Метод оптимизации объема, режимов и длительности ускоренных совмещенных испытаний технических изделий типа авиационных ГТД

Актуальность работы.

В результате успехов, достигнутых научно-исследовательскими, опытно-конструкторскими и эксплуатирующими организациями за последнее десятилетие, значительно повысился ресурс высоконадежных технических систем, таких как изделия авиационной техники, изделия энергетического и общего машиностроения. Например, ресурс авиационных двигателей вырос в 2.4 раза, авиационных турбоагрегатов — в 2. 6 раз и т. д.

Наиболее достоверно ресурс определяется проведением испытаний (стендовых, эксплуатационных).

Ресурсные испытания в настоящее время представляют собой длительный и дорогостоящий процесс. Как свидетельствует практика, при создании новых моделей изделий продолжительность доводочных испытаний может составлять 63.78% общего времени разработки конструкции. По данным [56], на специальные и официальные испытания таких изделий, как авиационные ГТД приходится до 98% всех затрат, выделяемых на разработку новых конструкций двигателей. При этом затрачивается 11 000. 16 000 газочасов, наработанных в 180.230 испытаниях. Тем не менее доля отказов изделий, обусловленная конструктивными и производственными причинами, остается значительной и составляет 20.25% для маршевых ГТД, 30.35% для вспомогательных ГТД, 5 О. 5 5% для авиационных турбоагрегатов.

Большая длительность ресурсных испытаний и низкий уровень их обоснованности снижают эффективность системы управления качеством выпускаемой продукции (как серийной, так и опытной), что, в конечном итоге, требует больших затрат на перепроверку заделов и браковку изготовленной по данным техническим условиям продукции, значительно сдерживает темпы роста ресурсов технических изделий.

Переход предприятий на рыночные отношения делает в настояш-ее время еш-е более актуальной проблему повышения эффективности ресурсных испытаний.

Методы установления и продления ресурса, основанные на сборе и отработке информации о надежности изделий в период их доводки на стенде и при эксплуатации на объекте, а также путем проведения длительных (стендовых, эксплуатационных) испытаний, как требуюпдие значительного времени, становятся неприемлемыми. Поэтому для сокращения времени получения требуемой информации по результатам стендовых ресурсных испытаний и для ускоренной доводки изделий на заданный ресурс единственно возможным является проведение ускоренных испытаний (УИ), позволяющих эффективно выявлять конструктивно-производственные дефекты, проявление которых связано с наработкой.

Под ускоренными испытаниями понимают испытания, методы и условия проведения которых обеспечивают получение необходимой информации в более короткие сроки, чем в предусмотренных условиях и режимах эксплуатации.

Разработка и внедрение ускоренных стендовых испытаний позволяет:

— сократить период создания и доводки новых двигателей;

— сократить длительность и затраты на проведение периодических (комиссионных) испытаний;

— ускорить внедрение мероприятий по увеличению надежности и ресурса двигателей в процессе серийного производства путем проведения ускоренных технологических испытаний.

Проблема УИ с каждым годом становится все более важной и актуальной, так как одновременно с усложнением конструкций возрастают требования к их надежности. Преимущества, которые можно реализовать от внедрения УИ, настолько очевидны, что делают эту проблему едва ли не самой насущной на современном этапе развития теории и практики надежности сложных технических изделий.

Следует отметить, что роль УИ возрастает в связи с переходом на эксплуатацию изделий «по состоянию», поскольку для перехода на такой метод эксплуатации одним из основных требований является обеспечение высокого технического ресурса изделия, подтвержденного специальными, длительными и эквивалентными испытаниями.

Вопросы теории и практики проведения испытаний на надежность и ресурс в области авиастроения (авиационных ГТД, агрегатов, генераторов, гидронасосов и др.) нашли отражение в работах многих авторов — Н. Д. Кузнецова, В. И. Цейтлина, И. А. Биргера, В. М. Акимова, Ю. А. Ножницкого, Е. А. Гриценко, Г. И. Линко, P.A. Дульнева, В. К. Куевды, И. В. Демьянушко, A.A. Корноухова, Д. Г. Федорченко, A.A. Мухина, A.A. Ковалева, В. П. Юрикова, И. Х. Бадамшина, Р. З. Салихова, А. И. Белоусова и ряда других, которыми рассмотрены основные задачи проблемы УИ, методики составления программ УИ, а также результаты УИ двигателей [3, 4, 10, 20, 27, 31, 55, 63, 68, 69]. Теоретическое обоснование УИ авиационных ГТД впервые было дано P.C. Кинасошвили в 1959 году.

