Учебное пос. Пив-ов - MSTUCA
advertisement
3 Содержание Введение…………………………………………………………………………. 4 Глава 1. Получение, оценка и использование диагностической информации при обслуживании самолетов ГА…………………………… 5 1.1.Задачи технической диагностики самолетов ГА. Основные понятия и термины…………………………………………………..……………………… 5 1.2. Информационные основы технической диагностики…………………… 8 1.3. Возникновение и природа диагностической информации………………. 15 Основные выводы………………………………………………………………. 20 Глава 2. Аналитические методы распознавания объектов АТ …. 2.1. Вероятностно-статистические методы распознавания……….…………. 2.2. Решение прогностических задач при диагностике АТ…………………. Основные выводы ……………………………………………………………… Глава 3. Диагностика отказавших элементов авиационных конструкций……………………………………………………………………. 3.1. Методические основы диагностики отказавших элементов авиационных конструкций……………………………………………..………. 3.1.1. Методы оценки поверхностей разрушения по макропризнакам……… 3.1.2. Методы анализа материала авиаконструкций по микропризнакам….. Основные выводы………………………………………………………………. 21 21 26 36 37 37 37 43 45 Глава 4. Диагностика самолетов и двигателей…………………….. 4.1. Диагностика планера…………………………………….………………… 4.2. Диагностика жидкостных систем….………………………..………….… 4.3. Диагностика авиационных двигателей…………………………………… Основные выводы…………………………………………………………….… 46 46 50 53 70 Глава 5. Неразрушающий контроль элементов авиационной техники………………………………………………………………………….. 5.1. Методы НК прямой визуализации………………………………………… 5.2. Косвенные методы НК…………………………………………………..… Основные выводы…………………………………………………………….… 72 72 81 88 Литература……………………………………………………………………… 89 4 Введение Окружающий нас материальный мир подвержен постоянному изменению. Общая тенденция – разупорядочение во времени под воздействием энтропии. В связи с этим исправное (работоспособное) состояние авиационной техники (АТ), в том числе воздушных судов (ВС) гражданской авиации (ГА), следует рассматривать как неустойчивое. Для обеспечения требуемой надежности АТ предпринимаются многочисленные меры, начиная с конструктивных и кончая эксплуатационными. К последним относятся техническое обслуживание и ремонт АТ, т.е. выполнение требований летной годности посредством проведения комплекса проверочных, восстановительных, заправочных и т.п. работ, обеспечивающих исправность АТ при использовании по назначению. Несмотря на обширный объем этих работ, случаи возникновения неисправностей и отказов АТ имеют место. Эти события могут иметь неочевидный характер в смысле причин их проявления. Предупреждение этих нежелательных событий, выявление их «адреса» в условиях ограниченной информации – главные цели диагностики АТ. Этот вид деятельности весьма специфичен, может занимать продолжительное время и сопровождаться основательными трудозатратами, поэтому важно оптимизировать процессы диагностирования так, чтобы эти потери свести к минимуму. Для этого необходимо, прежде всего, иметь четкие представления о поведении авиационных конструкций в различных условиях работы, организовать получение достоверной диагностической информации, владеть аналитическими и инструментальными методами распознавания состояний АТ, формировать правильные диагностические решения и рекомендации по дальнейшей эксплуатации ВС ГА. Этому и учит настоящее учебное пособие. Здесь последовательно рассмотрены цели и задачи диагностики самолетов ГА, даны необходимые термины и определения, отражены информационные основы диагностики АТ, вероятностно-статистические и инструментальные методы распознавания состояний составных частей, узлов и элементов ВС, включая методы неразрушающего контроля. В соответствии с рабочей программой дисциплины сформированы такие разделы как диагностика планера, двигателя, функциональных систем, описаны диагностические процедуры установления причинно-следственных связей отказавших (разрушившихся ) элементов ВС, включая анализ материала. Важные по-существу и с позиций усвоения материала термины, а также определения выделены курсивом, ключевые понятия – полужирным курсивом. 5 Глава 1. ПОЛУЧЕНИЕ, ОЦЕНКА И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДИАГНОСТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ ПРИ ОБСЛУЖИВАНИИ САМОЛЕТОВ ГА 1.1. Задачи технической диагностики самолетов ГА. Основные понятия и термины Практикой доказано, что самолеты (воздушные суда), имеющие одинаковую наработку, могут иметь различные технические состояния, т. е. разные потенциальные ресурсы. В связи с этим обеспечивать требуемую надежность ВС путем проведения профилактических работ в строго регламентированные наработкой и временем года сроки по меньшей мере нерационально. Сегодня исправность авиационной техники ГА обеспечивается за счет оптимального сочетания различных стратегий технического обслуживания и ремонта (ТО и Р) [ 1 ]. Их две: - планово-предупредительная, при которой перечень и периодичность выполнения операций обслуживания и ремонта определяются значениями наработки объекта с начала эксплуатации или после капитального ремонта; - по фактическому техническому состоянию, при котором перечень и периодичность выполнения операций обслуживания и ремонта определяются фактическим состоянием объекта в момент начала технического обслуживания. Последняя из перечисленных стратегия все больше внедряется в систему технической эксплуатации. Это связано со стремлением обеспечить высокие показатели эффективности использования самолетного парка. Реализовать стратегию технической эксплуатации по фактическому техническому состоянию без развитой системы диагностики ВС практически невозможно. Система диагностики включает в себя объект, необходимые аппаратурные средства, а также исполнителей, взаимодействующих с объектом диагностирования по правилам, установленным соответствующей документацией. В авиакомпаниях ГА имеется развитая сеть лабораторий технической диагностики и неразрушающего контроля (ЛТДиНК), осуществляющих широкий комплекс работ по оценке технического состояния авиатехники и разработке мер по предупреждению отказов. Внедрение современных методов и средств диагностики при обслуживании гражданских ВС возможно при выполнении ряда условий. Главное из них – приемлемая контролепригодность объектов (систем) АТ. Под контролепригодностью понимается свойство объекта, характеризующее его приспособленность (пригодность) к проведению диагностирования заданными методами и средствами. Контролепригодность может быть оценена количественно. В частности, приспособленность к диагностированию оценивается коэффициентом безразборного диагностирования Кб.Д , а также средней трудоемкостью диагностирования Sд [1] : 6 где Пб.д, Пр.д - число контролируемых параметров объекта, для измерения которых не требуются (требуются) демонтажно-монтажные работы соответственно; N - число операций диагностирования. Большинство эксплуатируемых в настоящее время объектов диагностики (планер, двигатель, функциональные системы) не отличаются высокими показателями контролепригодности. Это затрудняет выбор и реализацию прогрессивных стратегий ТОиР. Вторым важным условием успешного внедрения в ГА систем диагностики ВС ГА является наличие специальных методик, программ диагностирования, а также правил принятия решений по их дальнейшей эксплуатации. Необходимы также сертифицированное, метрологически аттестованное, современное оборудование и кадры соответствующей квалификации. Внедрение в процессы ТОиР диагностики ВС дает весомый экономический эффект, формирующийся вследствие оптимального управления техническим состоянием эксплуатируемого парка. Они оказывают существенное влияние на безопасность полетов при всех стратегиях ТОиР. Непосредственной задачей диагностики является распознавание состояния объектов (систем) в данный момент времени и на перспективу, а также установление места, вида, а в ряде случаев и причин отказов (неисправностей), возникающих при функционировании. Методы распознавания (диагностики) разделяют на экспертные, аналитические и экспериментальные. Постановка диагноза при экспертном методе распознавания основана на субъективном мнении специалистов-экспертов. Здесь при постановке диагноза имеет значение опыт, острота органолептических чувств экспертов, а также такое свойство, как интуиция. Недостаток метода заключается в том, что объекты диагностики достаточно сложны. Это приводит к многовариантности диагнозов. К тому же трудно организовать независимую экспертизу. Тем не менее, в ряде случаев экспертный метод является единственно возможным. В аналитическую группу входят несколько методов распознавания, основанные на вероятностных оценках. Эти методы обстоятельно описаны в работе И. А. Биргера [ 2 ]. Они дают возможность оценить различные состояния в многокомпонентных объектах (системах) с вероятностной точки зрения. Недостатки этих методов - необходимость сбора большого объема предварительной (априорной) информации и зависимость от качества этой информации. Экспериментальные методы распознавания заключаются в испытании объекта в условиях смоделированного или эквивалентного нагружения до тех пор, пока не будут проявляться те или иные состояния, характеризующие так называемую ресурсоспособность конструкции (возможность отрабатывать назначенные ресурсы). Частным случаем такого распознавания являются испытания до момента разрушения. В основе задач установления места отказа лежат критериальные оценки, 7 определяющие порядок перебора объекта (системы) [3]. Вид и причины отказов отдельных элементов выявляют по результатам комплексных лабораторных исследований, включающих такие этапы, как фрактография поверхностей разрушения (изломов), металлофизический анализ, механические испытания материала и т. п. Техническая диагностика базируется на ряде понятий и определений, установленных государственными стандартами. Техническое состояние – совокупность свойств объекта, характеризуемая в определенный момент времени при определенных условиях внешней среды значениями параметров, установленными технической документацией на объект. Техническое состояние в зависимости от фактических значений параметров можно классифицировать как исправное, неисправное, работоспособное, неработоспособное, правильно функционирующее, неправильное функционирующее. Это виды технического состояния. Диагностическим параметром называют физическое явление (характеристику), сопровождающее изменение состояния объекта (системы) в реальном времени, отвечающее требованиям монотонности изменения, а также объективности. Диагностические параметры могут измеряться автоматически или оператором (рецептором) дискретно или непрерывно с помощью диагностического оборудования. Оценка состояния объекта может производиться и без каких-либо измерений, а посредством органов чувств человека (например, визуальный контроль). Такой вид диагностики называется органолептическим контролем. Для того чтобы присвоить объекту контроля (ОК) один из видов технического состояния, необходимо знать нормы на значения диагностических параметров, обозначающие переход объекта (системы) из одного в другое качество. Такое количественное значение параметра называется диагностическим признаком (например, вибрация – диагностический параметр, а значение вибрации, равное 60 мм/с (так называемая «опасная вибрация» диагностический признак). В качестве признаков могут использоваться также фотообразцы, натурные объекты с дефектами, всевозможные виды сигнализации на приборах и т.п. Напомним еще ряд терминов. Неисправное - состояние, при котором объект не соответствует хотя бы одному из требований нормативно-технической документации (НТД). Работоспособным называют такое состояние, при котором объект способен непрерывно выполнять заданные функции, удовлетворяя требованиям назначения. При этом часть характеристик может и не удовлетворять требованиям НТД, т. е. объект может быть неисправным. Неработоспособным называют такое состояние, при котором объект не способен выполнять заданные функции. Событие, связанное с переходом объекта из работоспособного в неработоспособное состояние, называют отказом. Событием может называться также предотказное состояние объекта, 8 качественно или количественно связанное с возможностью его функционирования по назначению. Правильное функционирование означает, что объект в текущий момент времени выполняет предписанный алгоритм функционирования. Техническим диагностированием называют процесс определения технического состояния объекта. Степень детализации при техническом диагностировании, указывающая, до какой составной части объекта определяется место отказа, называется глубиной поиска дефекта. Под дефектом здесь понимается любое аномальное состояние материала конструкции, спровоцированное несовершенством производства, конструирования или нарушением правил эксплуатации. В ВС большое число отдельных элементов представляет собой т.н. бинарные объекты, которые могут находиться только в одном из двух возможных состояний (отсутствие или наличие трещины, отсутствие или наличие коррозии и т. п.). При определении состояния бинарных объектов часто применяют методы неразрушающего контроля (МНК), при использовании которых геометрические размеры дефектов в большинстве случаев не определяются (решаются только идентификационные задачи: «есть – нет», «плохо-хорошо» и т.п.). Идентификация - отождествление состояния ОК с одним из возможных видов состояния (классом). Процесс диагностирования в общем случае представляет собой многократную подачу на объект определенных воздействий (входных сигналов), измерение и анализ ответов на эти воздействия. Различают два вида диагностирования объектов (систем) - тестовое и функциональное. Тестовое диагностирование - при котором на объект подаются специальные воздействия (тесты) для идентификации его состояния. В отличие от тестового функциональное диагностирование осуществляется в процессе использования объекта по назначению. Например, измерение тахометром частоты вращения ротора электродвигателя относится к функциональному диагностированию, а проверка целостности обмотки статора с помощью тестера является тестовым диагностированием. Совокупность предписаний, определяющих последовательность действий при диагностировании, называется алгоритмом технического диагностирования. Совокупность алгоритмов диагностирования, выстроенных в определенной последовательности, называется программой диагностирования. 1.2. Информационные основы технической диагностики Для того чтобы выявить (классифицировать) техническое состояние объекта или системы, оператор выполняет ряд последовательных действий, предписанных алгоритмами диагностирования. Цель этого процесса получение информации. Это необходимое условие для постановки диагноза. Чтобы диагноз был точным, необходимо также обеспечить достаточность и достоверность полученной информации. Возникает вопрос - что же такое диагностическая информация и как ее измерить? 9 В основе оценки информации лежит понятие "энтропия", которое характеризует упорядоченность и изменчивость окружающего нас материального мира вообще и материальных объектов в частности. Существует несколько видов энтропий. Открытая в 1865 г. Р. Клаузиусом термодинамическая энтропия обозначает степень неравномерности распределения тепла в замкнутом объеме (см. курс «Термодинамика и теплопередача»). Со временем вскрылась универсальность этого понятия, имеющего значение не только для физики тепловых явлений, но и для всех видов взаимоотношений человека с природой. Итак, известно, что уравнение второго начала термодинамики для газа имеет вид: A = Q1 – Q2 = Q1 (T1 – T2) / T1, (1.1) где А - работа; Qi - теплота; Тi - температура. Запишем (1.1) следующим образом: Q1 / T1 = Q2 / T2 = S. (1.2) Величина Q/T и есть термодинамическая энтропия. В дифференциальных обозначениях dS = dQ/T. Соотношение (1.2) показывает, что в циклических обратимых процессах (например, при работе газотурбинного двигателя) поглощается столько же энтропии, сколько и выделяется, т. е. в обратимом цикле ΔS = 0 (рис. 1.1). В то же время энтропия в конкретный момент времени является функцией состояния вещества, материала или объекта, поэтому S1 и S2 имеют вполне определенные значения независимо от того, каким путем мы попали в точки 1 и 2. При самопроизвольных же термодинамических процессах (например, при охлаждении вещества) (1.3) Из (1.3) видно, что энтропия всегда возрастает (стремится к максимуму) в процессах, протекающих самопроизвольно. Это важнейшее положение касается всех видов энтропий и впоследствии найдет отражение в решении задач по оптимизации алгоритмов диагностирования. Рис. 1.1. Изменение энтропии в обратимом термодинамическом цикле 10 Попытаемся получить численное значение термодинамической энтропии. Условимся, что нагревание вещества происходит при постоянном давлении dQ = Cp dT. Следовательно, S = Cp dT / T. Если отсчитывать температуру от абсолютного нуля (Tо = 273,15 о С), то на пути до максимальной температуры Т с веществом происходят разные события, сопровождающиеся изменением его теплоемкости СP. Пpимер. Для серебра при изменении Т от 50 до 298 К величина Ср изменяется от 11,26 до 25,28 дж/ (моль К). Если разбить интервал Т = 248 К на шесть меньших интервалов и подсчитать средние значения СР /Т на каждом интервале то получим следующие значения (табл. 1.1). Воспользуемся данными табл. 1.1 и определим для серебра 06+0,0425+ +0,033+0,265)+0,230х23,1+0,0212х25,0=36,38 Дж/(моль К). Таблица 1.1 Значения величин Ср и СР /Т для серебра при разных температурах Т, К Ср (дж/ моль К) СР /Т 50 11,26 0.025 100 20,17 0,0482 150 23,19 0,014 200 24,44 0,006 260 24,99 0,002 273 25,19 0,003 298 25,28 0,0008 Полученный результат будет изменением энтропии при нагревании серебра от 50 до 298 К. Таким образом, термодинамическую энтропию можно вычислить по отношению к любому телу: листу бумаги, воздуху комнаты и т. п. Важно, что с помощью энтропии можно измерять информацию о состоянии объекта. Прежде чем показать это, вспомним об основном правиле: в самопроизвольно изменяющихся объектах энтропия всегда возрастает. Это возрастание сопровождается хаотическим разупорядочением объекта или системы. Книги и бумаги на письменном столе обязательно приходят в беспорядок, если за ними не следить. На самолете проявится большее число дефектов, если его не обслуживать, т.к. исправное состояние самолета –это неустойчивое состояние, которое при определенных условиях быстро перейдет в неисправное. Перечисленные ситуации - этапы случайной, а не организованной деятельности. Порядок создается искусственно с затратой энергии и ему 11 соответствует уменьшение энтропии. В то же время неупорядоченное состояние как правило более вероятно. Т.н. статистическая энтропия (энтропия Л.Больцмана) впервые открыта в 1872 г. и имеет вид: SC = k lnP, где Р – статистический вес системы (объекта); k – константа (постоянная Больцмана – в теории информации она равна 1,0). Физический смысл статистического веса Р заключается в числе способов существования системы или объекта при заданных условиях, иначе говоря, это потенциальная изменчивость в цифрах (для самолета это возможное количество его неисправных или предотказных состояний). Из вышеприведенной зависимости видно, что разупорядоченность объекта (системы) подчиняется логарифмической функции (сначала хаос нарастает быстро, затем медленнее). Попробуем посчитать потенциальную изменчивость объекта. Пример. Объект состоит из четырех элементов, способных отказать с равной вероятностью. Сколько состояний объекта можно наблюдать? Для ответа на этот вопрос сделаем простой перебор состояний и занесем результаты в табл. 1.2. Таблица 1.2 Возможные состояния объекта из четырех элементов Как наглядно видно, максимально возможное число соотношений между отказавшими и неотказавшими элементами равно шестнадцати. При этом можно выделить пять групп характерных состояний: 4/0, 3/1, 2/2, 1/3, 0/4. Состояние 2/2 встречается чаще всего - 6 раз. Оно имеет максимальный статический вес и наиболее вероятно. Статистическая·энтропия этого состояния 12 SC = k ln6, а с учетом всех состояний SС0 = k (2ln 1 + 2ln 4 + ln 6). Если же рассматривать изолированно равновесное состояние 2/2, исключив состояния 4/0, 3/1, 1/3, 0/4, то статистический вес объекта уменьшается до 1,0 и S с = 6 ( k ln 1) = 0. Таким образом, чем больше у объекта возможностей отклонения от равновесного состояния, тем интенсивнее возрастает статистическая энтропия, стремясь к максимальному значению (например, у объекта из шести элементов максимальный статистический вес Р будет равен уже 20, соответственно увеличится и Sc). Вообще говоря, статистический вес с увеличением числа элементов N в объекте увеличивается по экспоненте. Это видно из той же формулы Больцмана, которую можно переписать в виде: Р = еxp (S/k). Как же определить статистический вес в общем случае? Не вдаваясь в доказательства, которые приведены, например, в работе [5], напишем его формулу: В вышеприведенной зависимости N1, N2, ••• , Nθ - число элементов объекта в состояниях 1, 2, ... , θ. При большом числе элементов в объекте и их половинном разбиении на отказавшие и неотказавшие Общее же число перестановок в разбиениях, как известно, равно РΣ = Мθ, где θ – число разбиений (равновероятных состояний); М – число элементов в объекте. Для объекта, состоящего из четырех элементов, способных отказать с равной вероятностью, РΣ =24 = 16 (см. табл. 1.2), а максимальный статистический вес Р = 4! / (2! 