Воронеж, Воронежская область, Россия
Россия
Россия
ГРНТИ 55.01 Общие вопросы машиностроения
ГРНТИ 55.13 Технология машиностроения
Рассмотрены технологические методы повышения качества наукоемких изделий. Установлены качественные и количественные показатели объектов производства, учитывающие условия эксплуатации транспортной техники. С учетом положений алгебры Буля проведена критериальная оценка вероятности появления нештатных ситуаций при испытаниях и эксплуатации двигателей летательных аппаратов.
управление качеством, сертификация, критериальная оценка, технологичность, летательные аппараты, испытания, эксплуатация, достоверность
Введение
При изготовлении наукоемких авиационно-космических летательных аппаратов изделия проходят многократную оценку качества как для отдельных элементов, так и для изделия в сборке. В результате возникает необходимость применения новых технологических приемов, часть которых может находиться в стадии разработки или на уровне идеи. Опыт освоения в производстве ракетных двигателей показывает, что одним из наиболее перспективных направлений развития технологической науки в области управления качеством является создание комбинированных процессов обработки с наложением электрического поля, так как они расширяют технологические возможности по повышению качества и надежности изделий при изготовлении наиболее сложных и наукоемких элементов деталей, в том числе в труднодоступных для инструмента участках.
Анализ путей устранения нештатных ситуаций в процессе контроля и испытания летательных аппаратов
Заключительная часть цикла изготовления объекта включает его испытания в условиях, учитывающих наиболее значимые воздействия при эксплуатации изделия, например при выборочных ресурсных испытаниях двигателей летательных аппаратов.
Такие предполетные мероприятия выявляют отклонения от нормативных эксплуатационных показателей, не проявляющиеся при контроле и испытании элементов изделия на предшествующих стадиях жизненного цикла, в том числе связанных с процессом изготовления изделия. Устранение выявленных на этой стадии контроля отклонений может вызвать задержку сроков плановых пусков и полетов, поскольку их сложно оперативно устранить на месте эксплуатации. Поэтому требуется система создания и совершенствования технологических процессов у изготовителя, разработка мобильных технических средств контроля и испытаний у потребителя для восстановления эксплуатационных характеристик и повышения качества отдельных узлов технологическими (иногда совместно с конструкторскими) методами. По результатам испытаний оценивают уровень технологичности новых изделий, эффективность применения в производстве освоенных и вновь разрабатываемых технологических процессов для повышения качества и надежности как отдельных элементов, так и всего наукоемкого изделия, в частности с учетом требований авиационно-космической отрасли.
В работах [1-3] рассмотрены типовые примеры использования и создания комбинированных технологических процессов, направленных на совершенствование изделий на технологических стадиях их механообработки, сборки и испытания. Контроль и испытание систем обеспечивает качество прокладки гидравлических, газовых и электрических систем, расположенных, как правило, в специальных коллекторах в фюзеляже и крыльях, что предохраняет их от повреждений, исключает короткие замыкания, удобно для периодического обслуживания и восстановления работоспособности. Окончательное заключение по качеству всех систем получают по результатам испытаний систем, двигателей и изделия в сборке. При создании новых видов летательных аппаратов проводится отработка технологичности, в процессе которой оцениваются уровень унификации и стандартизации агрегатов и узлов, перспективы использования новых технологических процессов.
В настоящее время разработаны руководящие технические материалы [4; 5], содержащие нормативные требования по планированию работ, необходимых для обеспечения работоспособности изделий, заложенной при отработке эксплуатационной технологичности конструкций осваиваемых видов летательных аппаратов и их двигателей. Они включают сравнительные показатели полученной при испытаниях эксплуатационной технологичности; обеспечение требований по возможности применения прогрессивных методов выполнения технического обслуживания и ремонта; приспособленность конструкции к выполнению текущего обслуживания изделия при подготовке к полетам, а также доступ к отдельным системам с использованием унифицированного и стандартного инструмента.
В осваиваемых летательных аппаратах и двигателях в процессе отработки технологичности предусматривается [5] возможность использования по результатам испытаний агрегатно-узлового ремонта с заменой и восстановлением агрегатов с учетом фактического технического состояния, плановой проверки параметров агрегатов и блоков без их снятия с летательного аппарата и др.
Все элементы летательного аппарата и его двигателей должны быть удобными для снятия показаний в процессе испытаний, для чего предусматриваются встроенные датчики и присоединительные места для средств оценки технического состояния.