В других отраслях промышленности вопросы УИ технических изделий рассмотрены в работах A.C. Проникова [58], В. М. Благодарного [12], Р. В. Кугеля [29], А. Д. Левитануса [32], A.B. Майорова и Н. П. Потюкова [33], Н. П. Миленко и A.B. Сердюка [36], В. Г. Неймана, А. И. Перроте, Г. Д. Карташова, К. Н. Цветаева [24, 53], CA. Тимашева [65] и других [21, 52, 54-.

Анализ опыта работы предприятий авиадвигателестроения (представительств заказчика ВП 389, 246, 1896, 1894, 5418, 2013, 1916, 491) по реализации ускоренных испытаний показывает, что остаются нерешенными или требуют доработки такие вопросы как:

• создание методик: по формированию обобш[енных полетных и испытательных цикловпо определению коэффициентов соответствия испытательных циклов полетномупо формированию перечня основных деталей (по которым проводится оценка эквивалентности ускоренных и длительных испытаний) — по определению коэффициентов запаса по числу циклов для комплекта однотипных основных деталей (например, лопаток турбин) и др.;

• устранение противоречивости требований нормативно-технической документации друг другу (например, по количеству переменных режимов в программах УИ в «Положении об ЭЦИ двигателей ГА» и «Положении об установлении и увеличении ресурсов ГТД ГА»), что затрудняет реализацию требований по обеспечению воспроизведения максимального воздействия повреждаю-щих-эксплуатационных факторов и определение зачетной наработки в испытаниях на устанавливаемый ресурс;

• обоснованное задание в технических требованиях заказчика типового полетного цикла для большинства двигателей;

• обеспечение циклирования (в темпе приемистости) на «горячих» этапах (испытаниях с подогревом воздзЛа на входе в двигатель);

• разработка требований и методик, определяющих чередование «холодных» и «горячих» этапов в процессе испытаний;

• имитация на стенде эрозионной эксплуатационной среды и создание методик определения эрозионных факторов в УИ;

• обеспечение эквивалентности испытаний по газовой эрозии рабочих лопаток турбин, износу контактных уплотнений, бандажных связей, трансмиссионных подшипников двигателя (так, например, для изделия с частичным выключением охлаждения турбины в испытаниях не обеспечивается максимальная осевая сила, действующая на этих режимах в эксплуатации);

• во многих случаях, проводимые отечественными предприятиями ускоренные испытания являются ресурсными по отношению только к некоторым элементам двигателя. При этом не учитываются такие влияющие на ресурс факторы, как старение и износ материалов. Поскольку отказы элементов и агрегатов двигателя не всегда определяются тяжелыми режимами работы двигателя и часто связаны со старением и износом материала, то такие испытания, естественно, снижают достоверность оценки надежности и ресурса двигателей. Опыт зарубежных авиадвигательных фирм также показывает, что недостатком и ограничением УИ является отсутствие возможности ускоренно вырабатывать ресурсы таких узлов, как подшипники, шестерни, вспомогательные и др) тие агрегаты.

Таким образом, проблема ускоренных ресурсных испытаний современных сложных технических систем типа авиационных газотурбинных двигателей (ГТД), турбогенераторов, турбонасосных установок, гидролопаточных привод-генераторов, электроприводных насосов, их систем, узлов, агрегатов является в настояш-ее время одной из основных проблем, возникающих как на стадии доводки новых изделий, так и в процессе их серийного производства и эксплуатации.

Особо актуальна данная проблема применительно к изделиям многовариантного применения, поскольку фактор многовариантности дополнительно усложняет задачу выбора объема, режимов и длительности испытаний.

Известно [4, 35, 57], что на практике технические изделия, могут устанавливаться на нескольких типах объектов, которые, в свою очередь, эксплуатируются в различных климатических зонах и режимах. Так, например:

— двигатель ТА-6А устанавливается на самолетах Ту-154, Ил-62М, Ил-76, Ту-144 и др.;

— двигатель ТР34 устанавливается на штурмовике А-10 и противолодочном самолете 8−3А;

— вертолетный двигатель Т53-Ь-13 эксплуатируется в ФРГ на железнодорожном транспорте и устанавливается на двух типах вертолетов;

— авиационный турбогенератор ТГ-60/2СМ устанавливается на 8 типах объектов и т. д.

Данные отечественных и зарубежных источников показывают, что, в общем случае, различия в условиях эксплуатации авиационных двигателей обусловлены:

— условиями полета летательного аппарата;

— наличием различных этапов полета;

— компоновкой двигателя на самолете;

— различием объектов, на которые устанавливается данный двигатель;

— профилем полета;

— вооружением летательного аппарата;

— особенностями пилотирования.