2!) = 6. Очевидно, что вероятность распределения элементов по состояниям объекта Рi = Ni / N. Отсюда следует, что ΣNi =N, и значит ΣРi = 1,0. Здесь важно понять, что имеется в виду под термином «состояние». Строго говоря, состояние любого материального объекта непрерывно меняется (например, взаимное распределение молекул в газе, упругие деформации при работе и т. п.), однако в диагностических задачах подобного рода изменения не представляют интереса. Для нас объект находится в нормальном состоянии и 13 Sс = k ln 1 = 0. Но это неустойчивое состояние обязательно нарушится в том смысле, что наступит иное, специфическое, отличающееся от большинства состояние, влияющее на качество функционирования объекта (например, появление трещины). Нарушение равновесия будет сопровождаться увеличением энтропии как минимум на Δ Sс = k ln 2. Заметим, что значимость состояний зависит от субъекта (рецептора), который выделяет и ранжирует их на основе своего опыта. Теперь перейдем к связи между энтропией и информацией. Рассмотрим простой пример. Как упадет подброшенная монета - вверх гербом или «решкой»? Это зависит от того, как ее подбросили, от сопротивления воздуха, приложенного момента и т. д. Казалось бы, если все это учесть, то случайности в выпадении герба или «решки» не будет. Ранее утверждалось, что в мире все детерминировано, все предопределено конкретными причинами, не доступными для сознания. С этой точки зрения, энтропия есть мера нашего незнания, мера недостатка информации о рассматриваемом объекте. В последнее время доказана правомочность такой связи энтропии с информацией с оговоркой, что отсутствие информации есть не свойство субъекта, а свойство самого объекта или системы. Что же такое содержательная или несодержательная информация? Начнем с примера. Бросают кубик (игральная кость), все грани которого окрашены в белый цвет, и говорят: "Он упал белой стороной вверх". Сообщение бессодержательное: и не бросая кубик мы знали, что наверху всегда будет белая грань. Другое дело - игральная кость, где каждая грань под своим номером. Здесь сообщение о том, что выпала шестерка несет определенную информацию: ведь до бросания кубика мы этого не знали. Есть информация и в таком сообщении: ''Монета упала гербом вверх". Но в каком случае информации больше? Ответ на этот вопрос таков: реализация менее вероятного события дает более содержательную информацию. Это, своего рода, постулат, который обосновал американский инженер и математик К. Шеннон при разработке основ теории информации. Итак, при бросании игральной кости мы получаем больше информации, чем при подбрасывании монеты. Очевидно также, что при бросании двух костей мы получаем вдвое больше информации. Таким образом, информация, получаемая в независимых сообщениях, суммируется, т. е. J (Р01, Р02) = J (Р01) + J (Р02), где P01, Р02 – число равновероятных событий в первой и второй системах (объектах). В то же время из теории вероятности известно, что полное число равновероятных событий в двух независимых система (объектах) равно их произведению: Р0 =P01 Р02. Подставив это выражение в предыдущее, получим 14 J (P0) = J (Р01, Р02) = J (Р01) + J (Р02), следовательно, зависимость J от Р0 будет логарифмической, т.е. J = k log Р0. Основание логарифма выбирают произвольно. Итак, если k = 1,0, а основание логарифма принять равным 2,0, следовательно: J = log 2 Р0. Единица информации выведена из условия бросания монеты (классическая двоичная система), когда Р0= 2 и log 22 = 1,0 бит. Информация выражается в битах - двоичных единицах. Определим теперь количество информации при бросании белого кубика J = log2 6 = 2,58 бит. Предположим, что у ОК появление неисправных состояний менее вероятно, чем исправных. Тривиальной моделью такого объекта может служить та же игральная кость, у которой пять граней помечены цифрой 1 (исправные состояния), а одна грань - цифрой 2 (неисправное состояние). В процессе работы объект тестируется конечное число раз (каждое тестирование бросание игральной кости). В результате вероятность появления определенного состояния Pi = n/N, где n, N - соответственно число реализованных и возможных событий в каждом из состояний θ. Причем ΣPi = 1,0. Если известно число возможных состояний θ объекта, а также вероятности их появления, то можно оценить его максимальную неопределенность или степень потенциальной изменчивости [ 4 ]: . Эта зависимость называется информационной энтропией, которая выведена К. Шенноном и опубликована в его книге ''Математическая теория связи" в 1948 г. Связь между понятиями «информационная энтропия» и «информация» можно проиллюстрировать движением маятника: первое понятие соответствует его потенциальной энергии, а второе - кинетической. В нашем примере c игральным кубиком для двух неравновероятных состояний объекта информационная энтропия равна: Н= - [(5/6 log2 5/6) + (1/6 1og2 1/6)] = 0,648 бит. Если же число неисправных состояний объекта увеличится (например, четыре стороны кубика будут помечены 1, одна сторона - 2, еще одна - 3), то информационная энтропия: Н= - [(4/6 log2 4/6) + 2(1/6 1og2 1/6)] = 1,249 бит. Видно, что при увеличении неопределенности состояния объекта информационная энтропия возрастает, т. е. ей также присуще главное свойство термодинамической и статистической энтропий - стремление к максимуму через разyпорядоченность. Извлечение информации в той или иной мepe ориентирует нас на 15 состояние объекта, а оставшаяся энтропия есть мера нереализованной информации. Снижение неопределенности всегда ведет к уменьшению потенциальной информационной энтропии (в дальнейшем просто энтропия). Для качественного усвоения последующего материала необходимо запомнить два свойства энтропии [2]: - если имеются два независимых объекта А и В, то общая энтропия Н (АВ) будет равна сумме энтропий отдельных объектов, т. е. Н(АВ) = Н(А) + Н (В); - если два объекта взаимосвязаны, то: Н(АВ) = Н(А) + Н (А/В) или Н(АВ) =Н(В) +Н(В/А). Здесь величина Н(В/А) представляет собой среднее (ожидаемое) значение энтропии объекта В при различных возможных реализациях объекта А (и наоборот для величины Н(А/В)). Рассмотрим на конкретном примере количественную связь между энтропией и информацией. Сравним два независимых сообщения: 1) «…достигнута скорость отрыва от ВПП при взлете», 2) «…повышенная вибрация правого двигателя». Какое из этих сообщений несет больше информации? Конечно, второе, так как оно не является ординарным (вероятность его проявления довольно низкая, а информативность высокая). Очевидно, что чем больше информации несет диагностический признак, тем он более ценен. Теоретически количественной мерой этой ценности является доля снижения информационной энтропии. Если начальная энтропия объекта равна Н (А), а после получения информации она стала Н*(А), то внесенная признаком информация J = H (A) – H*(A). Очевидно, что полное знание об объекте делает информационную энтропию равной нолю. 1.3. Возникновение и природа диагностической информации Любые физические измерения, а также идентификация означают получение информации. Эти процессы принципиально необратимы. Получение информации неизбежно связано с энергетическими затратами. Чем точнее измерение, тем больше затраты. Накопление информации при решении диагностических задач имеет целью обеспечить возможность выбора неких ситуаций из числа равновероятных или неравновероятных состояний объекта. Этот процесс называется распознаванием. При распознавании состояний информацией можно считать такие сведения, которые можно воспринять (например, с помощью диагностических параметров или признаков). В технической диагностике восприятие информации (рецепция) особенно важно. Уясним понятие рецепции информации. Оно означает возникновение определенной упорядоченности в воспринимающей системе (человеке, приборе и т. п.). Для рецепции информации необходима определенная способность воспринимать сообщение (острота органолептических чувств у человека, 16 наличие предварительной информации о связи признаков с состоянием, чувствительность используемого метода неразрушающего контроля и т. п.). Рецепция информации зависит от цели. Наличие цели обуславливает переход рецептора из менее устойчивого (в смысле формирования решения) в более устойчивое состояние. Этот процесс оказывается возможным лишь благодаря оттоку энтропии от ОК. Как же возникает информация? Если в качестве объекта взять самолет, то этот процесс начинается с создания исходных материалов, из которых впоследствии изготавливают его составные части (планер и функциональные системы). Но при равновесных фазовых переходах, где все предписано законами физики, информация не создается. Например, при кристаллизации в слитки материала Д16АЧХ, используемого для изготовления листов обшивки планера, диагностической информации нет. В то же время возникновение реального листа с его дефектами кристаллической решетки, микротрещинами и включениями может трактоваться как случайный процесс создания будущей диагностической информации. В процессе обработки материала, сборки конструкции информация создается за счет получения случайных размеров деталей (в пределах допуска), взаимного сопряжения элементов в узле и т. д. Со временем эта информация проявит себя в виде дефектов или предотказных состояний. Итак, то, что подчиняется известным физическим законам и не претерпевает изменений в процессе работы, не информативно с точки зрения оценки состояния (например, компоновочная схема узла и т.п.). И, наоборот, любые случайные флуктуации (например, условия работы сопрягаемых пар в узле) предопределяют рождение и последующее проявление диагностической информации. Теория информации не учитывает содержание информации. Однако в задачах технической диагностики очень важен смысл или содержание информационного сообщения. Вопросы ценности информации исследовались рядом отечественных ученых: М.М. Бонгардом, Р.Д. Стротановичем, А.А. Харкевичем, И.А. Биргером. В книге М.М. Бонгарда "Проблемы узнавания" доказано, что ценность информации повышается с увеличением вероятности достижения некоторой цели (приближения к истинному диагнозу) после получения сообщения, т. е. ценность информации Z = log2 Р' / P , где Р' и P - вероятности достижения цели до и после получения информации. В технической диагностике объект рассматривается опосредованно через параметры или признаки (оцифрованные параметры). Напомним главный принцип рецепции при распознавании: диагностическая ценность признака определяется количеством вносимой информации, адекватно снижающей энтропию диагностируемого объекта. Диагностические признаки могут быть простыми и сложными. Простым 17 называется такой признак, который обладает минимальной изменчивостью, т. е. может быть выражен одним из двух символов "Да" или "Нет", 1 или О, "+" или "-" и т. д. Итак, если Кj - простой признак, то две возможных его реализации обозначим: Кj - наличие признака, - отсутствие признака. В технической диагностике часто значения измеряемого признака разбивают на несколько интервалов, которые могут характеризовать несколько качественных состояний объекта. В этом случае каждое значение признака называется его разрядом. Признак, имеющий более двух разрядов, называется сложным (например, давление масла повышенное, нормальное, пониженное трехразрядный признак). Если в результате обследования выявлено, что имеется конкретное численное значение параметра, связанное с качественным (интересующим нас) состоянием объекта, то это значение называется реализацией признака Кj и обозначается Кjs. На практике обычно имеют дело с объектами, которые случайно могут находиться в одном из N возможных состояний. Каждое из состояний обозначим символом Di, и будем называть его диагнозом. Назначение конкретного диагноза Di происходит в результате наблюдения за совокупностью признаков. В соответствии с главным принципом рецепции можно определить диагностический вес (значимость) реализации признака [4]. Это смысловая информация о состоянии Di, которой обладает реализация признака Kjs, т. е. , где P(Kjs/Di) - вероятность проявления признака Kj для объектов с диагнозом Di; Р(Кjs) - вероятность проявления этого признака для всех объектов с различными диагнозами (если из общего числа N объектов признак Kj проявился у Nj объектов, то P(Kjs) = Nj /N). Пример. Пусть объект характеризуется двумя простыми диагностическими признаками К1 и К2 , проявляющимися одновременно, при этом объект может находиться в одном из трех состояний: D1, D2, D3. Необходимо оценить информативность возможных сочетаний реализаций признаков К1 и К2 в связи с наступлением одного из перечисленных состояний. Согласно статистическим данным, распределение вероятностей появления признаков К1 и К2 по отношению к возможным состояниям D1, D2, Dз выглядит так, как это представлено в табл. 1.3. Там же приведены значения Р (Кjs). Таблица 1.3 Вероятности появления признаков К1 и К2 P( K1 / Di ) D D1 0,5 0,1 P( K 1 / Di ) P( K 2 / Di ) при значениях P(KJS) 0,5 0,34 0,9 0,8 P( K 2 / Di ) 0,66 0,2 18 D2 0,5 0,5 0,3 0,7 D3 0,9 0,1 0,2 0,8 В приведенных условиях наглядно проявляется важнейшее свойство, присущее большинству диагностических признаков - отсутствие однозначной связи с конкретным состоянием. Как видно, проявление признака K1 можно наблюдать во всех трех состояниях. Аналогичная картина и в отношении признака К2. Этим, кстати, иллюстрируется энтропийный характер взаимосвязи объекта и признаков его состояний. Возвращаясь к примеру, определим диагностические веса каждой из реализаций двух признаков. Для состояния D1: ; ; ; . Для состояния D2: ; ; ; . Для состояния D3: ; ; ; . Итак, видно, что наибольшую информацию о состоянии D1 дает присутствие признака К2, о состоянии D2 - отсутствие признака , о состоянии Dз - присутствие признака Кl. Подчеркнем, что каждое полученное положительное значение ZDj(Kjs) есть информация, пропорциональная снижению энтропии двух взаимосвязанных множеств - диагнозов и признаков. Также видно, что при подсчете ZDj(Kjs) возможен результат с отрицательным знаком, который имеет вполне определенный смысл и свидетельствует об отсутствии способности внести упорядоченность в систему диагнозов (отрицание диагноза). Несмотря на достаточную наглядность, диагностический вес той или иной реализации признака все же не дает представления о диагностической 19 ценности обследования по данному признаку. Например, при обследовании по простому признаку Кj может оказаться, что его проявление не имеет диагностического веса, тогда как его отсутствие чрезвычайно важно для установления диагноза. Диагностической ценностью обследования по признаку Кj для диагноза Di принято считать количество информации, вносимое всеми реализациями признака Кj в установление диагноза Di. Для М-разрядного признака Диагностическая ценность обследования учитывает все возможные реализации признака и представляет собой математическое ожидание информации, вносимой отдельными реализациями. Подсчитаем, используя результаты предыдущего примера, некоторые значения ZDi(Kj) для признака К1 и состояния D1 =0.1(-2,32)+0,9.0,84=0,524 Для признака К2 и состояния D2 0,3(-0,18)+0,7.0,08=0,002. Итак, обследование по признаку Кl по отношению к состоянию D1 более ценно. Отметим, что диагностическая ценность обследования всегда положительна. Большую диагностическую ценность имеют обследования по признакам, которые часто встречаются при данном диагнозе, а вообще редко и, наоборот, по признакам, встречающимся при данном диагнозе редко, а вообще - часто. Может случиться так, что обследование, обладающее небольшой диагностической ценностью для одного диагноза, имеет значительную ценность для другого. Общей диагностической ценностью обследования по признаку Кj для всей системы диагнозов D называют количество информации, вносимое обследованием в систему диагнозов D: . Величина ZDi(Kj) представляет собой среднее значение информации, которое может быть внесено обследованием в установление неизвестного заранее диагноза, или реакцию признака на все возможные состояния. Возьмем, к примеру, ту же вибрацию. Очевидно, что появление повышенной вибрации говорит о возможной неисправности двигателя (большая общая диагностическая ценность признака), в то же время «адрес» дефекта по повышенной вибрации установить крайне трудно (низкая диагностическая ценность реализации признака). И наоборот, «повышенная 20 концентрация железа в масле» – это специфический признак недопустимого износа ограниченного числа узлов трения (высокая ценность реализации признака и низкая общая диагностическая ценность). Основные выводы 1. Однотипные объекты диагностирования с одинаковой наработкой могут иметь различные технические состояния, т. е. различный потенциальный ресурс, что делает необходимым проведение регулярных диагностических проверок. 2. В основе диагностики объектов эксплуатации лежит универсальное понятие «энтропия». Главная для нас информационная энтропия является функцией состояния объектов и в физическом смысле отражает степень их неопределенности во множестве возможных состояний. 4. Исходя из энтропийных представлений, можно оценивать качество диагностической информации, вносимой отдельными признаками и, следовательно, управлять процессами диагностирования. 5. При наличии достаточной статистической базы можно осуществлять аналитическую диагностику объектов, имеющих конечное множество возможных состояний и связанное с ним множество признаков. 21 Глава 2. АНАЛИТИЧЕСКИЕ ДИАГНОСТИРОВАНИИ МЕТОДЫ РАСПОЗНОВАНИЯ АТ ПРИ 2.1. Вероятностно-статистические методы распознавания В предыдущей главе говорилось о роли и месте вероятностных методов распознавания состояний объектов (систем). Преимущество этих методов состоит в возможности одновременного учета признаков различной физической природы, так как они характеризуются безразмерными величинами вероятностями проявления при различных состояниях. Объект (систему) относят к определенному классу (диагнозу, состоянию) из числа заранее известных на основании информативности проявляемых диагностических признаков. Рассмотрим типовые методы решения задач классификации. Распознавание с помощью метода Байеса Если имеется возможность собрать большой объем информации о связях признаков с состояниями и о частости проявления этих состояний, эффективным методом распознавания будет метод Байеса. Метод основан на таком подходе: если имеется диагноз Di и простой признак Кj встречающийся при этом диагнозе, то вероятность совместного появления события , (2.1) а так называемый условный диагноз по Байесу будет равен [2]: P(Di /Кj) = [P(Di)P(Kj/Di)]/Р(Кjs), (2.2) где Р(Di) - априорная вероятность диагноза Di (определяется по статистическим данным); P(Kj/Di) - вероятность появления признака Кj у объектов с состоянием Di; P(Kjs) - вероятность появления признака Kj во всех объектах независимо от их состояния (если из общего числа N объектов признак Кj проявился у Nj объектов, то P(Kjs)= Nj/N; P(Di /Kj) - вероятность диагноза Dj после того, как стало известно наличие у рассматриваемого объекта признака Кj (апостериорная вероятность диагноза). Для практического использования метода Байеса необходимо составить так называемую исходную диагностическую матрицу (табл. 2.1), похожую на табл. 1.3, но дополненную данными об априорных вероятностях возможных состояний P(Di). Используя данные табл. 2.1, определим вероятности диагнозов для различных ситуаций одновременного проявления диагностических признаков. Таких ситуаций может быть четыре: 22 Таблица 2.1 Диагностическая матрица (исходные диагностические данные) Состояние D1 D2 D3 Вероятности проявления признаков P( K1 / Di ) P( K 1 / Di ) P( K 2 / Di ) P( K 2 / Di ) P( Di ) 0,1 0,5 0,9 0,9 0,5 0,1 0,8 0,3 0,2 0,2 0,7 0,8 0,1 0,2 0,7 - появились признаки К1 и К2 ; - признак К1 отсутствует, К2 - присутствует; - признак К1 присутствует, К2 - отсутствует; - отсутствуют оба признака. Итак, для ситуации имеем (см. табл. 2.1): Заметим, что значения всех знаменателей здесь одинаковы; что значительно упрощает расчеты. Для ситуации : ; Для ситуации ; : ; Для ситуации . ; . : .12; Сведем результаты в табл. 2.2: ; . Таблица 2.2 Результаты расчетов диагнозов по методу Байеса Ситуации по признакам Состояния D1 D2 D3 0,04 0,18 0,78 0,62 0,26 0,12 0 0,12 0,88 0,12 0,58 0,40 Они показывают, что состоянию D1 наиболее вероятно соответствует ситуация , состоянию D2 , состоянию D3 . Приведенные алгоритмы вполне реализуются на ЭВМ, чем 23 обеспечивается возможность машинного диагностирования. Важно лишь отслеживать априорные (полученные на основе исходной статистической информации) вероятности в диагностических матрицах и вовремя их корректировать (пополнять). Распознавание методами статистических решений Пусть выполняется диагностирование ГТД по содержанию примесей железа в масле (параметр К). Задача состоит в выборе значения К0 параметра К таким образом, что при К > К о двигатель снимается с эксплуатации, а при К < Ко двигатель допускается к дальнейшей работе. Имеется как бы два класса состояний: D1 - исправное состояние, D2 - неисправное состояние. Правило принятия решения состоит в том, что при К < К0 , при К > К0 . Статистические распределения параметра К для исправных и неисправных двигателей показаны на рис. 2.1. Рис.2.1.