В [5] приведены типовые требования к обеспечению эксплуатационной технологичности, частично показанные в табл. 1, где представлены возможные ресурсные наработки до ремонта агрегатов летательного аппарата.
Таблица 1
Ресурсы агрегатов до ремонта
Ресурс, ч |
Количество в изделии |
Ресурс, ч |
Количество в изделии |
До 3000 |
1 |
5000-10000 |
До 7 |
3000-5000 |
До 2 |
Более 10000 |
Не менее 90 с заменой по результатам испытаний |
На рис. 1 приведены сведения [5] о трудоемкости замены (табл. 1) некоторых агрегатов при техническом обслуживании и восстановлении работоспособности (регулировка, контроль, испытание работоспособности), которая может иметь продолжительность:
- для 80 % агрегатов (в основном для радиоустройств и приборов) - в пределах 1 ч (это время, как правило, укладывается в период плановой стоянки летательного аппарата);
- для других агрегатов - в диапазоне от 1 до 8 ч (из них количество агрегатов, где время замены 6-8 ч, должно быть не более 1 % [5]).
Испытания летательных аппаратов по [5] связаны с периодичностью регламентного технического обслуживания и восстановления работоспособности авиационного летательного аппарата и его двигателей, которая оценивается в часах налета (табл. 2).
Таблица 2
Время в часах налета для технического обслуживания типовых агрегатов А-1,А-2,А-3
Периодичность выполнения работ |
А-1 |
|
А-2 |
А-3 |
Техническое обслуживание: а) после ввода изделия в эксплуатацию - не чаще чем через… |
100 |
|
300 |
900 |
б) через 1-1,5 года эксплуатации - не чаще чем через… |
200 |
|
600 |
1200 |
|
||||
Ремонт: |
Р-1 |
Р-2 |
Р-3 |
Р-4 |
а) в начале эксплуатации - не чаще чем через… |
2000 |
4000 |
6000 |
8000 |
б) через 1-1,5 года эксплуатации - не чаще чем через… |
3000 |
6000 |
9000 |
12000 |
Планирование и обоснование необходимости и сроков проведения испытаний ракетных двигателей приведены в [6].
Отработка эксплуатационной технологичности по результатам испытаний двигателей и изделий [4]
Эффективность работ, направленных на повышение эксплуатационной надежности и технологичности летательных аппаратов и двигателей авиационно-космической техники, оценивают по результатам испытаний. Такие работы разделяют на три этапа (рис. 2). Первый этап включает сбор необходимой информации, проведение анализа и систематизацию полученных материалов, где определяющую роль играют результаты испытаний.
На втором этапе создают руководящие технические материалы, отражающие вопросы эксплуатационной технологичности изделий с использованием современных технологических достижений, осуществимых у изготовителя и заказчика.
На третьем этапе выполняют контроль и испытания, оценку полноты выполнения требований и уровня эксплуатационной надежности при создании изделий.
Первый этап включает исчерпывающую исходную информацию, достаточную для проведения анализа и систематизации материалов для повышения эксплуатационной надежности летательных аппаратов и их двигателей. Такая работа проводится по основным системам, узлам и агрегатам, применяемым или планируемым к применению в процессе отработки технологичности на рассматриваемых видах летательных аппаратов и двигателей, в процессе их изготовления, транспортировки и хранения до начала эксплуатации.
При проведении работ на этом этапе учитываются материалы по качеству изделий, полученные в процессе государственных и эксплуатационных испытаний летательных аппаратов. При этом анализируются доступные сведения об эксплуатационной технологичности зарубежных летательных аппаратов и их двигателей, технологиях, применяемых для изготовления, технического обслуживания и восстановления эксплуатационных характеристик изделий.
На втором этапе работ (рис. 2) на базе результатов анализа обработанного материала первого этапа исследований разрабатывают и выдают разработчикам и изготовителям комплекты руководящих технических материалов, включающих:
- требования и рекомендации по повышению технических характеристик, эксплуатационной надежности серийных летательных аппаратов и их двигателей по результатам отработки технологичности;
- нормативные показатели по эксплуатационной надежности, качеству и технологичности осваиваемых летательных аппаратов и двигателей;
- результаты сравнительных количественных оценок эксплуатационных показателей;
- рекомендации для конструкторов и технологов по качеству, надежности и эксплуатационной технологичности, которые содержат информацию об обоснованных принятых и предлагаемых (удовлетворяющих заданным техническим требованиям) конструктивно-технологических решениях.
