подшипниках головок валиков рычагов поворота лопастей.

В автомате перекоса несущего винта вертолета Ми-8 для инструментальной проверки выделены шарнирные узлы 2 поводка тарелки, валиков 3 тарелки, вилок и подшипников 4 тяги поворота лопасти. В качестве критериев установлены допустимые величины суммарного люфта поводка в плоскостях тяги и вращения; радиального и осевого зазоров подшипников узлов валиков тарелки автомата перекоса; осевого зазора вилок тяг поворота лопасти; осевого зазора подшипника тяги поворота лопасти.

Для инструментальной проверки втулки рулевого винта вертолета Ми-8 выбраны подшипниковый узел кардана, узел подшипника штока, подшипниковые узлы валиков и вилки рычагов поворота лопастей. Установлены следующие критерии инструментальной оценки шарнирных узлов втулки рулевых винтов: допустимые величины осевых зазоров и моментов поворота подшипников узла кардана, осевого зазора узла подшипника штока, радиального и осевого зазора подшипников узлов валиков и осевого зазора вилок рычагов поворота лопастей.

Оценка качества отработавшей смазки подшипниковых узлов агрегатов служит дополнительным критерием технического состояния агрегата.

Знание состояния этих важных с точки зрения уровня безопасности узлов агрегатов позволяет в дальнейшем при назначении дополнительного времени эксплуатации агрегата корректировать его в соответствии с оценкой состояния шарнирных узлов и соответствия их установленным критериям.

Выбор условий эксплуатации, которые дополнительно фиксируются в полете в период эксплуатации вертолета, обусловлен степенью влияния относительной продолжительности (повторяемости) этих условий на эквивалентную нагруженность агрегата. К таким условиям эксплуатации вертолета отнесены режим полета, высота полета, взлетная масса, центровка, температура воздуха и масса груза на внешней подвеске. Повторяемость определяют для нескольких выделенных уровней каждого из фиксируемых условий эксплуатации.

Суммарная эквивалентная нагруженность агрегата определяется по формуле

где Р_экв - нагрузка, действующая на элемент агрегата на одном из фиксируемых режимов полета (или одном из выделенных уровней условий эксплуатации);
относительная продолжительность (повторяемость) этого режима (или уровня).

Расчет суммарной эквивалентной нагруженности с учетом упомянутых дополнительных факторов, влияющих на индивидуальный характер нагруженности конструкции, дает возможность рассчитать существенно уточненный в сравнении с принятым стандартным набором режимов полета уровень нагруженности агрегата.

Проведенный расчет эквивалентных нагрузок на конкретный элемент агрегата несущей системы с учетом полученной от эксплуатанта повторяемости режимов, взлетного веса, высоты полета, температур наружного воздуха, центровки по вышеприведенной формуле дает возможность провести сравнение полученной эквивалентной нагрузки Р_экв с эквивалентной нагрузкой Р_исп, приведенной в заключении по ресурсу указанного агрегата, которая определяется по типовой повторяемости режимов полета, взлетного веса, высоты и др., учитывающей и боевое применение вертолета. На основании их соотношения определяют величину, отражающую техническое состояние агрегата R (час) по известной формуле:

где Р_исп - эквивалентная нагрузка на агрегат при стендовых испытаниях при типовой повторяемости режимов полета;
Р_экв - эквивалентная нагруженность на агрегат при эксплуатации;
N_цик - наработка изделия до разрушения при стендовых испытаниям в циклах;
η_σ - коэффициент запаса по напряжениям;
η_г - коэффициент запаса на гармонический состав нагрузок;
η_z - коэффициент запаса на гипотезу суммирования повреждаемостей;
n - обороты несущего /рулевого/ винта.

При получении значения R меньшего значения ресурса агрегата, установленного в Заключении на основе гистограммы типовой повторяемости режимов, продление ресурса не производится. При получении R большей указанной в заключении величины ресурс продлевается.

Оценку технического состояния агрегата на примере втулки несущего винта конкретного вертолета Ми-8, отработавшего в эксплуатации 1500 ч, для определении межремонтного ресурса осуществляют следующим образом.