Графическая интерпретация задачи Области исправного D1 и неисправного D2 состояний пересекаются, образуя как бы зону неопределенности. Задача состоит в выборе значения Ко, которое оптимальным образом разделяло бы объекты на исправные и неисправные. Вообще говоря, при выборе К0 вовсе избежать ошибок принципиально невозможно, так как сами по себе состояния являются событиями случайными. Таких ошибок может быть две: ложная тревога - когда принимается решение о неисправном состоянии, но в действительности объект находится в исправном состоянии; пропуск дефекта - когда вместо диагноза D2 присваивается диагноз D2 . Очевидно, что эти ошибки могут иметь различные последствия и различные цены. В теории контроля приняты обозначения Н21 ложная тревога, Н12 - пропуск дефекта (первая цифра нижнего индекса соответствует индексу принятого диагноза, вторая цифра - индексу действительного состояния). Из рис. 2.1 видно, что вероятность ложной тревоги равна вероятности произведения двух событий: исправного состояния и значения К >Ко. Тогда 24 Аналогично находят вероятность пропуска дефекта В силу того, что допустить обе ошибки одновременно нельзя (или Н12, или Н21), общая вероятность принятия ошибочного решения будет равна их сумме. Если приписать цены этим ошибкам, то получим выражение для среднего риска: Практика показывает, что среднестатистическое соотношение между ценой пропуска дефекта и ценой ложной тревоги С12/С 21 = 10 ... 50. Метод минимального риска. Найдем граничное значение Ко из условия минимума среднего риска. Дифференцируя R по Ко и приравнивая производную к нулю, получим условие экстремума: или , где , . Подставив два последних соотношения в исходное равенство, после логарифмирования получаем квадратное уравнение, корнями которого будут два значения: К01 и К02. Окончательным будет то значение К0, которое лежит в рассматриваемом интервале неопределенности (см. рис. 2.1). 25 Метод минимального числа ошибочных решений. В этом методе не учитывают цены ошибок. Вероятность ошибочного решения Отсюда условие получения К0: . Вычисления К0 аналогичны расчетам по методу минимального риска. Метод наибольшего правдоподобия. Это частный случай метода минимального риска, когда C12 = С21 и P1=P2, т. е. условие получения К0: f(Ko/D1)= f(Ko/D2). Метод итераций. Он применяется, если отсутствуют данные по Р1 и Р2, что делает необходимым находить искомое К0 методом приближений. Граничное значение К0 определяют из уравнения: . Функции нормального распределения имеют вид: ; где , – табулированная функция Лапласа. Сначала рассчитывают первое приближение: /2, затем второе (по методу Ньютона): / где , ; Приближения делаются до тех пор, пока между соседними К0 не будет существенных расхождений. Реализация приведенных выше методов хотя и дает возможность довольно точно распознать объекты, тем не менее несколько ограничена. Главная трудность - это построение правого "горба" f(K/D2) (рис. 2.2), если речь идет о достаточно серьезных последствиях отказа. К тому же, как правило, неустойчивы априорные оценки P1 и Р2.. Поэтому описанные методы рекомендуется применять в основном для многократно резервируемых систем 26 ВС. 2.2. Решение прогностических задач при диагностике АТ До сих пор шла речь о распознавании состояний объектов в фиксированный момент времени. Между тем важную информацию о процессах естественного старения при работе несут совокупности значений диагностических параметров измеренных через периодические интервалы наработки. Речь идет о непрерывных функциях, характеризующих изменение состояния объекта диагностирования в эксплуатации. Ранее говорилось, что качество конкретной конструкции изменяется случайным образом, т.е. значение ее в каждый дискретный момент времени ti есть величина случайная, характеризуемая случайным значением диагностического признака. Из курса теории надежности известны такие случайные функции, как P(t) - вероятность безотказной работы, λ(t) интенсивность отказов и т.п. Общим для всех случайных функций является их случайное распределение при каждом значении аргумента. Оценка работоспособности конструкции на основе анализа случайных функций позволяет решить одну из главных задач диагностики прогнозирование состояния конструкции на предстоящий период рабаты. При правильно составленном прогнозе можно обосновать режимы диагностирования, т.е. периодичность и объемы контрольных операций, что необходимо для составления индивидуальных программ ТОиР. Если измерять дискретные значения диагностического параметра К по времени t для конкретного объекта диагностирования, то получим совокупность (выборку) случайных точек, соединив которые можно в первом" представлении выявить xаpaктep происходящих изменений. ,Штриховая линия на рис. 2.2 представляет собой сглаженную реализацию случайной функции К(t). Совокупность реализаций для группы однотипных объектов образует многомерную случайную функцию K(t). В каждый момент времени случайная функция будет характеризоваться непрерывным случайным распределением - плотностью вероятности. В дальнейшем будем считать, что распределение f(к) 'в любом сечении' наработки ti будет подчиняться нормальном (гауссовскому) закону. Для гауссовского закона распределения случайной величины характерны три параметра: математическое ожидание (момент первого порядка) т(к); дисперсия случайного распределения (момент второго порядка) S; среднее квадратическое отклонение σ. 27 Рис. 2.2. К вопросу об аппроксимации (сглаживании) статистической выборки Плотность вероятности для этого закона будет равна: f (K ) 1 k 2 K K ср i exp 2 2 k 2 . Отсюда максимальная ордината нормального распределения случайной величины (мода) 1 . f (K ) k 2 Ширина разброса нормально распределенной случайной величины (доверительный интервал) , где τβ - табулированный коэффициент, зависящий от принятого уровня вероятности Р и числа степеней свободы (количество точек). Обычно принимают Р = 0,997. Тогда τβ = 3,0, отсюда для гауссовского распределения ширина разброса ± δ = 3σ. Вернемся к случайным функциям. Важной характеристикой непрерывной случайной функции K(t) является т.н. автокорреляционная функция или корреляционный момент для значений случайной функции на интервале времени t1 и t2: M K (t1, t2 ) ( K1 K1ср )( K2 K2cp ) f ( K1, K2 ; t1, t2 )dK1dK2 , где f(К1, К2; t1, t2) - двумерная плотность распределения случайной функции, которая характеризует связь значений случайной функции при двух различных моментах времени t 1 и t 2. 28 Величины К1 и К2 относятся к одной и той же реализации процесса, а интегрирование (суммирование) проводится по множеству реализаций. . Автокорреляционная функция показывает наличие или отсутствие связей между двумя соседними выборками. Эту связь удобно оценивать с помощью нормированной корреляционной функции [ 6 ]: . Если значения К(t1) и К(t2) независимые (процесс с сильным перемешиванием реализаций) (рис. 2.3 а), то нормированная корреляционная функция обращается в ноль. Если перемешивание слабое, то ρk(t1, t2) → l,0. Рис. 2.3. Примеры перемешивания реализаций При ρК, (t1, t2) = 0,6 ... 1,0 прогноз можно осуществлять по отдельно взятой реализации с учетом только ее доверительных интервалов. При малом значении ρK(t1 ,. t2) прогноз выполняется с учетом совокупности всех. реализации (рис. 2.4.). Очевидно, что в первом случае прогноз будет достовернее. Построение случайных функций начинается с упорядочения статистических данных. Это упорядочение осуществляется с помощью матриц [5]. Матрица состоит из N горизонтальных строк с равномерными интервалами значений параметра ΔК и п вертикальных столбцов с равномерными интервалами наработки Δt. Попробуем оценить реализацию изменения параметра "вибрация" по наработке. Предположим, что исходное значение вибрации (при наработке .0) равно (условно) 1,0. Через интервалы Δt = 500 ч зафиксированы последовательно шесть значений вибраций: 5, 7, 12, 3, 6, 16. Строго говоря, соединить эти семь точек на графике и говорить о реализации нельзя. 29 Рис. 2.4. Прогнозы с учетом перемешивания реализаций Ведь если цифра "5" появилась в. связи с некоторой раскаткой наружной обоймы подшипника, то следующая цифра "7" может быть связана с каким-то другим независимо развивающимся дефектом, например с неравномерной выработкой лабиринтных уплотнений на дисках компрессора и т. п.. В подобных случаях принято говорить не о реализациях, а о совокупности случайных величин, представляющих отдельные реализации. Рис. 2.5. Примеры связей аргумента и функции Количественно степень тесноты связи такой совокупности может быть определена с помощью коэффициента корреляции (если связь линейная) или корреляционного отношения (если связь нелинейная). Коэффициент корреляции определяется как: где М (t, K) - второй смешанный центральный момент всей совокупности точек; t , K средние квадрагические отклонения соответственно относительно t и относительно К. Если β = 0, то связи нет, если β = 1,0 то связь функциональная, т. е. случайных колебаний относительно среднего значения функции нет (рис. 2.5 правый). 30 Используя исходные данные, строим выборочно по каждому сечению ti оценки математических ожиданий mj и дисперсий Si2 по формулам: где К - значения диагностического параметра для фиксированного значения наработки. Полученные результаты приведены на рис. 2.6. Рис. 2.6. Этапы аппроксимации (сглаживания) случайной функции Для аппроксимации (сглаживания) изменений во времени 2 математического ожидания т(t) дисперсии S (t) подбирают многочлен некоторой степени (полином n-го порядка), который "наилучшим образом" описывает совокупность точек. В общем виде такой полином удовлетворяет уравнению: Распространенным методом подбора кривых является метод наименьших квадратов. По данному методу коэффициенты а, выбирают так, чтобы квадратическая погрешность (отклонение от линии аппроксимирующей функции) имела минимальное значение, т. е. где т - число экспериментальных точек. Ограничимся степенью полинома, равной 2,0 (что соответствует параболе), и запишем условие метода наименьших квадратов. 31 где φ(Ki;a0,a1,a2) - значение частной производной функции заданного вида. Найдем a0, a1, a2, образующие левую часть уравнения в минимум. Для этого продифференцируем ее по a0, a1, a2 и приравняем производные нулю. , где dφ/da=φ’a(Ki;a0,a1,a2) – значение частной производной функции φ по параметрам a0, a1, a2 в точке Ki. Решить вышеприведенную систему уравнений в общем виде нельзя, для этого надо задаться конкретным видом функции К (t). Например, при линейной аппроксимации с отрицательным трендом для средней кривой на рис. 2.6 уравнение сглаживающего полинома ограничится двумя слагаемыми: К(t) = ао+ (а1 t)... Решим систему уравнений: где К ср и t ср - средние значения К и t по выборке из т точек. При использовании полинома 2-й степени, т. е. когда нужно описать совокупность значений параметров параболой 2-го порядка ' . коэффициенты ао, а1, а2 находят из преобразованного выражения: 32 , где -момент l-го порядка (математическое ожидание); − момент 2-го порядка (дисперсия); − момент 3-го порядка; смешанные центральные моменты совокупностей точек. Заметим, что первоначальный выбор степени п при аппроксимации статистических данных полиномом n-го порядка осуществляется "на глаз" по виду поля экспериментальных точек или исходя из физических представлений процесса. В дальнейшем эта степень может быть уточнена в зависимости от получаемой погрешности: В случае если средняя квадратическая погрешность мала по сравнению c K mах, то аппроксимация допустима. Пример. Предположим, необходимо построить случайную функцию, отражающую связь между диагностическим параметром "время выбега τ ротора двигателя и наработкой t для прогнозирования состояния опор (подшипников). Представим статистические данные в виде исходной матрицы (табл. 2.3). Общее расположение точек в исходной матрице позволяет предположить, что имеет место линейная корреляция между τ и t. 33 Таблица 2.3 Исходные данные по связи между τ и t 'Степень тесноты связи данной совокупности подсчитываем с помощью коэффициента корреляции Смешанный центральный момент будет равен: средние квадратические отклонения для и t имеют вид: где τi, ti, - текущие значения времени выбега и наработки. По результатам подсчета (исходя из числа точек т = 84) получаем t = 4250 и т = 47 с. После подстановки этих значений в вышеприведенную формулу получаем в = -0,52. Связь здесь довольно тесная, знак "-" указывает на наличие отрицательного тренда. Затем откладываем на каждом из сечений наработок математические ожидания mτ (рис. 2.7). Полученную совокупность точек описываем прямой линией (вначале мы уже предположили линейную корреляцию) по методу наименьших квадратов. Согласно этому методу, в уравнении прямой линии т (t) = а t + ао; а = М (t, Т) = - 0,0015: ао = mТ - а mt = 56,7, и уравнение регрессии τ (t) = 56,7 - O,0015t. 34 После построения доверительных интервалов получаем случайную функцию т (t), пригодную для прогнозирования. Теперь разберем более сложный пример расположения точек, когда их совокупность может быть описана кривой второго порядка. , Пример. Предположим, что при измерении содержания примесей железа в масляной системе двигателя получен ряд значений концентраций в зависимости от наработки: t, ч а, г/т 540 1,2 590 670 760 850 970 1070 1180 1270 1390 1530 1600 1780 2030 1,31 1,4 1,61 1,74 1,8 2 2,14 2,19 2,41 2,5 2,68 2,81 3,0 Рис. 2.7. Построение случайной функции τ(t) ( ∙ − математические ожидания выбега при соответствующей наработке) Необходимо построить функцию связи между а и t . Сначала находим коэффициенты системы уравнений: 35 Тогда система уравнений принимает вид: 25,92а2 + 10.6а1 + 4,535ао = 6287; 10,60а2 + 4, 535а 1 + 2,056а о = 2629; 4,532а2 + 2,056а1 + ао = 1159. Решив систему, находим ао =168; а1= 102; а2 ~ 187, т.е. случайная функция (рис. 2.8) t (а) = 168а2 + 102а + 187. Рис. 2.8. К вопросу аппроксимации точек кривой 2-го порядка . Прогнозирование состояния конкретного объекта на основе имеющегося уравнения случайной функции решается простой подстановкой в уравнение аргумента и получением соответствующего значения функции. Предельная наработка будет соответствовать предельному значению диагностического параметра и наоборот. Однако следует иметь в виду, что прогнозирование по уравнению случайной функции без учета eё флуктуаций может дать большую погрешность. В связи с этим необходимо построить доверительные интервалы. Приведем наиболее простой способ. Разобьем весь интервал наработки на три разных отрезка (рис. 2.9). Построим распределения, f(К)i для вертикальных сечений t1 t2 t3. Определим ширину доверительного интервала для каждого из распределений при уровне значимости Р = 0,997. Соединим точки А, В, С по методу наименьших квадратов - получаем верхний доверительный интервал для случайной функции К(t). Симметрично 36 ему будет расположен нижний доверительный интервал. Если снижение работоспособности связано с увеличением значения параметра К, то прогноз выполняем по верхнему доверительному интервалу, если наоборот, то прогноз осуществляется по нижнему доверительному интервалу функции K(t). Рис. 2.9. Построение доверительных интервалов Основные выводы 1. Основное преимущество статистических методов распознавания состоит в возможности одновременного учета диагностических признаков различной физической природы, так как они характеризуются безразмерными величинами - вероятностями появления при различных состояниях. 2. Распознавание с помощью метода Байеса просто и эффективно, хотя для его реализации нужно иметь достаточно большой и достоверный исходный статистический материал. 3. Методы статистических решений позволяют реализовать большую группу практических задач классификации в основном по отношению к тем объектам, отказы которых не вызывают серьезных последствий. 4. Состояния объектов (систем) прогнозируют путем экстраполяций непрерывных случайных функций поведения диагностических параметров на последующий этап наработки. 5. Построение функций, пригодных для прогнозирования состояния объектов, заключается в оптимальном подборе кривой (полинома n-го порядка), наилучшим образом описывающей совокупность значений точек в координатах "параметр - наработка". 6. Для обеспечения достоверности прогноза с помощью монотонных случайных функций связи между диагностическими параметрами и наработкой необходимо учитывать степень тесноты этой связи, а прогноз осуществлять с учетом возможного разброса. 37 Глава 3. ДИАГНОСТИКА ОТКАЗАВШИХ ЭЛЕМЕНТОВ АВИАЦИОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ 3.1. Методические основы диагностики отказавших элементов авиационных конструкций 3.1.1. Методы оценки поверхностей разрушения по макропризнакам Ранее рассматривалась объекты (системы), которые могут иметь некоторое множество различных состояний. При техническом обслуживании и ремонте ВС часто имеют дело с бинарными объектами, для которых возможны лишь два вида состояния ("да' - нет", "ноль - единица" "+" - "-"). Это может быть наличие или отсутствие трещин, коррозии, внутреннего разрушения и т.п. Обычно переход из одного состояния в другое рассматривается как мгновенный, хотя в действительности возможны и переходные процессы. Объект переходит из одного состояния в другое под воздействием эксплуатационных факторов. Причем эти факторы могут быть расчетными или нерасчетными (например, при нарушении правил эксплуатации). В первом случае возникновение отказа или неисправности определяется эксплуатационной повреждаемостью конструкции, во втором - наличием и значением перегрузки. Фиксация нарушения целостности или сплошности элементов авиационных конструкций не требует исходной статистической информации. Эту задачу решают или с помощью органолептических чувств человека или с помощью специального приборного оборудования (дефектоскопов). Рассмотрим сначала возможности основных органолептических чувств оператора, с помощью которых можно решать часть диагностических задач, связанных с фиксацией упомянутых состояний. Зрение. Невооруженным глазом можно наблюдать нарушения сплошности, имеющие довольно большую протяженность или площадь (трещины, коррозия). Недостаток человеческого глаза - изменение остроты зрения при изменении освещенности. Человеческий глаз устроен так, что для того, чтобы четко видеть предмет, его изображение, формируемое с помощью хрусталика, должно попасть на небольшой центральный участок сетчатки, называемый центральной ямкой желтого пятна. Этот участок содержит около 150 миллионов зрительных клеток, так называемых колбочек, которые ответственны за точное восприятие глазом тонких деталей, формы, размеров и цвета предметов. Колбочки резко теряют чувствительность при малой освещенности. Поэтому глаз содержит также 100 ... 150 миллионов других зрительных клеток, так называемых палочек, которые чувствительны к слабому свету. Они распределены по периферии сетчатки и воспринимают в первую очередь движение, а не тонкие детали и цвет: Человеческий глаз способен адаптироваться к освещенности: суженный зрачок может видеть ярко освещенные предметы, а расширенный - различает контуры предметов практически в полной темноте (снижение освещенности примерно в 106 раз). Глазу требуется 10...30 минут для адаптации при изменении освещенности. 38 Разумеется, говорить о диагностировании состояний элементов конструкций в условиях плохой освещенности не имеет смысла. Слух. Слышимость того или иного звука зависит от его частоты. Человеческое ухо воспринимает частоты 5 ... 