Основную часть работ первого и второго этапов выполняют специалисты научно-исследовательских, эксплуатационных и ремонтных подразделений. В них принимают участие специалисты опытно-конструкторских бюро и предприятий-изготовителей, но их участие имеет главным образом консультативный характер и сводится к рассмотрению и согласованию материалов по повышению качества и подбору в основном нетрадиционных технологических способов изготовления наукоемких изделий, осваиваемых в серийном производстве.
На третьем этапе рассматриваются вопросы организации работ по реализации объемов и сроков выполнения принятых технических требований и новых способов изготовления изделий, а также возможность ускоренного восстановления их работоспособности по результатам испытаний. Эти результаты должны быть подтверждены в ходе проведения государственных и эксплуатационных испытаний. При этом на всех стадиях проектирования летательного аппарата и двигателя, начиная с эскизного проекта, необходимо обеспечить эксплуатационную надежность, реализуемую в конструкции изделия при решении принципиальных вопросов обоснования компоновки, членения (разъемов), панелирования и т.п. Производство более совершенных и качественных изделий требует научного обобщения результатов испытаний и опыта эксплуатации аналогов или осваиваемых изделий.
Третий этап выполняется в основном разработчиком и изготовителем изделия. Роль представителей заказчика здесь сводится к осуществлению контроля за выполнением требований, предоставлению консультации конструкторам и технологам. Для этого на время отработки технологичности и создания нового типа летательного аппарата и двигателя заказчик выделяет высококвалифицированных специалистов-эксплуатационников, знакомых с основами конструирования и производством летательных аппаратов и двигателей, хорошо знающих вопросы технического обслуживания и ремонта. Имея доступ к документации и результатам испытаний, они могут активно участвовать в технологической проработке создаваемой конструкции, отработке технологичности, принятии конструктивных решений по членению, например, планера на агрегаты, агрегатов - на панели и узлы, а также в отработке монтажей, компоновок, разъемов и т.д.
Качество и обеспеченность применяемыми объективными средствами контроля, поддержание их хорошего технического состояния при эксплуатации обеспечивают высокий уровень предупреждения отказов (рис. 3). Информационной базой для оценки рассматриваемых методов являются сведения [6; 7] о качестве, надежности, техническом состоянии и затратах на обслуживание и ремонт объектов эксплуатации.
Формирование требований к автоматизированному поиску оптимальных технологических процессов для повышения эксплуатационных характеристик и управления качеством на примере двигателей летательных аппаратов [8]
Если рассматривать дефекты и сбои в работе двигателей транспортных средств (на стадиях испытаний, предполетной подготовки, в период эксплуатации) как случайные величины, связанные с несовершенством конструкции, технологии, ошибками исполнителей, транспортировкой, хранением, внешними факторами, то большинство из них можно предотвратить, если установить степень вероятности появления в динамических системах нештатной ситуации, оценить уровень ее значимости и сделать оперативную доработку объекта производства с целью защиты от воздействия наиболее опасных причин отказа техники.
Количество возможных нежелательных факторов () можно рассматривать как функцию
(
). Тогда степень опасности (y) их воздействия на показатели объекта (например, надежность для космических и авиационных изделий) можно принять как
, где
- допустимое (на каждом уровне испытаний или в процессе эксплуатации) отклонение полученного показателя от номинальной величины.
Между количеством рассматриваемых факторов и степенью их опасности для объекта существует формальная связь:
. (1)
Вероятность активного воздействия каждого фактора (
) на безопасность функционирования изделия при предельных отклонениях параметров
может быть представлена зависимостью
, (2)
где - вероятность единичного или кратковременного воздействия на границе допуска на параметр.
Если управление качеством изделий выполнять с учетом только технологических воздействий, то в ходе совершенствования процессов (в ряде случаев совместно с конструкторскими и организационными мероприятиями) функция (
) для освоенных в производстве объектов монотонно убывает.
При этих условиях может быть получена вероятностная оценка повышения надежности наукоемкого изделия () в зоне, наиболее опасной для эксплуатации изделия, на границе допустимых отклонений:
Здесь плотность распределения случайных факторов, воздействующих на качественные показатели, например надежность, оценивается вероятностью влияния показателя на каждый технологический прием:
где - показатель уровня значимости (интенсивности) воздействия на объект с учетом его динамичности.