Измеряют величины радиального зазора а=0,08 мм и осевого зазора b=0,03 мм подшипников узлов валиков рычагов поворота лопастей и осевого зазора с= 0,05 мм вилок тяг поворота лопастей в подшипниках головок валиков рычагов поворота лопастей. Оценивают состояние подшипников осевого, вертикального и горизонтального шарниров по фильтрату масла и плавности перемещения шарнирных узлов.

На основе анализа эксплуатационных статистических данных и результатов стендовых испытаний подшипниковых узлов в режиме качания устанавливают величины упомянутых зазоров подшипников узлов втулки несущего винта вертолета Ми-8, служащие критерием безопасной эксплуатации агрегата: А=0,1-0,15, В= 0,08-0,12 и С=0,05-0,1 соответственно.

Сравнивают измеренные величины с установленными критериями инструментальной оценки для данного типа вертолета.

На основании фактических результатов исследования делаются выводы об удовлетворительном или неудовлетворительном техническом состоянии агрегата и возможности перехода к оценке его индивидуальной нагруженности в соответствии с повторяемостью условий эксплуатации и режимов полета.

Если полученные замеры превышают допустимые величины, принимается решение о прекращении дальнейшей работы по определению возможности продления ресурса данному агрегату и он отстраняется от эксплуатации.

Анализ летной эксплуатации данного конкретного вертолета по полетным листам, включающим фиксацию продолжительности полета на каждом из режимов полета, фиксацию высоты, температуры воздуха, взлетной массы, центровки и массы груза на внешней подвеске позволяет получить повторяемость выделенных по уровню нагруженности режимов и повторяемость условий эксплуатации по соответствующим выделенным уровням.

Например:
1. Повторяемость, т.е. относительную продолжительность следующих выделенных режимов: висение развороты на висении разгон крейсерская скорость максимальная скорость и др., всего 100%.

2. Повторяемость высоты полета, например, по трем выделенным уровням: для высот h₁=0-1 км, для h₂=1-2 км, для h₃=2-3 км, всего 100%.

3. Повторяемость температуры воздуха, например" по двум выделенным уровням: при t₁=-30-0^o, при t₂=0-30^o, всего 100%.

4. Повторяемость взлетных масс по трем уровням: при М₁=10000 кгс при М₂=11000 кгс при М₃=12000 кгс всего 100%.

5. Повторяемость центровки: средняя передняя задняя всего 100%.

Для расчета эквивалентной нагруженности величина нагрузки "P" на элемент конструкции, техническое состояние которого оценивают, выбирается из материалов летно-прочностных испытаний данного типа вертолета, которые проводятся на всех разрешенных Рекомендациями летной эксплуатации режимах полета, центровок вертолета, взлетных масс, высот, а также положительных (до 30-35 ^o) и отрицательных (до -15-30 ^o) температур наружного воздуха.

Таким образом, формула (1) для определения эквивалентной индивидуальной нагруженности элемента втулки несущего винта конкретного вертолета Ми-8 для всех зафиксированных режимов полета и условий эксплуатации будет выглядеть следующим образом:

Из анализа соотношения эквивалентной нагруженности агрегата при типовой повторяемости режимов Р_исп, приведенной в Заключении, и эквивалентной индивидуальной нагруженности Р_экв, полученной выше по формуле (1), определяют по формуле (2) величину R ч и устанавливают новый индивидуальный срок эксплуатации агрегата в случае непревышения этой величиной значения ресурса агрегата, указанной в Заключении, учитывая результаты инструментальной проверки шарнирных узлов.

Преимущество изобретения состоит в комплексной оценке технического состояния агрегатов несущей системы вертолета: втулки н.в., А.П. или в.р.в. для более точного установления индивидуального срока дальнейшей безопасной эксплуатации агрегата. Способ дает возможность исследовать техническое состояние узлов, получить новые данные о выработке, скрытых повреждениях шарнирных узлов, работающих в конкретных специфических режимах циклических нагружений, не характерных для стандартного набора режимов эксплуатации.