18 кГц. В этом диапазоне используется, например, звон металлов при ударе для определения крупных дефектов в металлических деталях. Звук, издаваемый стальной деталью, содержащей дефект, более низкий и глухой по сравнению с бездефектной. Широко известным примером применения этого метода является проверка простукиванием узлов подшипников колес железнодорожных вагонов (букс). Для регистрации ультразвуковых (> 18 кГц) и инфразвуковых ( < 5 кГц) волн требуются специальные приборы.. Обоняние. Человек по-разному реагирует на запахи. Одни кажутся ему приятными, другие нет. Даже одно и то же вещество при малой концентрации пахнет приятно, при большой - неприятно. Рецепторы запаха у человека расположены в обонятельном эпителии в верхней части носоглотки. Физиология обоняния до конца еще не выяснена. Следует заметить, что самый совершенный газоанализатор имеет значительно более низкую чувствительность к концентрациям среды, чем обоняние человека. Тем не менее в технической диагностике обоняние имеет ограниченное применение главным образом из-за вредности большинства запахов для здоровья человека. Осязание. Осязательные свойства у человека развиты также довольно сильно. Кончиками пальцев можно уверенно различать различные степени шероховатости поверхностей, местные искривления (забоины и повреждения до 0,05 мм), а также нарушения сплошности в виде трещин с раскрытиями от 0,05 мм и больше. Осязание часто используют как ориентир для более тщательного инструментального контроля локальных зон.· У органолептических методов есть один общий недостаток - они субъективны. Это существенно ограничивает постановку достоверного диагноза. Практика показывает, что причины разрушений, недопустимых изнашиваний и необратимых изменений формы деталей разнообразны (эксплуатационные, производственно-технологические, конструктивные, комбинированные). В диагностике причин отказов авиационных деталей главнейшими этапами являются оценка условий работы элемента в. предотказной стадии и несущей способности самой отказавшей детали. В зависимости от того, по какой причине произошел отказ, будут проявляться признаки значимости эксплуатационных, производственно-технологических или конструктивных факторов, имеющих отношение к отказу. Эксплуатационные условия работы оценивают на основании: наработки элемента с начала эксплуатации и после последнего ремонта; числа произведенных ремонтов; 39 своевременности выполнения регламентных работ; анализа причин замены элементов в эксплуатации и при ремонте; анализа режимов работы элемента; внешнего состояния элемента и поверхности разрушения. В каждом конкретном случае этот перечень может быть дополнен исходя из конкретных обстоятельств и характера отказа. К производственно-технологическим факторам, оказывающим влияние 'на условия работы исследуемой детали, относятся: соответствие геометрических размеров элемента требованиям чертежа; наличие поверхностных дефектов; качество нанесения защитных покрытий; качество механической обработки; качество сварки. Главным критерием оценки конструктивных факторов является повторяемость отказов данного' вида и примерно одинаковая наработка до отказа. Кроме того, при, проверке конструктивных факторов большое значение имеют: проверочные расчеты на прочность; моделирование натурных условий работы; механические испытания материала отказавшего элемента; металлофизический анализ материала отказавшего элемента. Рассмотрим общие правила визуальной оценки поверхностей' разрушения отказавших элементов. Этот анализ, называемый фрактографией, осуществляется как невооруженным глазом, так и с использованием оптических устройств наблюдения. Если поверхность разрушения не. сильно повреждена (забита), то в большинстве случаев удается методами фрактографии определить вид разрушения детали, тип нагрузки, вызвавшей данное разрушение; оценить в целом условия нагружения детали в предотказной стадии работы. Для упрощения распознавания разрушающих нагрузок изломы стремятся систематизировать [ 5]. Взаимосвязь между видом излома и условиями нагружения детали в предразрушающей стадии определяется: , характером нагружения (статический, вибрационно-циклический); особенностями строения (хрупкий, пластичный); видом распространения трещины (внутризеренный, межзеренный); направлением разрушения (места расположения очага развития трещины и долома). Укрупненно все виды разрушения можно свести к двум классам: хрупкому и вязкому. Хрупкое разрушение характерно для сложнолегированных сталей, 40 у которых пластическая деформация при разрушении практически отсутствует (подшипниковые или пружинные стали). Особенность хрупкого разрушения его быстрое распространение вследствие большого запаса упругой энергии. Ведущим видом напряжений при данном разрушении являются нормальные напряжения, а механизмом - скол. Для большинства сталей, используемых в авиастроении, хрупкий излом представляет собой поверхность с однородным' слоистым рельефом, имеющую выраженную направленность разрушения от фокуса по всему сечению. Излом тем хрупче, чем больше легирующих добавок в материале. Типичные хрупкие изломы наблюдаются при однократном разрушении таких сталей как 30ХГСНА, 12Х2Н4А, 38ХМЮА и др. (рис. 3.1). Рис. 3.1. Хрупкий излом Вязкое разрушение отличается существенным предварительным деформированием. Здесь "ответственными" за образование и развитие разрушения являются касательные напряжения (механизм разрушения - срез) (рис. 3.2). Рис. 3.2. Типично вязкие изломы: а – разрушение тонкостенной конструкции; б – разрушение цилиндрического элемента Перечисленные виды разрушения в той или иной степени присущи всем случаям мгновенных и постепенных нарушений целостности элементов конструкций при работе. Диагностируют три основных группы изломов: от кратковременной однократной нагрузки или' так называемые 41 статические (однократные) изломы при растяжении, изгибе, кручении, ударном нагружении; от постоянной длительной нагрузки при повышенной температуре (изломы длительного статического разрушения). Различают также изломы замедленного хрупкого ·разрушения (ЗХР) при нормальных температурах (при разрушении заневоленных пружин, затянутых болтов, баллонов, нагруженных внутренним давлением, и т. п.), усталостные изломы от циклических нагрузок (валы, лопатки, диски, подшипники, обшивка планера и т. п.). У каждой группы изломов наблюдаются свои особенности строения, по которым их диагностируют. Практика показывает, что кратковременные хрупкие и вязкие изломы малоинформативны при диагностировании причин отказа, так как в большинстве случаев являются следствием этого отказа. Информативными считаются такие изломы, по которым можно диагностировать признаки постепенности разрушения, т. е. имеющие зоны, характерные для замедленного хрупкого, длительного статистического или усталостного разрушений. К типичным' замедленным хрупким разрушениям при нормальных температурах можно отнести разрушение затянутого болта (рис. 3.3). Излом имеет четкое разграничение на две зоны: первая - без признаков пластической деформации, вторая - вязкая зона окончательного разрушения. Замедленное хрупкое разрушение, если оно не обусловлено производственно-технологическими или эксплуатационными причинами (например, перетяжка болта) - признак исчерпания ресурса. Рис. 3.3. Схематическое изображение излома при замедленном хрупком разрушении: 1- фокус излома; 2 – зона долома Для усталостных изломов характерным является присутствие в зоне развития трещины т.н. усталостных бороздок или линий Вальнера (рис. 3.4). Особенностью большинства усталостных разрушений является интеркристаллитное (внутризеренное) продвижение трещин. 42 Рис. 3.4. Схематическое изображение усталостного излома: 1 – фокус излома; 2 – зона долома; 3 – линия Вальнера Каждая из групп кратковременных, статических и усталостных разрушений' может обладать специфическими особенностями строения в зависимости от условий, в которых это разрушение происходит. Эти особенности довольно многообразны (рис. 3.5). Для их детального изучения может быть рекомендована книга [7]. Рис. 3.5. Взаимосвязь поверхностей разрушения (изломов) с различными видами нагружения Диагноз причины отказа становится очевидным в тех случаях, когда излом начинается от забоины на поверхности детали, металлургического или производственного дефекта. В тех же случаях, когда трещина берет свое начало от места ничем не примечательного, недостаточно определить характер разрушения, нужно переходить к другим видам диагностирования (например, лабораторные исследования материала). 43 Признаком, определяющим уровень действовавших нагрузок на изломах постепенного разрушения, принято считать отношение площади развития трещины ко всей площади излома. Другим признаком, позволяющим судить о перегрузках детали при работе, следует считать многоочаговость излома. В 'усталостных изломах важную информацию несет среднее расстояние между соседними линиями Вальнера (усталостными бороздками). Чем меньше эта величина, тем ниже циклические нагрузки. Ряд фрактографических критериев, таких как начальный шаг усталостных бороздок, длина участка трещины с равноускоренным ростом' шага бороздок и соответствующие началу и концу этого участка коэффициенты интенсивности напряжений, позволяет определить уровень действовавших напряжений при усталостном разрушении [8]. 3.1.2.Методы анализа материала авиаконструкций по микропризнакам Металлографический анализ основан на оптическом исследовании особенностей микроструктуры материала отказавшей детали. Этот вид анализа осуществляют на специально приготовленных шлифах (кусочек исследуемого металла с отполированной поверхностью, залитый в сплав Вуда). При металлографическом анализе сначала оценивают несущую способность материала детали по наличию несплошностей металлургического происхождения (поры, волосовины, закаты и т.п.). Важную информацию несут также размер и конфигурация зерен, тип структуры (мартенсит, сорбит и т. п.) состояние межзеренных границ, наличие обезуглероженного слоя и другие металлографические признаки качества металла или его термообработки. О нарушениях условий эксплуатации (например, о воздействии повышенных температур) может свидетельствовать обеднение поверхностного слоя детали легирующими элементами, изменение толщины алитированного слоя и пр. Металлографический анализ позволяет установить тип разрушения (внутризеренное, межзеренное, смешанное), т.е. судить о характере действовавших нагрузок (статические, вибрационно–циклические, ударные). Электронномикроскопический анализ осуществляют путем просвечивания так называемый реплик (слепков), снятых с поверхности шлифов. При/анализе в отраженном свете объектом служит непосредственно участок шлифа или излома. Просвечивающая электронная микроскопия позволяет исследовать субмикроструктуру материалов на дислокационном уровне. В этом случае можно установить наличие, тип и степень несовершенства кристаллического строения, которые характеризуют уровень несущей способности материала. Отражающая электронная микроскопия применяется для определения размеров и форм упрочняющих (разупрочняюших) интерметаллидных фаз, состояния межзеренных границ, изменений тонких структурных составляющих, 44 отражающих процессы старения материала при работе. Электронно-микроскопический анализ может оказать существенную помощь при диагностировании микрорельефа поверхности разрушения, формирующегося в результате реализации того или иного механизма разрушения. Такими особенностями являются: ямки - признак вязкого (пластичного) излома; ямки являются составляющими микрорельефа изломов длительного статического, замедленного хрупкого разрушений, а также коррозии под напряжением. Если ямки плоские (т.н. «соты») - они являются признаком хрупкого излома; фасетки квазискола (искаженные микропластической деформацией) один из признаков макрохрупкого разрушения; микробороздки – признак типичной, а также малоцикловой, термической и коррозионной усталости. Для проведения электронно-микроскопического анализа применяют электронные микроскопы с увеличением до 600 000 крат или растровые (сканирующие) электронные микроскопы (увеличение до 200 000 крат). Рентгеноструктурный анализ основан на способности рентгеновских лучей с малой длиной волны проникать вглубь вещества и. вызывать колебательные движения его атомов, являющихся источником т.н. вторичного характеристического излучения. С помощью рентгеноструктурного анализа определяют параметры кристаллических решеток, фазовый состав материала. Он позволяет также установить: степень деформации кристаллических решеток (знак остаточных напряжений); глубину и степень рекристаллизации (температурные условия деформирования и разрушения); преимущественную ориентацию кристаллов (направление, и степень деформации в процессе технологической обработки); концентрацию дислокаций (степень деформаций от эксплуатационных напряжений). Для проведения рентгеноструктурного анализа применяют рентгеноструктурные анализаторы типа «Спектроскан» и др. Методы оценки химического состава материала деталей. Самый простой метод - капельный. С его помощью выявляют группу сплава, а в некоторых случаях и его марку. Наиболее широко капельный метод' применяется при диагностировании природы металла, внедренного или налипшего на поверхность исследуемой детали. Спектральный анализ позволяет судить о химическом составе металла по составу линейчатого спектра. Для проведения спектрального анализа применяют стиллоскопы, спектрографы типа ИСП, квантометры типа МФС. 45 Методы определения механических свойств материала. Качество (несущую способность) материала отказавших деталей наиболее полно определяют по результатам механических испытаний образцов, вырезанных из этих деталей. Механические испытания заключаются в измерении нагрузок и деформаций, соответствующих определенным стадиям разрушения. Полученные результаты сравнивают со справочными данными. К основным физикомеханическим характеристикам материала, отражающим его качество, относятся: пределы кратковременной прочности при растяжении, изгибе, кручении; предел текучести; предел упругости или модуль Юнга; твердость; характеристики пластичности (относительные удлинение и сужение); условный предел усталости. Выбор механических характеристик при проведении испытаний подробно рассмотрен в [5]. К сожалению, большинство механических испытаний связано с разрушением образцов, к тому же не всегда имеется возможность вырезать образцы необходимых размеров. Основные выводы: 1. При диагностировании отказавших элементов авиационных конструкций главными задачами являются: оценка условий работы элемента в предотказной стадии, а также уровень несущей способности материала самого элемента. 2. Условия работы в предотказной стадии могут быть определены по фрактографическим признакам поверхности разрушения (излома), имеющим тесную связь с типом нагрузки и ее количественным уровнем. 3. Несущую способность материала отказавших элементов оценивают с помощью комплексных исследований, включающих металлографический анализ, химический анализ и испытание механических свойств. 46 Глава 4. ДИАГНОСТИКА САМОЛЕТОВ И ДВИГАТЕЛЕЙ 4.1. Диагностика планера Визуальный диагностический контроль. Наиболее простой вид диагностического контроля узлов и элементов планера — визуальный. Он позволяет выявлять значительное число дефектов, таких, как трещины, коррозионные повреждения, а также целостность болтовых, сварных, заклепочных соединений и пр. Визуальный контроль выполняют обычно в местах, подверженных наибольшим нагрузкам в процессе работы. Основными видами нагрузок для планера являются ударные (фюзеляж, шасси, силовые элементы планера), повторно-статические (консоли крыла, оперения) и многоцикловые (обшивка, несиловые элементы планера). В связи с этим визуальному диагностическому контролю обычно подвергаются: на фюзеляже - верхние и нижние части обшивки, стыковочные узлы, швы и окантовки люков; на шасси — подкосы, сварные швы, рычаги, шарнирные узлы, авиашины; на оперении — обшивка корневой части, узлы крепления стабилизатора и подвески рулей; на консолях крыла — узлы механизации предкрылков, закрылков, интерцепторов, состояние обшивки. Техническое состояние заклепочных соединений оценивают по таким внешним признакам, как наличие "шлейфа", образование "венчика" (заершенности) заклепок, подтекание керосина через заклепки. Визуальному контролю подвергаются также магистрали гидрогазовых систем, элементы системы управления (тросы, качалки и др.). Оценку состояния механических систем, узлов и элементов планера осуществляют обычно с помощью функционального диагностирования, включающего в себя проверку режима работы, динамику исполнения команд и т.д. При функциональном диагностировании попутно осуществляется визуальный контроль правильности сопряжения элементов, степени их взаимной приработки, сохранения рабочих зазоров, наличия нежелательных люфтов, остаточных деформаций, износа и т. д. Ответственные узлы и элементы планера проверяют методами неразрушающего контроля по специально разработанным технологиям (бюллетеням). Сводной документацией по неразрушающему контролю планера и его систем является "Альбом карт контроля". В альбоме указаны: вид повреждений, их критические размеры, аппаратура, технология проверок состояния участков и элементов систем планера. Учитывая, что ресурс планера вырабатывается индивидуально в зависимости от повреждаемости каждого экземпляра, особую 47 актуальность приобретает составление программ индивидуальных проверок планера и его частей. Такая программа зависит от условий эксплуатации планера и уровня производственной базы предприятия, к которому приписан самолет [1]. Анализ повреждаемости планера начинается с учета назначенного ресурса, этапов его подтверждения, серии, даты выпуска, перечня выполненных доработок. При оценке состояния планера отдельно рассматривается подверженность конструкции длительным, усталостным, коррозионным, износовым повреждениям. При анализе длительной и усталостной повреждаемости ориентируются на перечень потенциально опасных зон и элементов, влияющих на безопасность полетов. При анализе коррозионной повреждаемости осматривают зоны, подвергаемые различным видам коррозии, соизмеряют с предельными размерами и глубиной коррозионных пятен. При анализе износовой повреждаемости главное внимание уделяют элементам, подвергающимся опасному износу, прогнозируют с учетом влияющих факторов степень износа на перспективу и сопоставляют с предельными значениями износов. Например, для прогнозирования износа подвижных элементов планера необходимо учитывать число циклов их срабатывания, открытия — закрытия дверей, люков, форточек, время работы в условиях повышенной запыленности и повышенных наружных температур. Для прогнозирования коррозионных повреждений учитывают также климатические зоны базирования ВС, маршруты полетов. Для прогнозирования повреждений от длительно приложенных нагрузок и усталости фиксируют: дальность беспосадочного полета; характеристики нагружения в цикле "земля-воздух-земля"; продолжительность и частоту рейсов; допустимые перегрузки (по данным самописцев). Назначение видов и объемов диагностических работ производится на основании моделей развития различного вида повреждений с учетом вышеперечисленных факторов. Диагностика напряженно-деформируемого состояния планера при испытаниях. Экспериментальные методы распознавания являются неотъемлемой частью работы по доводке планера на этапе внедрения в эксплуатацию. Здесь проверяют правильность полученных расчетным путем решений и делают окончательное заключение о фактических возможностях и свойствах конструкции. Часть испытательных работ проводят на предприятияхизготовителях самолетов, часть — в летно-исследовательских комплексах или ФГУП ГосНИИ гражданской авиации (летные испытания). Важным этапом комплексной программы летных испытаний является изучение напряженно-деформируемого состояния (НДС) конструкций планера 48 в полете. Параметры, характеризующие НДС в первую очередь, — относительные деформации и механические напряжения в различных точках конструкции. Деформации определяют косвенно, путем фиксации линейных перемещений точек конструкции. Механические напряжения оценивают по формулам пересчета. В практике исследования НДС широкое применение нашли методы измерения деформаций с помощью тензометрических преобразователей. Последние удовлетворяют требованиям точности, чувствительности; они не искажают поле измеряемых деформаций, не реагируют на воздействие окружающей среды, имеют малые габаритные размеры. Из всех видов тензометрических преобразователей приемлемыми для измерения НДС в полете являются тензорезисторы. Принцип действия тензорезисторов основан на зависимости электрического сопротивления их чувствительного элемента от деформаций. При испытаниях применяют проволочные и фольговые тензорезисторы. В качестве чувствителпных элементов чаще всего используют константан. Тензорезисторы состоят из подложки 2, чувствительного элемента 1 и выводных проводников 3 (рис. 4.1). База тензорезисторов (длина чувствительного элемента) 5 . . . 