Очевидно, что полная проверка всех эксплуатационных вариантов применения двигателя в стендовых испытаниях невозможна, и всегда требуется дополнительная проверка в эксплуатационных условиях.

Многообразие перечисленных выгпе факторов существенно усложняет решение задачи по выбору оптимальных объема, режимов и длительности УИ, включая ускоренные совмещенные испытания, которыми проверяется надежность изделия, эксплуатируемого в различных вариантах применения.

Например, существующая программа стендовых совмещенных испытаний авиационного двигателя, эксплуатируемого по шести вариантам применения, обеспечивает проверку прочностной надежности в испытаниях [39, 40, 41, 42, 44,45, 46,47, 48, 50, 59, 60, 71, 72]:

— рабочей лопатки турбины на 16,6%;

— сопловой лопатки турбины на 6,0%;

— рабочей лопатки первой ступени компрессора на 100%;

— направляющей лопатки первой ступени компрессора на 0%;

— направляющей лопатки последней ступени компрессора на 0%;

— корпуса камеры сгорания на 4,3%;

— опорного подшипника ротора на 0,2%;

— шестерни привода агрегатов на 51,8%, что свидетельствует о крайне низкой эффективности таких испытаний.

В настоящее время можно выделить несколько методов (А, Б, В, Г, Д и Е) разработки программ испытаний изделий многовариантного применения.

А. Каждый из Мэ эксплуатационных вариантов проверяется в стендовых испытаниях по отдельной программе испытаний [31].

Очевидно, что данный метод оправдан в том случае, когда число эксплуатационных вариантов применения и длительность эксплуатации незначительны (Яэ = 1.3). При большой длительности эксплуатации целесообразен переход наУИ.

При большой длительности испытаний и ТЬ > 3 такой подход является экономически нецелесообразным, а зачйстую просто нереализуем.

Б. Повреждаемость элементов изделия в различных вариантах применения отличается незначительно. В этом случае по определенному правилу один из" вариантов выбирается в качестве базового (например, для авиационного ГТДсамым тяжелым является вариант нагружения рабочей лопатки 1 ступени турбины), и на его основе разрабатывается программа испытаний [23 .

Примером является программа УИ вспомогательного двигателя ТА-6А, разработанная по типовой методике. Данный двигатель устанавливается на самолетах Ту-154Б, Ил-62М, Ил-76 и других объектах. За основу при разработке программы испытаний выбраны наиболее тяжелые для рабочей лопатки первой ступени турбины условия эксплуатации двигателя на самолете.

Основные недостатки данной программы сводятся к следуюпдему:

• расчет режима испытаний двигателя проведен с учетом только одного элемента (рабочей лопатки первой ступени тзфбины);

• отсутствует анализ нагруженности других основных элементов двигателя в эксплуатационных вариантах применения, что не позволяет обоснованно оценивать их надежность в УИ.

В. Осреднением всей полетной информации формируется среднестатистический полетный цикл двигателя [22]. Недостатком данного метода является то, что суммирование проводится по полетам, отличающимся друг от друга по на-груженности в несколько раз. При этом формируемая программа испытаний может существенно отличаться от эксплуатационной.

Г. Формирование программы стендовых испытаний проводится объединением типовых полетных профилей в группы, отличающиеся по целевому назначению [22]. Данный метод не вполне отвечает ресурсной концепции, поскольку типовые полетные профили, попавшие в одну грзшпу, могут сильно отличаться по повреждаемости основных элементов узлов [22]. Примером реализации данного метода является программа AMT, разработанная для двигателей конкретного типа летательного аппарата: истребителя, штурмовика, 5Д1ебно-тренировочного, гражданского самолета, вертолета и т. д. [35, 57, 73, 74]. Эксплуатационные варианты применения представляются в виде групп полетных профилей, отличаюш-ихся по целевому назначению. Формирование проводится на базе опроса экипажей и данных бортовых самописцев с учетом расчетных типовых профилей. Цикл испытаний формируется пзпгем объединения профилей в обобщенный полетный цикл, условно описывающий усредненное применение самолета (двигателя) по целевому назначению. Эксплуатация в различных климатических условиях в данном случае не учитывается.

Другим примером является программа SMET [73, 74], основанная на принципах AMT с некоторыми отличиями. Программа испытаний формируется как последовательность циклов, получаемых путем генерации случайной последовательности циклов из полного числа целевых профилей полета (таким образом конкретная эксплуатация моделируется в виде последовательности самолетовылетов). SMET разрабатывается отдельно для каждого типа летательного аппарата и не учитывает различий в климатических условиях эксплуатации.