Изобретение относится к вертолетной технике и может быть использовано при оценке технического состояния основных узлов несущей системы вертолета. Способ оценки технического состояния агрегатов несущей системы вертолета для продления ресурса заключается в том, что предварительно на основе анализа конструкторской и нормативной документации выделяют шарнирные узлы агрегата, на основе обработки и анализа эксплуатационных статистических данных устанавливают критерии инструментальной оценки пригодности каждого из выделенных шарнирных узлов, проводят инструментальную проверку выделенных шарнирных узлов агрегата и оценку их состояния в соответствии с установленными критериями, затем определяют соотношение суммарной эквивалентной индивидуальной нагруженности элементов агрегата и нагруженности, соответствующей типовому сочетанию режимов полета, и на основании этого соотношения устанавливают новый индивидуальный срок эксплуатации агрегата с учетом результатов инструментальной проверки шарнирных узлов. При этом в период эксплуатации вертолета дополнительно фиксируют условия эксплуатации, включающие высоту полета, температуру воздуха, взлетную массу, центровку вертолета и массу груза на внешней подвеске, по продолжительности выделенных уровней каждого из зафиксированных условий эксплуатации определяют их повторяемость в период эксплуатации для анализа влияния каждого из них на уровень индивидуальной нагруженности агрегата, а суммарную эквивалентную нагруженность на элементы агрегата рассчитывают на основании уже имеющихся данных о нагрузках, действующих на элементы агрегата при эксплуатации вертолета данного типа при аналогичных условиях эксплуатации и режимах полета с учетом составляющих от каждого из зафиксированных режимов полета и условий эксплуатации. Данное изобретение направлено на повышение точности установления остаточного ресурса эксплуатации основных узлов несущей системы вертолета. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ оценки технического состояния агрегатов несущей системы вертолета для продления ресурса, заключающийся в фиксировании продолжительности режимов полета, выделенных по уровню нагруженности конструкции в период эксплуатации вертолета с последующим определением соотношения индивидуальной нагруженности агрегата и нагруженности, соответствующей типовому сочетанию режимов полета, отличающийся тем, что предварительно на основе анализа конструкторской и нормативной документаций выделяют шарнирные узлы агрегата для инструментальной проверки их технического состояния и на основе обработки и анализа эксплуатационных статистических данных устанавливают критерии инструментальной оценки пригодности каждого из выделенных шарнирных узлов для дальнейшей безопасной эксплуатации агрегата, проводят инструментальную проверку выделенных шарнирных узлов агрегата и оценку их состояния в соответствии с установленными критериями, при этом в период эксплуатации вертолета дополнительно фиксируют условия эксплуатации, включающие высоту полета, температуру воздуха, взлетную массу, центровку вертолета и массу груза на внешней подвеске, по продолжительности выделенных уровней каждого из зафиксированных условий эксплуатации определяют их повторяемость в период эксплуатации для анализа влияния каждого из них на уровень индивидуальной нагруженности агрегата и на основании имеющихся данных о нагрузках, действующих на элементы агрегата при эксплуатации вертолета данного типа при аналогичных условиях эксплуатации и режимах полета рассчитывают суммарную эквивалентную нагруженность на элементы агрегата с учетом составляющих от каждого из зафиксированных режимов полета и условий эксплуатации, а затем определяют соотношение эквивалентной индивидуальной нагруженности элементов агрегата и нагруженности, соответствующей типовому сочетанию режимов полета, и на основании этого соотношения устанавливают новый индивидуальный срок эксплуатации агрегата с учетом результатов инструментальной проверки шарнирных узлов. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для трехшарнирной втулки несущего винта вертолета Ми-8 по установленным критериям проводят инструментальную проверку величин радиального и осевого зазоров подшипников узлов валиков рычагов поворота лопастей и осевого зазора вилок тяг поворотов лопастей в подшипниках головок валиков рычагов поворота лопастей. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для автомата перекоса несущего винта вертолета Ми-8 по установленным критериям проводят инструментальную проверку суммарного люфта поводка в плоскостях тяги и вращения, величин радиального и осевого зазоров подшипников узлов валиков тарелки автомата перекоса и осевого зазоров подшипников узлов валиков тарелки автомата перекоса и осевого зазора вилок тяги поворота лопасти и осевого зазора подшипника тяг поворота лопастей. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для втулки рулевого винта вертолета Ми-8 по установленным критериям проводят инструментальную проверку осевых зазоров и моментов поворота подшипников узла кардана, осевого зазора узла подшипника штока, радиального и осевого зазоров подшипников узлов валиков и осевого зазора вилок рычагов поворота лопастей. 5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно при инструментальной проверке проводят оценку качества отработавшей смазки подшипниковых узлов агрегата.