30 мм. Номинальный ток проволочных тензорезисторов, как правило 30 мА, максимально допустимые деформации не должны превышать ±0,3 %. Для изготовления фольговых тензорезисторов используется константановая фольга толщиной 4. . .12 мкм. Фольга позволяет изготавливать тензорезисторы любой конфигурации (прямоугольной, круглой и т. п.). По своим характеристикам фольговые тензорезисторы практически не отличаются от проволочных. Качество проводимых измерений во многом зависит от тщательности выполнения технологических операций наклейки тензорезисторов. Клеи, используемые при монтаже тензорезисторов, подразделяют на две группы: холодного отверждения и требующих дополнительной термообработки. К "холодным" клеям относятся: целлулоидный, нитроглифталевый, циакриновый; к "горячим" - фенолополивинилацетатный БФ-2, БФ-4. Клеи первой группы сушатся при температурах 15…30°С, а второй - при 70...140°С. Очевидно, что картина распределения напряжений на поверхности конструкции планера прй действии рабочих нагрузок является ценнейшей диагностической информацией при оценке ее служебных свойств. Большую роль играет также оценка усталостной долговечности отдельных элементов планера. В процессе испытаний усталостную долговечность определяют с помощью датчиков-сигнализаторов пластинчатого типа, регистрирующих накопленное значение изменения удельного электрического сопротивления ΔR чувствительного элемента петлевого типа под действием переменных нагрузок [5]. Величина ΔR измеряется на земле после выполнения программы летных испытаний. 49 Рис. 4.1. Проволочный тензорезистор При тщательном соблюдении технологических операций по монтажу датчиков-сигнализаторов на обшивку и силовые элементы планера можно получить довольно точные оценки накопленных усталостных повреждений. Датчики-сигнализаторы в виде фольговой полоски (на лаковой или бумажной основе) наклеивают на обшивку или силовой элемент перед проведением испытаний. Предварительно фиксируют исходное удельное электросопротивление датчика-сигнализатора. Фольговые датчики-сигнализаторы используют при сравнительно низких напряжениях цикла, значение их ΔR на базе 107 циклов составляет 5. . .12 Ом. В ряде случаев при испытаниях необходимо фиксировать момент появления трещин усталости непосредственно на участке конструкции. В этих случаях применяют датчики трещин. Они представляют собой тонкие полоски константановой фольги, наклеиваемые в месте предполагаемого появления трещин усталости (перпендикулярно направлению их развития). Датчик замыкает электрическую цепь регистратора. Прй появлении трещины фольга разрушается и таким образом фиксируется начало разрушения. В последнее время датчики трещин начинают применять не только при испытаниях, но и при эксплуатации серийных авиационных конструкций. В частности, на профильной части несущих винтов ряда зарубежных вертолетов роль датчиков трещин выполняют волоконные световоды. Появление трещины прерывает передачу световой энергии на приемник, что служит сигналом к принятию соответствующих мер. 50 4.2. Диагностика жидкостных систем Опыт эксплуатации показывает, что характерными изменениями параметров функционирования жидкостных систем (ЖС), которые способствуют развитию опасного отказа, являются: давление в нагнетающей магистрали, не соответствующее ТУ, подача насосов, давление в сливной магистрали, внешняя или внутренняя негерметичность, пульсация давления за насосом, силы трения в исполнительных механизмах, загрязненность рабочей жидкости, повышенная температура рабочей жидкости. Предварительно жидкостные системы разделяют на классы не различающихся между собой неисправностей. Число неисправных состояний в каждом из классов определяет требуемую глубину поиска или глубину диагностирования. Как правило, глубина поиска ограничивается отдельными агрегатами (элементами) системы. При нахождении отказавшего агрегата его заменяют на исправный или проводят предусмотренные регулировки. Оценку повреждаемости ЖС удобно проводить с помощью аналитических описаний или графоаналитических представлений изменения основных свойств элементов, которые называют диагностическими моделями. В качестве диагностических моделей сложных жидкостных систем могут рассматриваться дифференциальные уравнения, логические соотношения, диаграммы прохождения сигналов, графы причинно-следственных связей и др. [9]. Средства диагностики жидкостных систем. Их разделяют на стационарные, переносные и встроенные. При диагностировании жидкостных систем в условиях эксплуатации используют переносные и встроенные средства. Переносные могут быть универсальными и специализированными. Большинство диагностических параметров, характеризующих состояние жидкостных систем, — неэлектрические величины (давление, температура, расход рабочей жидкости, степень ее загрязнения и т. п.). Для удобства измерения, обработки и индикации диагностических параметров необходима трансформация функциональных параметров в электрические сигналы. Эту функцию исполняют преобразователи (датчики). По принципу действия они классифицируют следующим образом: потенциометрические (давление, линейные и угловые скорости); тензорезисторные (относительные перемещения); электроконтактные (скорости перемещения исполнительных механизмов); индуктивные (давление, линейные перемещения); трансформаторные (линейные перемещения, давление, расходы); магнитоупругие (усилия, моменты); индукционные (частота вращения); пьезоэлектрические (пульсации давления, вибрации); термопары (температура); термосопротивления (температура); фотоэлектрические (частота вращения); механотронные (малые перемещения); частотные стробоскопические (частота вращения); ультразвуковые (расход, параметры рабочей жидкости). 51 Датчики давления. Простыми и надежными приборами измерения избыточного давления являются пружинные манометры, для измерения степени разрежения — вакуумметры. В качестве чувствительных элементов в манометрах и вакуумметрах используются различного рода мембраны, сильфоны, балки, струны и т. п. Для преобразования давления в электрический сигнал используют различные типы преобразователей (потенциометрические, тензометрические, электромагнитные, емкостные, пьезоэлектрические и т. п.). В последнее время в датчиках давления в качестве преобразователей применяют полупроводниковые тензорезисторы, обладающие весьма высокой чувствительностью и сравнительно малой погрешностью (0,8…1,0%). Датчики расхода. Приемлемую точность измерения расхода (0,5…1,5%) имеют турбинные расходомеры типа РТМС. В них измеряемые объемы жидкости отсекаются вращающейся крыльчаткой, а частота ее вращения свидетельствует о значении объемного расхода. Наряду с расходомерами типа РТМС используют также расходомеры переменного и постоянного перепада давления, электромагнитные, тепловые, а также ультразвуковые расходомеры [9]. Особого типа расходомеры применяют для оценки внутренней негерметичности (ВН) жидкостных систем. Причиной ВН является обычно износ золотников, уплотнительных втулок, обратных клапанов и других элементов, образующих пары трения. Через образовавшиеся зазоры рабочая жидкость протекает из полостей высокого в полости низкого давления, что приводит к нарушениям в работе агрегатов и всевозможным отказам. Обнаружить ВН визуально невозможно, однако существует много внешних признаков, указывающих на самопроизвольное перетекание рабочей жидкости в агрегатах системы. По отношению к гидросистемам к таким признакам относятся: медленный поворот колес передней опоры самолетов при рулении, продолжительное время выпуска и уборки шасси, низкая эффективность работы стеклоочистителей, интерцепторов, гидроусилителей и т. д. В качестве измерителей расхода жидкости, вытекающей через образовавшиеся зазоры агрегатов, могут использоваться специальные датчики полупроводниковые микротермосопротивления (термисторы) МТ-54 (рис. 4.2). Каждый встроенный в магистраль термистор включается в электрическую схему поддержания постоянной температуры, состоящую из моста Уитсона и усилителя с отрицательной обратной связью. Термистор подогревается проходящим через него током. При появлении в магистрали жидкости термистор охлаждается, что приводит к изменению его сопротивления. Равновесие моста питания нарушается, а напряжение разбаланса управляет усилителем, который восстанавливает равновесие моста за счет увеличения тока. Этот ток является одновременно и диагностическим сигналом о наличии ВН. 52 Термоанемометрический метод оценки ВН позволяет определять утечки до 1000 см3/мин. Рис. 4.2. Схема компоновки устройства МТ-54 для измерения внутренней негерметичности: 1 — рабочий термистор; 2 — тройник; 3 — камера; 4 — компенсационный термистор; 5 — корпус датчика; 6 — накидная гайка; 7 — кабель Индикаторы ультразвуковых колебаний в магистралях и агрегатах жидкостных систем. Рабочая жидкость, протекая через образовавшиеся зазоры в агрегатах гидравлических систем, образует поток с переменными параметрами. При зазоре до 20 мкм перетекание углеводородной жидкости через щель имеют место пульсации вследствие облитерации щели - процесса периодического заращивания канала щели поляризованными молекулами углеводородов. Пульсации давлений жидкости передаются на корпус агрегатов с ультразвуковой частотой. Наибольшая амплитуда колебаний возникает в том месте корпуса агрегата, где расположены изношенные пары трения. Для измерения колебаний и преобразования их в электрический сигнал применяют ультразвуковые течеискатели типа Т-2001 или ИКУ-1 (рис. 4.3). ИКУ-1 выполнен в виде переносного прибора, состоящего из ультразвукового щупа и электронного блока. Щуп прибора выполнен в виде пистолета, в цилиндрической части которого смонтированы ультразвуковой приемник (преобразователь механических колебаний в электрический сигнал) и предварительный усилитель. При прижатии щупа к поверхности ОК колебания последнего поступают к пьезоэлектрическому преобразователю, который за счет пьезоэффекта генерирует электрический ток. Величина ЭДС регистрируется в электронном блоке, где происходит вторичное усиление сигнала и его индикация на миллиамперметре. 53 Рис. 4.3. Ультразвуковой течеискатель ИКУ-1 Рабочая частота преобразователя 105 кГц. Полоса пропускания щупа (0,8 ± 0,4) кГц. Течеискатель обеспечивает регистрацию ВН в семи диапазонах с кратностью: 1, 3, 10, 30, 100, 300, 1000 (вместе с отклонением стрелки загораются соответствующие светодиоды). Для этого необходимо прижать щуп к поверхности ОК, по миллиамперметру определить значение сигнала и умножить его на коэффициент диапазона загоревшегося светодиода. Обычно признаком отбраковки является факт загорания двух и более светодиодов (при любом положении стрелки миллиамперметра). Питание прибора осуществляется постоянным током напряжением 27 В. 4.3. Диагностика авиационных двигателей Диагностика узлов трения по накоплению продуктов износа в масле. Опыт эксплуатации показывает, что часть отказов авиадвигателей связана с нарушением работы узлов трения из-за недопустимых износов. Процесс разрушения изнашиваемых элементов начинается, как правило, с разрушения поверхностного слоя материала под действием высоких контактных напряжений, что проявляется в виде отрывов частиц материала. При этом продукты износа уносятся маслом, циркулирующим в двигателе, а их наличие и концентрация могут служить сигналом возникновения неисправности. Периодические осмотры маслофильтров при ТО не всегда эффективны, так как 98 % частиц имеют размеры менее 5 мкм, а ячейки фильтрующих элементов —7, 0 - 1 4 , 0 м к м. Количество продуктов износа, поступающих в масло, зависит от скорости изнашивания, которая, в свою очередь, связана со степенью поврежденности элемента. На этапе окислительного изнашивания, которое всегда имеет место при нормальной эксплуатации, эти скорости невелики, в то время как при нарушении условий работы скорость изнашивания резко увеличивается. Причем, как показывает опыт, ни угар, ни периодические доливки масла существенного влияния в этом случае на скорость накопления продуктов износа и их концентрацию не оказывают. Каждому виду износа соответствует определенный вид и состав продуктов. В зависимости от физиче- 54 ского состояния трущихся деталей и характера их взаимодействия в различных узлах трения авиадвигателя возможны следующие виды износа: усталостный при трении скольжения с образованием обычных мелких частичек прямоугольной формы; усталостный при трении качения с образованием тонких частичек в виде шариков; адгезионный с образованием частиц в виде прямоугольников; коррозионный с образованием пластин, измельченных до тончайшей пыли; абразивный с образованием частиц размером 1…15 мкм. На основе имеющегося опыта по химическим компонентам продуктов износа идентифицируют следующие элементы ГТД, омываемые маслом: по железу — тела качения, шестерни, рессоры, детали уплотнения и др.; по меди — подпятники, маслоуплотнительные кольца, бронзовые и латунные сепараторы подшипников; по серебру — посеребренные сепараторы подшипников. Если изменяется концентрация двух элементов, то идентифицируют по железу и хрому — хромированные чугунные кольца, по железу и меди — омедненные шлицы рессор. В качестве критерия при установлении технического состояния двигателя используется скорость изменения концентрации продуктов износа в смазывающем масле. Это значение получают в результате анализа проб масла, взятых из нижней точки маслосистемы двигателя через определенные промежутки времени (обычно через 50 часов). Что касается концентрации продуктов износа, то у исправных двигателей это значение для железа редко превышает 3,0 грамма на тонну масла (г/т). Обычно основанием для постановки двигателя на особый контроль служат концентрации Fe = 2 , 0 . . . 4 г/т, а для съема с эксплуатации — концентрации 6. . . 8,0 г/т. Для элементов Cu, Al, Cr, Ni предельная концентрация составляет от 2,0 до 4,0 г/т. Существует ряд методов контроля работавшего масла на содержание продуктов износа [11]: магнитный, спектральные, феррографический. Магнитный метод контроля основан на измерении силы взаимодействия ферромагнитных частиц в масле и искусственно созданного магнитного поля. В гражданской авиации данный метод используется при оперативной оценке состояния масла с помощью прибора ПКМ. Сущность метода заключается в измерении усилия отрыва постоянного магнита, прикрепленного к концу стрелки прибора, от масляного пятна с частицами Fe, образованного при фильтрации масла через пористый материал (мембранный фильтр) (рис. 4.4). 55 Рис. 4.4. Принципиальная схема определения примесей железа в масле магнитным методом: 1 — анализируемая проба; 2 — постоянный магнит; 3 — крутильные весы; 4 — шкала прибора Анализ масла осуществляется по следующей технологии. С помощью специального устройства масло пропускают через мембранный фильтр с величиной ячейки 1,2 мкм.. В отпечатке 1 диаметром отлагаются примеси Fe, в результате чего проба приобретает магнитную восприимчивость. Отпечаток (так называемая сухая масляная проба) с помощью прижимной планки закрепляется на предметном столике прибора. Оператор, закручивая пружину 3 крутильных весов, создает силу, отрывающую постоянный магнит 2 от отпечатка. С пружиной весов связана стрелка механического указателя, шкала 4 которого проградуирована в граммах железа на 1 т масла. По мере закрутки пружины 3 стрелка перемещается по шкале 4 и в момент отрыва магнита 2 от отпечатка 1 загорается сигнальная лампа, свидетельствующая о необходимости фиксации показания стрелки на шкале 4. Недостатком магнитного метода следует считать невысокую точность показаний прибора. Наиболее широко в настоящее время используются спектральные методы анализа работавших масел. Различают рентгеноспектральные и эмиссионные методы спектрального анализа. Рентгеноспектральный метод основан на исследовании спектров поглощения и спектров испускания вещества, лежащих в рентгеновской области электромагнитного излучения. Анализ по спектрам испускания проводится эмиссионным и флюоресцентным методами, которые отличаются друг от друга только способом возбуждения вещества. При эмиссионном методе это может быть пламя или газовый разряд, где происходит нагревание, испарение пробы и возбуждение отдельных атомов и ионов. При флюоресцентном анализе возбуждение атомов и молекул осуществляется облучением пробы электромагнитными (рентгеновскими) лучами. Для регистрации спектра используют различные способы, наиболее распространенными из которых являются фотографический и фотоэлектрический. Фотографическая регистрация спектров основана на применении обычных фотопластинок или пленок с получением изображения в виде черных 56 линий или полос на светлом фоне. При фотоэлектрическом методе регистрации энергия света преобразуется в электрический сигнал при помощи фотоэлектрического приемника света (фотоэлемент или фотоумножитель). Количественный анализ основан на том, что интенсивность спектральных линий элемента зависит от его концентрации в пробе. Этот вид анализа осложнен тем, что интенсивность спектральных линий в значительной степени зависит еще и от условий получения спектра. Чтобы исключить влияние этих условий, используют стандартные образцы с точно известной концентрацией определяемого элемента. Физическая величина, несущая информацию о концентрации элемента в пробе, называется аналитическим сигналом. Зависимость аналитического сигнала от концентрации чаще всего выражается градуировочным графиком [12]. Рис. 4.5. Принципиальная схема многоканального фотоэлектрического спектрографа: 1 — сферическое зеркало; 2 — конденсатор; 3 — милливольтметр; 4 — полихроматор; 5 — дифракционная решетка; 6 — выходные щели; 8 — конденсатор; 9 — кювета с маслом; 10 — зона разряда; 11 — фотокатоды фотоприемника В лабораториях диагностики подразделений гражданской авиации эмиссионный спектральный метод определения концентраций металлов в работавших маслах реализуется на стационарных установках типа МФС (многоканальный фотоэлектрический спектограф). Анализ масла состоит из трех этапов: сжигание масляной пробы в электродуговом разряде; разложение излучения в спектр и его регистрация; определение по наличию и интенсивности спектральных линий концентраций элементов, входящих в масляную пробу. 