Левая часть выражения (4) показывает состояние динамической системы (например, надежность) в процессе совершенствования технологии изготовления и конструкции изделия (в том числе совместно с организационными мероприятиями).
Если принять положительно действующие технологические воздействия за , то их взаимное влияние можно учесть через декартово произведение
, используемое в алгебре Буля [4]:
С учетом (7) для любого периода эксплуатации изделия (), ограниченного установленным ресурсом, показатель надежности выразится через предельно допустимую величину вероятности возникновения нештатной ситуации:
Вероятность полезного действия внешнего технологического воздействия (z), например при внедрении нетрадиционного метода обработки, на показатели качества оценивается по зависимости
Взаимное влияние факторов (z) на единое воздействие можно рассматривать [4] как реакцию каждого единичного фактора на совокупность, определяющую результирующее воздействие
. Тогда закон случайного внешнего воздействия на показатели качества изделий может быть представлен в форме, аналогичной критериальной оценке влияния факторов по алгебре Буля:
При выбранном количестве внешних воздействий и известных количественных взаимосвязях между воздействиями (z) можно получить из (10) расчетную модель, учитывающую уровень значимости и достоверности результатов испытаний:
Граничными условиями для модели (11) является выражение
где ,
- свободный член и коэффициент в регрессионном уравнении для нахождения граничных условий в модели (11).
Выражение (12) записывают через
Рассчитанный на вычислительной технике по модели (11) вариант оценки результатов испытаний позволяет ускорить поиск обоснованного решения, до предела снизить привлечение экспертов и получить достоверные управленческие решения от исполнителей рядового уровня подготовки при достаточном объеме информации по результатам испытаний.
Заключение
Разработаны требования к организации системы поддержания и повышения уровня качества двигателей и летательных аппаратов с контролем этого показателя по результатам испытаний на заключительной стадии жизненного цикла изделий.
Показано, что весь комплекс исследований по разработке и освоению наукоемких изделий можно разделить на три этапа, которые включают разработку теоретических основ методов и руководящей технической документации; испытания конкретных систем и агрегатов летательных аппаратов и их двигателей; экспериментальную проверку методов восстановления работоспособности отдельных агрегатов и эффективности их внедрения.
Разработаны рекомендации для создания нормативных материалов по повышению качества летательных аппаратов и их двигателей с учетом использования прогрессивных технологических процессов.
1. Смоленцев, В.П. Технологические методы повышения качества летательных аппаратов / В.П. Смоленцев, Б.И. Омигов, М.А. Уваров // Проблемы качества машин и их конкурентоспособности: материалы 6 междунар. науч.-техн. конф. - Брянск, 2008. - С. 445-446.
2. Омигов, Б.И. Многокритериальная оптимизация качества изделий на заключительной стадии их жизненного цикла / Б.И. Омигов, В.П. Смоленцев, А.В. Бондарь // Проектирование механизмов и машин: тр. 2 всерос. науч.-практ. конф. - Воронеж: ЦНТИ, 2008. - С. 161-168.
3. Омигов, Б.И. Обеспечение качества наукоемких изделий технологическими методами / Б.И. Оми-гов, В.П. Смоленцев // Студент, специалист, профессионал: материалы 3 междунар. науч.-техн. конф. - Воронеж: ВГТУ, 2010. - С. 13-29.
4. Сафонов, С.В. Повышение эксплуатационных характеристик деталей путем модификации по-верхностного слоя / С.В. Сафонов, В.П. Смолен-цев, А.И. Портных // Прогрессивные машиностроительные технологии, оборудование и инструменты: в 5 т.: монография / под ред. А.В. Киричека. - М.: Спектр, 2014. - Т. 3. - С. 365-406.
5. Техническая эксплуатация летательных аппаратов / под ред. А.И. Пугачева. - М.: Транспорт, 1977. - 440 с.
6. Омигов, Б.И. Практика применения экономических методов менеджмента качества продукции машиностроения / Б.И. Омигов // Нетрадиционные методы обработки: сб. науч. тр. - М.: Машиностроение, 2006. - С. 237-243.
7. Бондарь, А.В. Качество и надежность / А.В. Бондарь. - М.: Машиностроение, 2007. - 326 с.
8. Контроль и управление качеством продукции в гибкоструктурном производстве / Н.М. Бородкин, В.И. Клейменов, А.С. Белякин, В.П. Смоленцев. - Воронеж: ВГУ, 2001. - 158 с.