57 Схема установки типа МФС приведена на рис. 4.5. Угольный диск, погруженный в ванночку с маслом, вращаясь, подает масло в разрядный промежуток. Электрический разряд возникает между диском и верхним электродом. Излучение разряда через растровый конденсатор 8 направляется на входную щель 7 полихроматора 4. При этом происходит дисперсия света на дифракционной решетке 5, выполненной в виде вогнутого зеркала с нанесенными штрихами. Образованный дифракционной решеткой спектр характеризует количественный состав примесей в пробе масла. Интенсивность спектральных линий пропорциональна концентрации соответствующих элементов в пробе. Излучение выделенных спектральных линий направляется на фотокатоды 11 фотоэлектронных умножителей. Это вызывает эмиссию электронов и накопление зарядов в конденсаторах 2. Напряжение разрядного тока и конденсаторов 2, регистрируемое в милливольтах, фиксируется на приборах 3. Зависимость между напряжением и и концентрацией элементов а устанавливают опытным путем с помощью сопоставления с эталонами (стандартными образцами) с заранее заданными концентрациями элементов. На основании прожига эталонных проб строят зависимости a от и (градуировочные графики на каждый тип масла). По этим графикам и оценивают концентрации элементов в серийных пробах. В последние годы для анализа примесей в маслах стали применять рентгеноспектральный (рентгенофлуоресцентный) метод, основанный на возбуждении и регистрации флюоресцентного излучения металлами под воздействием рентгеновских лучей. Для этих целей используют приборы БРА-17, БРА-18, «Спектроскан», «Призма». Приборы типа БРА малогабаритные, в них отсутствуют сложные механические узлы. Питание БРА осуществляется как от сети (220 В, 50 Гц), так и автономно от источника постоянного тока напряжением 16…28 В. Потребляемая мощность 0,06 кВт. Анализируемая проба масла получается путем его фильтрования через мембранный фильтр "Владипор" с порами размером 0,9…1,2 мкм. Сейчас используются современные методы изготовления сухих масляных проб на металлической подложке [11]. Отпечаток вставляется в специальный держатель, обеспечивающий равномерное его облучение пучком рентгеновского излучения. Анализатор типа БРА позволяет проводить экспресс-анализ масла на содержание элементов железа, меди, хрома, никеля и др. Конструктивно БРА (рис. 4.6) выполнен в виде двух отдельных блоков - датчика и пульта управления, соединенных между собой кабелем. В датчике расположены: рентгеновская трубка 1, сблокированная с высоковольтным источником питания; блок регулировочных транзисторов 3 с согласующей платой 2. Рентгеновскими лучами возбуждается вторичное характеристическое излучение атомов химических элементов, входящих в состав образца. Кванты этого излучения преобразуются пропорциональным счетчиком 12 в импульсы напряжения, которые усиливаются и подаются в усилители- формирователи 10 58 и далее на пересчетное устройство, с помощью которого измеряется число импульсов, поступивших в течение заданного времени. Информация об этом выводится на индикаторное табло 7. Время экспозиции задается автоматически с помощью таймера. Если сравнивать эмиссионный спектральный и рентгеноспектральный методы анализа масел, то последний обнаруживает ряд преимуществ. На БРА, равно как и на «Спектроскане», «Призме» отражается более полная гамма примесей, так как все элементы осаждаются на мембранный фильтр (этого не скажешь в отношении эмиссионного спектрального анализа, где часть элементов может "осесть на дно" кюветы и не попасть в электродный промежуток). Рис. 4.6. Структурная схема анализатора БРА: 1 — рентгеновская трубка; 2 — согласующая плата; 3 — регулирующие транзисторы; 4 — устройство усилителей стабилизации; 5 — устройство преобразователей; 6 — источник питания; 7 — индикаторное табло; 8 — пересчетное устройство; 9 — устройство управления; 10 — устройство усилителей-формирователей; 11 — предусилители импульсов; 12 — пропорциональный счетчик; 13— излучатель; 14 — фильтр; 15 — образец Если размеры частиц примесей, по которым диагностируется двигатель, лежат в интервалах 5…100 мкм, то в этих случаях целесообразно использовать феррографический анализ проб масел. В приборе, в котором реализуется этот метод, имеется гладкое кварцевое стекло, которое наклонено под небольшим углом к магниту, так что по мере движения масла вниз по стеклу оно испытывает все увеличивающуюся силу магнитного поля. Там, где масло впервые контактирует с гладкой поверхностью стекла, частицы размерами более 25 мкм начинают оседать. По мере продвижения масла вниз размеры осевших частиц постепенно уменьшаются, образуя феррограмму. Феррограмма содержит частицы таких металлов, как железо, никель, кобальт, частицы различных сплавов, окислов и полимеров. После просушки 59 феррограммы ее изучают с помощью микроскопа или оптического плотномера (микрофотометра). При этом получают данные о числе и размерах частиц в масле, о соотношении крупных и мелких частиц. Замечено, что, если распределение частиц в смазочном масле по размеру заметно меняется, это указывает на то, что включился новый механизм изнашивания. Для облегчения анализа на стекле нанесена специальная разметка на отрезке длиной 60 мм. При нормальном изнашивании максимальная плотность осаждения частиц находится обычно у отметки 55 мм. Существует ряд модификаций феррографических средств контроля состояния масла. Самым простым и надежным является прямопоказывающий феррограф DR (рис. 4.7). Рис. 4.7. Схема работы прямопоказывающего феррографа: 1 — фотоэлементы; 2 — источник света; 3 — магнит В этом приборе стеклянная пластина имеет форму трубки, которая располагается в высокоградиентном магнитном поле. Феррограммы исследуют с помощью измерения их оптической плотности в зоне отметок 50 и 55 мм. Степень ослабления светового потока индуцируется на дисплее. Основным критерием интенсивности изнашивания служит разница световых потоков в районе расположения крупных и мелких частиц. Вибродиагностика авиационных двигателей. Оценка технического состояния авиадвигателей с помощью характеристик вибраций используется на практике довольно широко. Эффективность вибродиагностики доказывается тем, что около трети всех досрочно снимаемых двигателей - результат оценки их вибросостояния [10]. ГТД — сложная динамическая система, состоящая из множества взаимодействующих элементов и подсистем. Вибрация — это реакция динамической системы на возмущающие силы. Различают несколько видов вибраций, генерируемых двигателями. Роторная вибрация характеризуется линейным смещением точек корпуса ГТД. Здесь амплитуда вибрации зависит от дисбаланса ротора и от степени демпфирования колебаний. Дисбаланс ротора, как правило, увеличивается с наработкой вследствие неравномерного изнашивания лабиринтных уплотнений, раскатки беговых дорожек подшипников, неравномерного истирания торцов рабочих лопаток и пр. 60 За основной критерий интенсивности вибрации принимают амплитуду виброскорости независимо от частоты. Допустимое значение виброскорости колеблется от 10 до 60 мм/с. Основные источники аэродинамической вибрации — воздушный винт, вентилятор, компрессор и турбина. Винтовая вибрация связана с различиями в аэродинамических характеристиках отдельных лопастей воздушного винта, а также с неравномерностью набегающего воздушного потока. Газовоздушная вибрация возникает внутри двигателя от вращающихся срывов в компрессоре, вибрационного горения, акустических колебаний газа. Диапазон частот колебаний при газовоздушной вибрации 50.. .5000 Гц. Редукторная вибрация генерируется зубчатыми зацеплениями и вызвана погрешностями в размерах сопрягаемых пар, неуравновешенностью шестерен при вращении и т. п. Подшипниковая вибрация — следствие изменения геометрических зазоров и податливости элементов подшипников. Лопаточная и дисковая вибрации вызываются окружной неравномерностью, пульсацией потока в проточной части двигателя. Весьма опасны резонансные колебания лопаток. Что касается дисков, то различают колебания дисков по асимметричным и циклическим симметричным формам. При колебаниях по асимметричным формам на вал передаются продольные и поперечные усилия, которые можно использовать в качестве диагностических признаков этого вида колебаний. Симметричные формы с одной или несколькими узловыми окружностями, а также так называемые зонтичные формы обычно динамически уравновешены и не вызывают повышенных вибраций. При диагностировании ГТД широко используют спектральные характеристики вибраций. Спектр вибраций представляет собой совокупность многочисленных составляющих гармоник, несущих диагностическую информацию о состоянии различных деталей и узлов двигателя. С наработкой исходный спектр претерпевает постепенные изменения, а в случае предотказного состояния ГТД он быстро видоизменяется. С помощью соответствующей аппаратуры можно выделять и отслеживать гармоники с роторными частотами, с частотами зацепления зубчатых передач и т. п. Частотный состав спектров зависит от особенностей конструкции двигателя, режима работы и места расположения вибродатчика. Если датчик укреплен на корпусе компрессора, то в генерируемом спектре будут преобладать дискретные составляющие с частотами следования рабочих лопаток компрессора. В зоне турбины будут преобладать спектральные составляющие с частотами следования рабочих лопаток турбины и последних ступеней компрессора. В зоне коробки приводов агрегатов преобладающими дискретными составляющими будут частоты зацепления зубьев колес зубчатых передач. Применяемые в ГА многофункциональные анализаторы вибрации VM-3/X и «Кварц» позволяют фиксировать и исследовать вибрационный 61 спектр в широком диапазоне частот и амплитуд. Виброспектроанализаторы используеются в наземных условиях. Они снабжены комплектом съемных вибропреобразователей и самописцем. Входные сигналы, получаемые от вибропреобразователей, могут обрабатываться прибором как в широкополосном, так и в узкополосном режимах. Суть анализа состоит в том, что прибор настраивается на определенную частоту и из анализируемого сигнала выделяется полоса частот, равная полосе пропускания фильтра. На выходе анализатора получают параметры спектра в данном диапазоне частот. С помощью виброспектроанализатора можно выделить переднюю, заднюю роторные и корпусную гармоники, что ориентирует персонал на выявление «адреса» повышенной вибрации в двигателе. К сожалению, более тщательное вибродиагностирование ГТД с помощью анализаторов осуществить не удается вследствие: значительной вибрации уровней отдельных составляющих спектров даже на установившихся режимах работы; большой разницы уровней дискретных составляющих, достигающей 40 дБ и более; возможности перекрытия близких дискретных составляющих вследствие флуктуаций частоты вращения роторов двигателя. В полете основу вибродиагностического метода оценки состояния ГТД составляют данные вибрации корпуса, зафиксированные штатными индукционными или пьезопреобразователями. В качестве диагностического признака используют виброскорость (v), представляющую собой первую производную вибросмещения по времени. Вибрацию нормируют также по коэффициенту виброперегрузок К” — отношению виброускорения к ускорению свободного падения. На практике отказы двигателей наблюдаются в диапазоне v = 30…90 мм/с и К” = 4 ,5 … 8,5. Принято считать, что более высокую диагностическую ценность имеет виброскорость v, так как она независимо от частот и форм колебаний имеет прямую функциональную связь с действующими в деталях напряжениями [10]. Коэффициент виброперегрузок зависит как от частоты колебаний, так и от их формы. Поэтому он используется в основном в ТВД, где круговая частота вращения вала постоянна, а разрушения происходят при фиксированных формах колебаний. Для повышения достоверности диагноза по вибрации используют дополнительную информацию: скорость изменения виброхарактеристики по наработке и характер этого изменения (монотонный или скачкообразный). Анализ вибросостояния по данным полетной информации показывает, что уровни виброскоростей на исправных двигателях незначительно увеличиваются по наработке и в среднем составляют на передней опоре v по =1 5 . .. 20 мм/с и на задней vзо = 5 . . . 10 мм/с. При этом скорость их изменения по наработке γ = dv/dt = (5…8)10-3 мм/с. Превышение этих величин 62 обычно служит основанием для постановки двигателя на режим особого контроля (если виброизмерительная аппаратура исправна). Диагностика авиадвигателей по термогазодинамическим параметрам. Использование термогазодинамических параметров для оценки состояния авиадвигателей наиболее полно изложено в книге [2]. В соответствии с принятыми в ней концепциями к термогазодинамическим параметрам относят: давление, температуру, отношение давлений и температур, скорость течения, расход топлива и масла, проходные площади сечений проточной части, тягу, а также частоту вращения роторов. Общие подходы в диагностировании ГТД по термогазодинамическим параметрам не отличаются от подходов, применяемых при диагностировании технических систем, рассмотренных выше. Имеются лишь некоторые специфические отличия. При термогазодинамическом диагностировании ГТД применяется метод математического моделирования изменения вышеперечисленных параметров в процессе работы двигателя. Различают детерминированные, вероятностные и комбинированные модели ГТД. В детерминированных моделях все взаимосвязи, переменные и константы заданы точно, что приводит к однозначному определению результирующей функции. В вероятностных моделях задаются соответствующие законы распределения случайных величин, что приводит к вероятностной оценке этой функции. Чаще применяют детерминированные модели. Здесь признаками состояния двигателя могут быть тяга R, расход топлива Gt, температура газов перед или за турбиной Т*г.т., параметры рабочего тела по тракту, параметры топливной, масляной систем. Примерами возможных состояний могут служить прогары лопаток турбины, жаровой части камер сгорания, деформация элементов проточной части и т. п. Решения принимают по критическим отклонениям термогазодинамических параметров. В качестве примера можно привести взаимосвязь, по которой оценивают состояние горячей части ГТД: , - приведенное эталонное значение частоты вращения ротора низкого где давления. Изменение температуры газа за турбиной сравнивают с эталонной моделью правой части вышеприведенного уравнения. Эталонная модель строится по формулярным данным двигателя. Температура контролируется на взлетном режиме, которому соответствует контрольная температура за турбиной. В некоторых случаях температуру Тт. пр., а также параметры Tн и pн используют для подсчета тяги двигателя и сравнивают ее с той тягой, которая должна быть в этих условиях. Определенные возможности заложены в диагностический параметр "расход топлива". Опыт показывает, что повреждение проточной части ГТД 63 увеличивает расход топлива на 120. . .150 кг/ч при одновременном изменении других термодинамических параметров. Характеристики расхода топлива хорошо отражают техническое состояние камер сгорания и сопловых аппаратов турбин. Однако, как показывает опыт, точное измерение расхода затруднено изза погрешностей расходомеров, вызванных необходимостью учета плотности керосина при разных температурах. В определенных условиях диагностику состояния ГТД можно осуществлять и по давлению топлива перед форсунками рт, но и здесь погрешности измерений могут играть решающую роль. Для того чтобы добиться минимальных погрешностей оценки состояния ГТД по результатам измеренных термогазодинамических параметров, значения параметров необходимо привести к стандартным условиям, а их измерение должно проводиться на одних и тех же высотах и режимах работы двигателя. Результаты исследований в области термогазодинамической диагностики ГТД позволили установить, что самым чувствительным и информативным показателем состояния проточной части двигателей является адиабатический КПД турбины ηт. Конечно, непосредственно замерить ηт невозможно, однако его можно выразить через частоту вращения роторов, степень повышения давления Пк и температуру газов перед турбиной Тг. Эта зависимость будет эмпирической и специфичной по отношению к конкретному двигателю. В качестве примера можно привести такое соотношение для зарубежного двигателя FT-4 [2]: Детерминированные модели диагностирования ГТД могут выражаться через систему диагностических уравнений двигателя, решив которую можно сформировать диагноз, осуществить прогноз и дать рекомендации по предупреждению или устранению возможного отказа. Теоретическая база для их формирования разработана А. Я. Черкезом и получила название метода малых отклонений. Число соотношений определяется классами возможных состояний ГТД. Система диагностических уравнений состояния представляет собой конечное множество выражений, аналогичных (4.1), построенных для приращения расхода воздуха, температуры газа перед турбиной, удельного расхода и других термогазодинамических параметров. В правой части этих уравнений содержатся отклонения параметров, которые определяют путем сравнения текущих значений с эталонными (при определенном режиме работы двигателя) . В последнее время для диагностирования ГТД все чаше используют комплексные параметры, которые в аналитической форме связывают между собой несколько параметров и тем самым наиболее полно характеризуют рабочие процессы, происходящие в двигателе. Например, в [5] для ТВД предложено использовать отношение температуры газов за турбинной Тт к 64 давлению масла в измерителе крутящего момента pи.к.м.. При этом в качестве критерия оценки состояния двигателя по комплексному параметру используют относительное отклонение контролируемого параметра от эталонного: ΔK = Bзам – Bэ , где Bзам = TT/pи.к.м. – комплексный параметр, приведенный к стандартным атмосферным условиям. Параметрическое диагностирование двигателей может осуществляться по показаниям штатных приборов. Диагностическая связь между показаниями контрольно-измерительной аппаратуры в кабине пилота и состоянием отдельных узлов и систем ГТД представлена в табл. 4.1. Параметрический метод диагностики ГТД в условиях эксплуатации состоит из трех этапов [5]: функционально-статистического приведения контролируемых параметров (КП); композиционного анализа КП; принятия решения. Функционально-статистическая корректировка значений КП заключается в обобщении формулярных данных ГТД, данных наземных опробований и полетных данных двигателя и приведении их к единым номинальным условиям (ЕНУ). В качестве ЕНУ выбирают условия работы двигателя на земле при МСА на определенном режиме без отборов воздуха и мощности (например, пнд=const). При приведении формулярных данных к ЕНУ учитывается влияние воздухозаборника и реверсивного устройства. Приведение данных наземного опробования к ЕНУ основано на статистическом осреднении этих данных по результатам наземной работы двигателя в различных условиях. Таблица 4.1 Параметры, характеризующие состояние узлов ГТД Узел (система) ГТД Проточная часть. Система отбора воздуха Параметры Термогазодинамические параметры (ТГДП). Роторные вибрации (РВ). Помпаж. Выбег ротора (BP) РВ. ТГДП. Параметры масляной системы (ПМС). Стружка на маслофильтрах BP. Роторы двигателя Скрежет. Тряска Система управления и регу- Параметры системы управления и лирования регулирования. ТГДП. BP Параметры топливной системы. ТГДП. НеТопливная система равномерностъ температурного поля Параметры масляной системы. РВ. Стружка на маслофильтрах. Концентрация металлов в Масляная система масле. Уровень масла в баке Система запуска. Реверсивное Параметры системы запуска работы двигателя устройство (РУ) при включенном РУ 65 В полете приведение КП ГТД к ЕНУ заключается в выявлении среднестатистического отклонения параметров для разных условий полета. Уточненные параметры могут, как известно, закономерно изменяться с наработкой. При развитии опасных неисправностей (дефекты элементов "холодной" и "горячей" частей ГТД, закоксованность топливных форсунок, утечка воздуха из двигателя и пр.) наблюдаются дополнительные, нетипичные изменения. По регистрации таких изменений и диагностируют двигатель. Диагностика осуществляется как с помощью однопараметрического, так и комплексного анализов (рис. 4.8). Видно, что при однопараметрическом анализе определяющими факторами являются: изменение дисперсий КП больше обычного; изменение значений КП больше обычного; необычные трансформации вида и характера изменений КП. Рис. 4.8. Классификация параметрических методов выявления неисправностей авиадвигателей При комплексном подходе ту или иную неисправность характеризуют: повышенная реакция КП, обладающих большой общей диагностической ценностью; повышенная устойчивость связи между совокупностью значимых КП. Композиционный анализ позволяет распознать вид и начало изменения признака по схеме, приведенной на рис. 4.9. Проследим формирование диагноза по этой схеме. 66 Параметрическую информацию получают из приведенных к ЕНУ данных по предыдущим полетам, текущей выборки, данных контрольного полета и проверяют по критерию аномальности Т. Если Т < Tкр то есть основание для дальнейшего диагностирования по левой ветви, соответствующей мгновенному изменению параметра. Очередная проверка по критерию среднего (критерий а затем по критерию Фишера (слева — после изменения, справа — до начала изменения) позволяет распознать виды трансформаций функций при изменении параметров с наработкой. При этом определяющей будет цепочка частных заключений (например, нет - нет - да — "скачок") t ), Рис. 4.9. Алгоритм распознавания вида и локализация начала изменений параметра К правой группе изменений параметра относятся такие, как тренд и его флюктуации, а также постепенное увеличение разброса значений параметра. Каждой из моделей соответствует свой вид дефекта. Критерий аномальности определяется как T = max (Пi – П)/S2 (П), где Пi, П – соответственно текущее и среднее значение параметра; S2 – дисперсия. Критерий Фишера f = S 2 2 /S 1 2 , где S 2 2 , S 1 2 -соответственно дисперсии выборки "до" и выборки "после". Критерии тренда R (критерий Аббе-Хальда) и t (критерий среднего) используют при статистической фильтрации информационных потоков [2]. Решение принимается с учетом тестов по схеме, приведенной на рис. 4.10. Алгоритм классификации параметрической информации по состояниям авиадвигателя приведен на рис. 4.11. 67 Диагностика элементов авиадвигателей по температурным критериям. Определение температуры в различных точках конструкции позволяет оценить влияние теплового воздействия на ее прочностные свойства. Особую ценность эта информация представляет для авиационных двигателей, так как уровень рабочих температур играет решающую роль. Приборы для измерения температур подразделяются на пять групп: термометры расширения, манометрические термометры, термонреобразователи сопротивления, термоэлектрические термометры, пирометры. Принцип действия термометров расширения основан на свойстве тел изменять под воздействием температуры свой объем. Диапазон измеряемых ими температур -190 … +650°С. В манометрических термометрах используют свойство жидкости или газа изменять свое давление при нагреве или охлаждении (-160°С … +600°С). В термопреобразователях сопротивления использован закон изменения электрического сопротивления металлического проводника в зависимости от температуры (-200…+650°С). Термоэлектрические термометры (термопары) вырабатывают ЭДС парой разнородных металлов при разности температур холодных и горячих спаев (-50…+1800°С). Пирометры работают по принципу измерения излучаемой нагретыми телами энергии (300...60005 С). Наиболее широко для измерения температур при испытаниях авиа конструкций используют термопары и термопреобразователи сопротивления. Термопара (рис. 4.12) состоит из термоэлектрического преобразователя с металлическими спаями, электроизмерительного прибора и соединительных проводов. При нагреве горячего спая в термопаре преобразователя образуется термоЭДС: Е А Б (t, t Q ) = e А Б (t) - e A B (t 0 ), где e А Б (t), e A B (t 0 ) – ЭДС, развиваемые в горячем и холодном спаях соответственно. ЭДС будет пропорциональна температуре горячего спая (при постоянной температуре холодного спая). Надежное измерение температуры с помощью термопар зависит главным образом от правильного выбора типа термопреобразователя и его установки. Наибольший уровень температур измеряется платинородиевыми и платинородий-платиновыми термопарами (1000…1800°С). Более низкие температуры (800…1000°С) измеряются, как правило, хромель- алюмелевыми термопарами, а при температурах до 600°С — хромель- копелевыми. Основным недостатком термопар является их инерционность (задержка показаний до 1,5 с и более). Термопреобразователи сопротивления основаны на изменении электрического сопротивления чувствительного элемента в зависимости от уровня температур. К достоинствам термопреобразователей сопротивления относится высокая точность измерений. Наилучшим материалом для изготовления термопреобразователей является платина. Используется также медь и никель. Серийно выпускаются платиновые, медные и никелевые термопреобразователи, 68 отличающиеся между собой уровнем и диапазоном измеряемых температур. Например, платиновые термопреобразователи типа ТСП измеряют температуру-260. ..+1100 °С, медные (ТСМ) -200. . .+200 °С, а никелевые (ТСН) -60 ... +180 °С. Рис. 4.10. Схема анализа параметров при диагностировании авиадвигателей 69 Рис. 4.11. Схема оценки и принятия решения при диагностировании авиадвигателей 70 Рис. 4.12. Схема работы термопары Термопреобразователь сопротивления, применяемый при оценке температурного состояния авиаконструкций, показан на рис. 4.13. Платиновую, медную или никелевую проволоку в виде решетки 3 укладывают на основание. Сверху решетку закрывают защитной оболочкой 2 (стеклошифон, слюда и т.п.). Включение во внешнюю измерительную цепь осуществляется выводными проводниками 1. Для получения достоверных данных о температуре испытываемой авиационной конструкции применяют различные способы монтажа термопреобразователей. Рис. 4.13. Термопреобразователь сопротивления Эти способы зависят от вида нагрева конструкции (стационарный или нестационарный, конвективный или лучистый), а также типа материала конструкции (металл или неметалл). К типовым способам монтажа можно отнести зачеканку головки термопары в отверстие, приварку термопреобразователей, а также их приклейку высокотемпературным клеем. Основные выводы: 71 1. Диагностика узлов и элементов планера заключается в основном в проведении визуального и неразрушающего контроля в предусмотренных НТД объемах. 2. Основными источниками диагностической информации о работе функциональных систем служит широкий спектр встроенных датчиковпреобразователей, а также диагностическая аппаратура, реагирующая на давление, температуру, плотность жидких сред, колебания магистралей и корпусов агрегатов. 3. Основными видами диагностики авиадвигателей являются: анализ продуктов износа в масле, вибродиагностика, диагностика по термогазодинамическим параметрам, а также параметрическая диагностика. Диагностирование по термогазодинамическим параметрам осуществляется на базе составления и решения комплекса диагностических уравнений, связывающих параметры двигателя и основные показатели его работоспособности. 4. Анализ продуктов износа в масле выполняют различными методами. Наибольшее распространение получили рентгеноспектральный (рентгенофлуоресцентный) анализ концентрации металлических примесей. 5. Вибродиагностирование авиадвигателей осуществляется как в полете, так и на земле. Существующее оборудование позволяет выявить источники повышенных вибраций. Предупреждать отказы можно на основании тенденций нарастания вибраций в полете. 72 Глава 5. НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ ЭЛЕМЕНТОВ АВИАЦИОННОЙ ТЕХНИКИ ГА 5.1. Методы НК прямой визуализации В современных условиях эксплуатации авиационной техники возрастает роль методов неразрушающего контроля (МНК), позволяющих надежно и объективно фиксировать состояния целостности элементов отдельных конструкций планера, двигателя, функциональных систем. Следует учитывать, что каждый из МНК имеет свою, характерную для данных условий и цели контроля, область применения. Одни методы дают возможность обнаруживать мелкие поверхностные дефекты типа трещин, но непригодны для обнаружения внутренних дефектов; другие - наоборот. Но различные МНК могут дополнять друг друга. Поэтому в некоторых случаях целесообразно применять несколько разных методов, что обеспечивает более достоверный результат. . Возможность использования методов неразрушающего контроля зависит от выполнения ряда требований. Одним из основных является свободный доступ (доступность) к объекту контроля (ОК). Основные требования к аппаратуре, используемой в условиях эксплуатации - это компактность, возможность ее легкого перемещения и надежной установки на контролируемом объекте. При оценке эффективности того или иного метода контроля важнейшим параметром является его чувствительность, оцениваемая минимальными размерами выявляемых дефектов. Максимальная чувствительность одного и того же метода может существенно меняться в зависимости от конкретных условий применения. Очевидно, что в аэродромных (полевых) условиях эта чувствительность, как правило, меньше, чем в лабораторных, где созданы оптимальные условия работы. Все МНК подразделяются на методы прямой визуализации и косвенные. Первые позволяют непосредственно наблюдать дефект. Косвенные методы сигнализируют о дефекте по косвенным признакам (магнитной проницаемости материала, амплитуде эхо-сигнала и т. п.). В настоящее время в ГА получили распространение следующие МНК, относящиеся к категории прямой визуализации: оптико-визуальный, капиллярные, магнитопорошковый, рентгенографический. Рассмотрим кратко каждый из них. Оптико-визуальный (ОВ) метод [13]. При визуализации мелких повреждений, трещин, особенностей строения изломов и т. п. используют оптические приборы. Наиболее простые - складные лупы типа JП11 с 73 увеличением 2,5,. 4 и 7 крат. Триплексные линзы типа ЛАЗ дают изображение более высокого качества с увеличением до 10 крат. Бинокулярные налобные лупы БЛ-1 и БЛ-2 дают увеличенное стереоскопическое изображение. Хорошо помогают рассмотреть мелкие детали и стереоскопические микроскопы типа МБС. Для осмотра внутренних полостей используют специальные оптические приборы - эндоскопы. Принцип действия эндоскопов заключается в осмотре объекта с помощью оптической системы, позволяющей передавать изображение на значительное расстояние, (до нескольких метров). Существуют линзовые (бороскопы), волоконно-оптические (фиброскопы) и комбинированные эндоскопы. Бороскопы представляют собой жесткую конструкцию (рис. 5.1) или имеют шарнир с одной-двумя степенями свободы. Они состоят из источника света 1 для освещения объекта, сменной зеркальной насадки 11, меняющей направление и размеры поля обозрения, объектива 3, основной передающей оптической системы 10 и окуляра 6. Сменная оптическая система 5 служит для увеличения рабочей длины прибора или подключения телевизионной системы наблюдения, состоящей из видикона 8 и видеоустановки 7. Зеркало 12 и объектив 9 предназначены для проецирования изображения поверхности объекта 2. Увеличение изображения эндоскопов 0,5...50 крат. Рис.5.1 Конструкция бороскопа: 1 — источник света; 2 — объект контроля; 3 — объектив; 4— корпус; 5 — сменная оптическая система; 6 — окуляр; 7 — экран видеосистемы; 8 — вид икон; 9 - объектив; 10 - передающая оптическая система; 11 — призменная насадка; 12 — зеркало 74 Конструктивно линзовые эндоскопы выполняют в виде корпуса цилиндрической формы, внутри которого размещены все элементы прибора. Общее число линзовых элементов может достигать 40...50, что приводит к основному недостатку линзовых эндоскопов - большим потерям света, поэтому в качестве источников освещения применяют лампы накаливания мощностью до 150 ВА. Бороскопы обладают высокой разрешающей способностью, но ограниченными возможностями ориентации объектива на объект (место) наблюдения. Волоконные эндоскопы (фиброскопы) снабжены набором тонких стеклянных светопроводящих нитей диаметром 10…20 мкм, собранных в жгут (рис. 5.2). Каждый элементарный светодиод покрыт снаружи тонким слоем (1-2 мкм) стекла с более низким показателем преломления. На границе "световод - оболочка" происходит полное внутреннее отражение света, что обеспечивает его прохождение по световоду с минимальным ослаблением. Спектр пропускания световода определяется свойствами материала, из которого он изготовлен. Обычные световоды из стекла прозрачны для длин волн 0,4...2 мкм. Рис.5.2. Конструкция фиброскопа Кроме передачи изображения необходимо подводить свет к объекту контроля. Для этого применяют световоды, изготовленные из беспорядочно уложенных волокон (в отличие от них для передачи изображения используют волоконно-оптические жгуты с упорядоченной структурой). С уменьшением диаметра нитей световода и с увеличением их числа качество изображения улучшается, уменьшается его "мозаичностъ". Разрешающая способность серийных световодов равна 15...20 мкм. Основное преимущество фиброскопов - их способность передавать изображение без искажения при изгибе по любому криволинейному профилю. При этом источник света располагается вне прибора, что позволяет исключить 75 нагрев изделия. Отечественной промышленностью выпускается целая гамма фиброскопов [13]. Наряду с ними в ГА используются также гибкие эндоскопы "Олимпус" японского производства и других инофирм. В настоящее время интенсивно внедряются так называемые телеэндоскопические системы (рис. 5.3), обеспечивающие трансляцию изображения на видеоноситель или экран монитора. Система резко повышает технологичность оптического контроля, который может осуществляться коллегиально, с большей достоверностью. Рис. 5.3. Телеэндоскопическая система Капиллярные (К) методы контроля. Основное назначение этих методов - выявление невидимых или слабо видимых дефектов, выходящих на поверхность (трещины, плены и другие нарушения сплошности). Они применяются преимущественно при контроле деталей из немarнитных материалов, хотя не исключено их применение для стальных и неметалпических материалов. Различают цветной, люминесцентный и люминесцентноцветной методы НК. Контроль заключается в следующем: На предварительно очищенную поверхность ОК наносят слой индикаторной жидкости (пенетрант). Под воздействием капиллярных сил пенетрант проникает в поверхностные дефекты и удерживается в них за счет сил поверхностного натяжения. Через 3...6 минут пенетрант удаляют с поверхности детали (при этом пенетрант остается в полостях дефектов) и наносят проявляющий состав. За счет сорбционных сил (явления капиллярности) часть оставшегося в полостях дефектов пенетранта извлекается проявителем, образуя на поверхности последнего индикаторный след, который можно наблюдать невооруженным глазом или с помощью лупы. Устойчивая индикация несплошностей будет в том случае, если их глубина в 76 10...20 раз превышает ширину. На практике К - методами пользуются в тех случаях, когда невозможно применить никакие другие равноценные по чувствительности методы, а, также при необходимости получения уточняющей, дополнительной информации о дефектах, обнаруженных другими методами. Чувствительность капиллярного метода контроля в условиях эксплуатации зависит от выбора комплекта применяемых дефектоскопических материалов и точности выполнения оптимальных условий контроля. Отметим наиболее важные из них. 1.Температура контролируемой поверхности пенетрантов и окружающего воздуха должна быть 20...25 С. Понижение температуры до 0 градусов снижает чувствительность К-методов. 2. Контролируемая поверхность ОК не должна иметь каких-либо покрытий (если не ставится вопрос о контроле сплошности самого покрытия). 3. Класс шероховатости поверхности должен быть не ниже 5-го. Ухудшение чистоты обработки контролируемой поверхности снижает чувствительность метода, а в ряде случаев приводит к невозможности его применения. Иногда для повышения чувствительности К-метода используют пенетранты с добавкой люминофора (люминесцентно-цветной метод) или чисто люминофорные пенетранты (люминесцентный метод). В этих случаях индикаторные следы на ОК наблюдают при освещении ультрафиолетовым светом в условиях затемнения. К преимуществам К-методов можно отнести высокую чувствительность, наглядность результатов и возможность контроля сравнительно больших поверхностей. К недостаткам – небольшой интервал температур окружающей среды (не ниже 0 С), необходимость затемнения помещения для проведения контроля и наличие источников ультрафиолетового освещения (для люминесцентного и люминесцентно-цветного методов), хорошую освещенность (для цветного метода), токсичность компонентов. Магнитопорошковый (МП) метод контроля. Метод основан на фиксации неравномерностей магнитного поля в ферромагнитном материале, появляющихся вблизи нарушения его сплошности. Для обнаружения этих неравномерностей намагниченный ОК обрабатывается магнитным порошком или суспензией. Попадая в неравномерное магнитное поле, частицы порошка притягиваются, образуя валик над дефектом, ширина которого в несколько раз превышает ширину дефекта, т.е. дефект становится видимым. Основной операцией, от которой зависит чувствительность метода, является операция намагничивания ОК. Сущность намагничивания заключается в ориентации малых областей материала, называемых доменами, под воздействием внешнего магнитного поля. Величина, характеризующая способность материала намагничиваться, 77 называется магнитной проницаемостью. Магнитный поток в намагниченной детали с ориентированными доменами не меняет своего направления, если нет дефектов. Если же на пути магнитного потока встречаются участки с пониженной магнитной проницаемостью (трещины, включения и т.п.), то часть магнитных линий как бы выходит за контур детали (рис. 5.4). Возникают местные магнитные полюсы S и N, а также магнитное поле над дефектом. Это поле фиксируется ферромагнитными частицами, которыми посыпают (поливают) ОК. В магнитной суспензии частицы находятся во взвешенном состоянии в воде, керосине, минеральном масле («мокрый» метод) или воздухе («сухой» метод). Так как магнитное поле над дефектом неоднородно, то на магнитные частицы, попавшие в это поле, действует сила, стремящаяся затянуть частицы к месту концентрации магнитных линий, т.е. к дефекту, образуется характерный черный контрастный валик. Рис. 5.4. Схема контроля методом магнитопорошковой дефектоскопии: 1 - дефект; 2 - отложение магнитного порошка МП-метод позволяет выявлять трещины с шириной раскрытия от 0,001 мм и глубиной от 0,01 мм. Намагничивание осуществляют способом приложенного магнитного поля или способом остаточной намагниченности. В приложенном магнитном поле контролируют детали, изготовленные из малоуглеродистых сталей или имеющие сложную геометрическую форму. При контроле с использованием остаточной намагниченности ОК предварительно намагничивают, а затем после снятия намагничивающего устройства на поверхность наносят магнитную суспензию или напыляют магнитный порошок. При этом виде контроля возможно намагничивание как постоянным, так и переменным током. Различают следующие виды намагничивания: циркулярное, продольное (полюсное), комбинированное [5]. Выбор вида намагничивания зависит от формы контролируемой детали и ориентации дефектов. Важно, чтобы магнитные линии пересекали дефект в перпендикулярном направлении, т.е. при продольном намагничивании выявляют поперечные дефекты, а при поперечном намагничивании - 78 продольные. Продольное (полюсное) намагничивание осуществляется с помощью электромагнитов, постоянных магнитов или соленоидных катушек. Разновидность полюсного намагничивания - поперечное намагничивание, когда деталь намагничивается в направлении меньшего размера. Циркулярное намагничивание осуществляется пропусканием тока по контролируемой детали или через проводник (стержень), помещенный в отверстие детали, имеющей форму тела вращения. При пропускании тока по деталям сложной формы выступы и другие неровности могут остаться не намагниченными до требуемой степени. В этих местах необходимо измерять напряженность намагничивающего поля и специально следить, чтобы она достигала требуемого для контроля значения. При циркулярном намагничивании направление магнитного потока перпендикулярно направлению тока, поэтому оптимально обнаруживаются дефекты, направление которых совпадает с направлением тока. Комбинированное намагничивание осуществляется при одновременном намагничивании детали двумя или несколькими разноориентированными магнитными полями. При этом можно применять любое сочетание видов тока. При комбинированном намагничивании необходимо, чтобы суммарный вектор намагниченности поворачивался относительно оси детали хотя бы под прямым углом. Это достигается применением продольного и циркулярного намагничиваний. Перед проведением контроля поверхность ОК необходимо очистить от загрязнений, коррозии, влаги и т. п. Особенно тщательно следует очищать впадины резьбы, сварные швы, галтели. Отверстия, в которые нельзя допускать проникновения магнитной суспензии, закрывают 'пленкой, ветошью или густой смазкой. Участки деталей, на которые устанавливаются электроконтакты для намагничивания, зачищают мелкой наждачной 'бумагой и обезжиривают для предотвращения прожога. Наличие на контролируемой поверхности лакокрасочного покрытия (ЛКП) толщиной более 30 мкм существенно ухудшает чувствительность контроля. Поэтому такое ЛКП удаляют, применяя различные растворители (смывки). Индикаторная среда, используемая при "сухом" методе контроля, представляет собой размельченный ферромагнитный порошок, обладающий высокой магнитной проницаемостью. При "влажном" методе контроля индикаторной средой служат тонко размельченные частицы черной окиси железа, взвешенные в легких маслах, керосине и т. п. Эту суспензию наносят на поверхность ОК разбрызгиванием или окунанием. . Для улучшения контраста на темную поверхность можно нанести тонкий слой белой нитрокраски, а затем проводить контроль. Эта операция облегчает контроль деталей с грубо обработанной поверхностью. МИД – аэрозольный магнитный индикатор черного цвета с вязкостью 79 суспензии 8,9 сСт, концентрацией порошка 20,0 г/л и размерами частиц до 10 мкм, предназначен для контроля изделий, расположенных в наклонном или вертикальном положении, при температуре 10...450 С. Преимущества метода: высокая чувствительность и надежность контроля; возможность выявления подповерхностных дефектов, залегающих на глубине до 1,5мм, а также дефектов, скрытых под слоем хрома или лакокрасочного покрытия. К недостаткам метода можно отнести трудность контроля деталей сложной конфигурации; невозможность контроля немагнитных материалов, необходимость обязательного размагничивания ОК после проведения контроля. Рентгенографический (R) метод НК. Этот метод основан на использовании проникающей способности рентгеновских лучей. Как известно, рентгеновские лучи возникают в результате торможения электронов, летящих от горячего катода, на вольфрамовое зеркало анода рентгеновской трубки. Чем короче длина волны рентгеновского излучения, тем больше его проникающая способность. Коротковолновое излучение называют "жестким", а волновое "мягким". Коротковолновое излучение имеет большую проникающую способность, оно несет в себе большую энергию, чем длинноволновое. Важным в рентгенографии является интенсивность излучения. Под интенсивностью понимается количество энергии рентгеновских лучей, падающей в единицу времени на единицу площади. Чем больше интенсивность, тем более сильное (более быстрое) действие оказывает излучение на материалы, используемые в качестве индикаторов этого излучения (например, на рентгеновскую фотопленку, экран). Тормозное рентгеновское излучение (излучение, тормозящееся полем атома) имеет сплошной спектр, подобно видимому белому свету. В связи с этой аналогией тормозное излучение иногда называют "белым". Одновременно с тормозным имеет место характеристическое излучение, спектр которого является линейчатым (практического значения в рентгеновской дефектоскопии это излучение не имеет). Очевидно, что при прохождении через материал ОК интенсивность рентгеновских лучей уменьшается. Если просвечиванию подвергается объект неодинаковой толщины и плотности, то на участках, где просвечиваемый объект имеет большую толщину или большую плотность материала (например, включение более плотного материала), интенсивность прошедших лучей будет меньше, чем на участках с меньшей плотностью или меньшей толщиной (например, раковин, пор, рыхлот, непроваров, трещин и пр.). Существует несколько способов преобразования рентгеновского излучения. В их числе фотографический, при котором изображение объекта преобразуется эмульсией рентгеновской пленки (после ее фотообработки) в светотеневое видимое изображение. Степень почернения пленки пропорциональна продолжительности и интенсивности действующего на нее 80 рентгеновского излучения. Чувствительность R-метода зависит от характера дефектов ОК, условий его просвечивания, характеристик регистраторов излучения (например, пленки). Все эти факторы влияют на четкость и контрастность рентгенограммы. Для оценки и проверки качества рентгенограмм служат эталоны, которые представляют собой набор проволочек различного диаметра (проволочные эталоны), пластинок с канавками различной глубины (эталоны с канавками) и эталоны с отверстиями или лунками. Качество снимков и выявляемость дефектов будет тем выше, чем более контрастно они выглядят на рентгенограммах. Рис.5.5. Схема рентгеновского просвечивания На рис. 5.5 показана схема прохождения рентгеновских лучей через дефектный А иди бездефектный В участки ОК толщиной d и образования почернения снимка этих участков на пленке. Оптимальные режимы контроля (напряжение на аноде, экспозиция) определяют экспериментально или с помощью специальных графиков экспозиций. Следует учитывать, что ответственные детали проходят обязательный рентгеновский контроль в заводских условиях. В условиях эксплуатации контроль самолета проводят главным образом при продлении ресурса с целью выявления состояния скрытых элементов конструкций: коррозии, трещин с большим раскрытием, отклонений в расположении частей механизмов и др. В силу специфики эксплуатационных условий рентгенографический контроль самолета в полевых условиях производится транспортабельными, облегченными рентгеновскими аппаратами типа АРИНА-6. Выбор пленки для просвечивания определяется минимальными размерами дефектов, подлежащих выявлению, толщиной и плотностью материала ОК. При контроле объектов малой толщины, изготовленных из легких сплавов целесообразно применять высококонтрастные и 81 мелкозернистые пленки. При просвечивании больших толщин следует использовать более чувствительную пленку типа «Тесла». Как упоминалось, в практической работе для определения экспозиции пользуются графиками и номограммами, которые строятся на основе данных, получаемых при просвечивании объектов из конкретных материалов при определенных плотностях почернения используемой пленки [5]. Химико-фотографическую обработку пленки производят в соответствии с рекомендациями поставщика пленки. Она включает в себя проявление, промежуточную промывку (стоп - ванну), фиксирование, ополаскивание в воде, окончательную промывку и сушку снимка. Пленка обрабатывается в фотолаборатории (обычно в темном помещении) при неактивном освещении. 5.2. Косвенные методы НК Как уже говорилось в начале главы, наряду с методами прямой визуализации в практике контроля самолетов используются и т.н. косвенные МНК (акустические, вихретоковый). Рассмотрим каждый из них. Ультразвуковой (УЗ) метод НК основан на возбуждении механических колебаний упругой среды ОК и регистрации интенсивности и времени прохождения отраженных эхо-сигналов. Диапазон используемых в практике контроля ультразвуковых колебаний 1,25...10 МГц. В зависимости от направления колебаний по отношению к распространению волны в материале ОК различают продольные, сдвиговые (поперечные) и поверхностные УЗ-волны. Если направление колебаний совпадает с направлением распространения волны, то волна называется продольной. Если направление колебаний поперечно распространению продольной волны, то она называется сдвиговой. На свободной поверхности ОК можно возбудить поверхностные волны или волны Релея, которые локализуются в поверхностном слое толщиной, соизмеримой с длиной волны. В изотропных твердых телах скорость распространения упругих волн зависит от их вида и упругих постоянных материала. В среднем она равна 6000 м/с. Для возбуждения упругих колебаний в материалах используют пьезоэлектрические преобразователи. Они представляют собой пластину, изготовленную из монокристалла кварца или пьезокерамических материалов — титаната бария, цирконата-титаната свинца и др. Под действием переменного электрического напряжения пьезопластина совершает вынужденные механические колебания, пропорциональные частоте возбуждающего тока. Если пьезопластину приложить к поверхности ОК, то в нем будут возбуждаться и распространяться упругие волны с амплитудой менее 10- 8 мм. Упругая волна в направлении распространения несет определенную энергию. Количество энергии, переносимое волной за 1 с сквозь поверхность площадью 1 м2, перпендикулярную направлению распространения волны, называется интенсивностью. Интенсивность плоской гармонической волны 82 JB = 0,5ρca2, где ρ- плотность материала; с - скорость распространения волны; а - амплитуда колебательной скорости. Однако в ультразвуковой дефектоскопии чаще измеряют непосредственно амплитудные характеристики, выраженные в логарифмических единицах — децибелах. Число децибел — это величина, на которую сигнал интенсивностью JВ с амплитудой А отличается от некоторого исходного уровня с интенсивностью JВ0 и амплитудой А0: dB=10 lg(JB/JB0)=20 lg(A/A0). (5.1) В децибелах выражают как уровень амплитуд входных сигналов, так и отраженных от дефектов эхо-сигналов. Регистрация эхо-сигналов осуществляется пьезопластиной путем преобразования в электрические импульсы отраженных волн, усиления и регистрации их на экране дефектоскопа (рис 5.6). Рис. 5.6. Изображение на экране УЗ-дефектоскопа: а – при отсутствии дефекта; б – при наличии дефекта; 1 – зондирующий сигнал; 2 – донный сигнал; 3 – сигнал от дефекта; 4 – донная поверхность; 5 – контактная поверхность; 6 - излучатель Причем усиление сигнала происходит нелинейно, а по соотношению (5.1), т.е. более мощный эхо-сигнал усиливается в меньшей степени, чем более слабый. В усилителях предусмотрена также и поправка на глубину залегания дефекта: чем дольше запаздывание эхо-сигнала, тем больше он усиливается [5]. В современных УЗ-дефектоскопах для идентификации дефекта по эхосигналу предусмотрена возможность его стробирования. Стробированием отраженного сигнала называется его выделение на экране с помощью электронных маркеров, которые автоматически настраивают измерительную систему дефектоскопа на данный сигнал (рис. 5.7). В ультразвуковой дефектоскопии различают несколько способов прозвучивания : эхо-способ, теневой и зеркально-теневой способы. Наиболее широко применяется эхо-способ, физическая основа которого была описана выше. 83 Теневой способ основан на посылке в ОК упругих колебаний и регистрации изменения их интенсивности после однократного прохождения через материал. Упругие колебания вводят в ОК излучающим преобразователем с одной его стороны, а принимают приемным преобразователем, расположенным с другой стороны (рис. 5.8). Рис. 5.7. Стробирование при УЗ-контроле: 1 – зондирующий импульс; 2 – область стробирования; 3 – донный импульс Зеркально-теневой способ является разновидностью теневого. При контроле приемную и излучающую головки устанавливают с одной стороны ОК. Регистрация изменения интенсивности упругих колебаний осуществляется после их отражения от противоположной поверхности детали (рис. 5.9). Рис. 5.8. Схема теневого УЗК: 1 – дефект; 2 – излучатель; 3 – объект контроля; 4 – приемник Рис. 5.9. Схема зеркально-теневого УЗК: 84 1 – излучатель; 2 – приемник; 3 – дефект; 4 – объект контроля Схемы контроля с двумя преобразователями, из которых один излучающий, а другой приемный, называются раздельными. В практике используют также совмещенную схему прозвучивания , в которой один пьезопластина в УЗ-преобразователе выполняет поочередно функции излучателя и приемника. Используют также и раздельно-совмещенную схему прозвучивания, где преобразователь имеет две совмещенные головки, соединенные параллельно. Сами УЗ-преобразователи подразделяют на прямые и наклонные. Прямые генерируют только продольные волны, наклонные — сдвиговые и поверхностные. Глубину и ориентацию дефектов определяют с помощью наклонных преобразователей (угол ввода УЗ-волны 30...60°). Координаты h (глубина) и L (протяженность) вычисляются по известным значениям времени t распространения УЗ-волны до дефекта и обратно, а также угла ввода α : h = 0,5сt t cos α = k1 t; L = 0,5Сt t sin α = k2 t, где k1 , k2 - коэффициенты, учитывающие скорость Сt и угол ввода α сдвиговой волны. Указанные параметры автоматически рассчитываются в измерительной части дефектоскопа и выдаются на экран блока цифровой ообработки (БЦО). Для того чтобы показания дефектоскопа были достоверны, его предварительно настраивают на стандартных образцах по параметрам срабатывания, чувствительности и работоспособности глубиномера [12]. Чувствительность контроля оценивают наименьшей площадью надежно выявляемого дефекта в данном материале. Она зависит от частоты УЗколебаний, применяемой аппаратуры, акустических свойств материала детали, чистоты обработки и кривизны поверхности, структурного состояния материала, формы ориентировки и глубины залегания дефекта. В реальных условиях могут быть выявлены трещины площадью 1 .. . 10 мм2. В эксплуатации используют портативные транспортабельные УЗдефектоскопы: УД2-12, УД-103, УД2-ВП46. Последние два прибора являются базовыми дефектоскопами нового поколения, реализующими все виды УЗК с автоматической обработкой сигналов. В ГА используются также ультразвуковые толщиномеры, работающие на принципе эхо-способа. Толщиномеры применяют для оценки степени поражения коррозией внутренней стороны обшивки планера, недоступной для прямого наблюдения. Толщина измеряемого материала определяется по времени задержки сигнала и известной скорости прохождения УЗ-волны. Отечественные толщиномеры УТ93П,102,103, «Булат-1» малогабаритны, с автономным питанием, обеспечивают измерение широких диапазонов толщин с точностью до 0,01 мм. Особое место при УЗК занимает импедансный метод, основанный на фиксации характеристик механических импедансов бездефектного и дефектного участков ОК, определяемых в точке ввода колебаний. 85 Механический импеданс Zи — отношение возмущающей силы Fк вызываемой ею колебательной скорости v частиц среды в точке приложения силы: Zи = Fк /v. При возбуждении изгибных колебаний в конструкции и нарушении ее внутренней сплошности Zи будет изменяться (увеличиваться), что и используется в данном способе дефектоскопии. Импедансный метод может быть реализован амплитудным и фазовым способами. При амплитудном способе регистрируется изменение уровня сигнала на измерительном пьезоэлементе датчика. При фазовом - дефект фиксируется по сдвигу фазы (реакции обшивки ОК на удар бойка). Импедансный метод используется для контроля клеевых соединений обшивки сотовых конструкций планера. Чувствительность импедансного метода зависит от конкретных условий его применения (наружная температура, кривизна поверхности, шероховатость поверхности). В практике большое распространение получил контроль амплитудным импедансным способом. Однако при контроле готовых панелей с мелкими и средними ячейками заполнителя (сторона ячейки 2,5...4,0 мм) и средними толщинами обшивок (0,4…0,6 мм для алюминиевых сплавов) целесообразно использовать фазовый способ. Для успешного применения импедансного метода необходимо, чтобы отношение импеданса всей конструкции к импедансу обшивки было достаточно большим. При склеивании двух слоев из одинакового материала контроль соединения возможен в том случае, если эти слои имеют разную толщину и проверка выполняется со стороны более тонкого слоя. Контроль соединений однородных слоев одинаковой толщины (например, двух металлических листов) импедансным методом обычно невозможен. Для диагностики состояния конструкции импедансным методом могут быть использованы дефектоскопы типа ДАМИ-С, «ТЭРИ» и др. Для выбора оптимальных режимов контроля и определения чувствительности импедансного метода необходимы стандартные образцы (СО) с искусственными дефектами различных размеров. Эти образцы должны иметь те же основные параметры (толщину и материал обшивки и соединенных с ней элементов, размер сотовой ячейки и т.д.), что и ОК. Длина и ширина СО могут быть меньше, чем соответствующие размеры ОК. При контроле преобразователь перемещают по поверхности ОК, наблюдая за сигнальной лампой (стрелкой миллиамперметра). В процессе контроля необходимо следить, чтобы ось преобразователя не отклонялась от перпендикулярного положения более чем на 10°. Импедансный метод может быть использован в тех случаях, когда модуль упругости материала того слоя, со стороны которого проводится контроль, достаточно велик (металлы, стеклотекстолит и др.). Контроль со стороны материалов с низким модулем упругости (мягкая резина, пенопласт и т. п.) практически невозможен. С уменьшением модуля упругости внутреннего 86 элемента чувствительность метода падает. Наибольшая чувствительность достигается в случае гладких поверхностей ОК. Увеличенная шероховатость поверхности снижает чувствительность метода. При контроле малогабаритных конструкций, особенно металлических, возможен значительный разброс показаний дефектоскопа в зонах с хорошим соединением, обусловленный резонансными явлениями в изделии. Снижение этого разброса может быть достигнуто экспериментальным подбором оптимальной частоты возбуждения поверхности ОК. Вихретоковый (ВТ) метод контроля. Этот метод универсальный, позволяет выполнять ряд технологических операций контроля: определять наличие выходящих на поверхность несплошностей, производить сортировку некоторых типов материалов по маркам, выявлять степень разупрочнения материала, определять толщину ЛКП. Физическая сущность метода вихревых токов состоит в изменении конфигурации вихревых токов (токов Фуко) в ОК в зависимости от его формы и электрофизических характеристик материала. Вихревые токи (ВТ) возникают в материале под воздействием первичного электромагнитного поля, создаваемого так нназываемый катушкой ВТП (вихретоковый преобразователь), по которой протекает переменный ток. ВТ генерируют в материале вторичное электромагнитное поле, которое воздействуя на катушку ВТП, привносит дополнительное сопротивление, пропорциональное плотности этих токов. Параметры ВТ-преобразователя будут зависеть от характера распределения ВТ в исследуемом объеме материала, который в свою очередь зависит от сплошности ОК [13]. Взаимодействие ЭМП с объектом контроля будет определяться величиной так называемого электроимпеданса или комплексным сопротивлением катушки ВТ-преобразователя: где R – активное сопротивление, Ом; ω – циклическая частота, L – индуктивность катушки, Гн. При установке ВТП на поверхность ОК в катушку индуктивности преобразователя за счет вторичного магнитного поля, создаваемого ВТ вокруг дефекта, вносятся дополнительные индуктивное (ΔωL) и активное (ΔR) сопротивления. Изменение электроимпеданса ВТП и является сигналом (признаком) наличия дефекта. Глубина проникновения ЭМП где f – частота, Гц; σ – удельная электропроводимость, МСм/м; μ0 – относительная магнитная проницаемость; μ – абсолютная магнитная 87 проницаемость материала, Гн/м. Эта глубина, как правило, невелика и не превышает 0,3…0,5 мм. Конфигурация ВТ и связанная с этим напряженность вторичного магнитного поля при заданных параметрах ВТП определяется наличием в контролируемой зоне дефектов, геометрией контролируемого участка, изменением структуры материалов. По принципу съема информации с ОК ВТ-преобразователи подразделяют на абсолютные и дифференциальные. Выходная величина Zk абсолютного преобразователя определяется интегральным значением взаимодействия полей (первичного – от катушки ВТП и вторичного – от ВТ). Дифференциальный преобразователь представляет собой комбинацию из двух абсолютных преобразователей, а его выходная величина определяется разностью величин элементарных преобразователей [5]. Сканирование ОК дифференциальным преобразователем производят в направлении, перпендикулярном ориентации дефекта. В противном случае дефект может быть не обнаружен. Схема работы абсолютного и дифференциального преобразователей представлена на рис. 5.10. ВТ-дефектоскопы выполняются, как правило, в виде малогабаритных, транспортабельных приборов с автономным питанием, что позволяет успешно использовать их в эксплуатационных условиях. Существует два типа вихретоковых дефектоскопов: статические и динамические. К статическим относятся такие дефектоскопы, преобразователи которых перемещаются вручную. К ним относятся дефектоскопы типа ТВД, «Константа ВД-1» и др. Приборы оснащены комплектами ВТП, позволяющими контролировать участки деталей различной конфигурации. В этих дефектоскопах используется амплитудно-частотный способ, при котором ВТП включается в резонансный контур автогенератора (рабочая частота 1,0…6,0 МГц). Статические дефектоскопы успешно применяются для обнаружения усталостных трещин в узлах трансмиссии вертолетов, барабанах колес, тягах, лопатках компрессоров, турбин и т. п. В процессе контроля исследуемая поверхность подвергается сканированию торцевой частью ВТП с шагом 1,5…2,0 мм. При соблюдении всех условий контроля могут быть обнаружены поверхностные дефекты (трещины) длиной от 2,0...4,0 мкм, глубиной более 0,25 мм при ширине раскрытия 2,0….20,0 мкм. 88 Рис. 5.10. Схема работы вихретоковых преобразователей: 1 — генератор; 2 — измерительный блок; 3 — абсолютный преобразователь; 4 — дифференциальный преобразователь; 5 — дефект Динамические (модуляционные) ВТ-дефектоскопы снабжены ВТП с вращающейся головкой. Использование таких преобразователей позволяет контролировать внутренние поверхности отверстий, а также других полостей с ограниченным доступом. На ряде предприятий ГА для такого рода целей используются отечественный ВТ- дефектоскоп Д-5 или "Рототест", «Phasec-2200» (ФРГ) [12]. Основные выводы: 1. Методы неразрушающего контроля используются, в основном, по отношению к бинарным объектам АТ, которые могут находиться только в одном из двух возможных состояний. 2. Наибольшее распространение в ГА получили следующие виды МНК: оптико-визуальный, капиллярные, магнитопорошковый, акустические, вихретоковый, рентгенографический. 4. Используя различные физические принципы (основы), МНК решают широкий круг задач по идентификации, а иногда и определению размеров дефектов. 5. Для успешной реализации МНК необходимо обеспечить доступность к ОК, приемлемое состояние контролируемых поверхностей и наружные температурные условия. 89 Литература 1. Смирнов Н.Н., Чинючин Ю.М. и др. Техническая эксплуатация летательных аппаратов: учебник. - М.: Транспорт, 1990. - 423с. 2. Биргер И.А. Техническая диагностика. - М.: Машиностроение 1978. -239 с. 3. Ямпольский В.И., Белоконь Н.И., Пилипосян Б.Н. Контроль и диагностирование гражданской авиационной техники. - М.: Транспорт, 1990. -184 с. 4. Волькенштейн М.В. Энтропия и информация. - М.: Наука, 1989. - 211 с. 5. Пивоваров В.А. Повреждаемость и диагностирование авиационных конструкций: учебник. - М.: Транспорт, 1994. – 207 с. 6. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. - М.: Наука, 1969. - 575 с. 7. Гишваров А.С. Анализ эксплуатационных разрушений летательных аппаратов и двигателей. – Уфа: Уфимский ГАТУ, 2003. - 289 с. 8. Лозовский В.Н., Бондал Г.В. и др. Диагностика авиационных деталей. - М.: Машиностроение, 1988. - 278 с. 9. Техническая диагностика гидравлических приводов / под ред. Башты Т.М. - М.: Машиностроение, 1989. - 262 с. 10. Дорошко С.М. Контроль и диагностирование технического состояния газотурбинных двигателей по вибрационным параметрам. - М.: Транспорт, 1984. – 128 с. 11. Машошин О.Ф. Инструментальные методы диагностики авиационной техники: учеб. пособие. - М.: МГТУГА, 2010. – 88 с. 12. Пивоваров В.А., Машошин О.Ф., Хрустиков С.Г., Коротков В.А. Диагностика и неразрушающий контроль ЛА и АД: пособие по выполнению лабораторных работ и практических занятий. - М.: МГТУГА, 2010. – 60 с. 13. Пивоваров В.А., Белоусов Г.Г. Оптико-визуальная диагностика авиационных ГТД: учеб. пособие. - М.: МГТУ ГА, 2007. 62с.