Д. Формирование типовых полетных циклов проводится на основе статистической обработки эмпирических данных эксплуатации методами «падающего дождя», «полных полетных циклов» или «п-точечной схемы выделения под-циклов» [22]. При этом формирование циклов проводится не по полетным профилям, а по параметрам нагруженности элементов двигателя. Данный метод, по сравнению с выше рассмотренными, является более обоснованным, поскольку анализ эксплуатационных циклов проводится по параметрам нагруженности, непосредственно определяющих надежность двигателя. Его недостатком является неопределенность в выборе типового полетного цикла (циклов), на основе которого (-ых) в дальнейшем формируется программа УИ.

ЕТ X и и и Используется статистический метод, применяемый в радиоэлектронной промышленности [33]. При этом:

• проводится анализ условий эксплуатации изделия;

• формируется статистическая модель уровней внешних факторов (параметров окружаюпдей среды), воздействующих на изделие в эксплуатации;

• методом статистических испытаний определяется набор значений этих факторов для определенного периода эксплуатации, например квартала;

• на основе данного набора значений факторов строится циклограмма на-гружения изделия;

• по циклограмме разрабатывается программа испытаний.

Реализация данного метода:

• требует большого объема статистических данных о вероятностных значениях параметров окружающей среды;

• не учитывает комплексный характер повреждаемости элементов изделия;

• ориентирована на случайную реализацию внешних факторов в программе испытаний.

Анализ рассмотренных методов разработки программ испытаний показывает, что актуальным является разработка научно обоснованного метода выбора оптимальных значений объема, режимов и длительности УСИ, обеспечивающих проверку надежности изделий многовариантного применения при минимальных временных и материальных затратах.

Исследрванию данного вопроса в диссертационной работе уделено основное внимание.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с рядом федеральных, межотраслевых и отраслевых программ, перспективных планов работ предприятий авиационной промышленности, а также планов АН РФ и АН РБ:

— «Программа работ в обеспечении ползЛения до начала эксплуатации первоначального ресурса вновь разрабатываемых авиационных двигателей не менее 3000.5000 ч для гражданской и военно-транспортной авиации»;

— «Отраслевая научно-техническая целевая программа повышения надежности авиационной техники»;

— «Комплексная программа повышения надежности и безопасности самолетов и вертолетов ГА»;

— Координационный план научно-исследовательских работ секции «Научные основы анализа условий эксплуатации и испытаний на надежность и ресурс» научного Совета АН СССР по проблеме «Надежность и ресурс в машиностроении» за 1986. 1990 гг. и на период до 2000 г;

— «Государственная научно-техническая программа АН РБ (тема 7.2.2. „Прочность, надежность и ресурс технических изделий авиа-, энергои общего машиностроения“ (1996. 2001 гг.))».

Исследования по теме диссертационной работы проводились также в рамках грантов в области технологических проблем производства авиакосмической техники при МАТИ (1997. 2000 гг.).

Актуальность темы

исследований отражена также в Федеральной целевой Программе «Развитие гражданской авиационной техники России на 2001.2015 годы». •.

Объект исследования.

Методы ускоренных совмещенных ресурсных испытаний авиационных двигателей (вспомогательный ГТД типа ТА-6А, маршевый авиационный двигатель), их систем, узлов и агрегатовмоделирование процессов расходования ресурсаимитационное моделирование процесса эксплуатации двигателейкритерии эффективности ускоренных совмещенных испытаний, целевые функции и методология выбора оптимальных значений объема, режимов и длительности ускоренных совмещенных испытаний.

Цель работы.

Исследование и разработка метода выбора оптимальных значений объема, режимов и длительности ускоренных совмещенных испытаний технических изделий типа авиационных ГТД.

Для достижения данной цели в диссертационной работе репгались следующие задачи:

• обоснование основных критериев, характеризующих эффективность ускоренных совмещенных испытаний, их формализация, формирование целевой функции выбора оптимальных значений объема, режимов и длительности испытаний;

• разработка стратегии выбора оптимальных значений объема, режимов и длительности ускоренных совмещенных испытаний на основе предложенных критериев эффективности в стохастической и детерминированной постановках;

• исследование взаимовлияния критериев эффективности, а также влияния основных факторов на эффективность ускоренных испытаний на примере авиационного двигателя;

• разработка методики выбора оптимальных значений объема, режимов и длительности ускоренных совмещенных испытаний двигателя многовариантного применения;

• апробация методики на конкретном двигателе.

Методы исследования и аппаратура.

Методы теорий: прочности, моделирования, исследования операций, прогнозирования, воздущно-реактивных двигателей и лопаточных машин, системного анализа.

Исследование эффективности ускоренных совмещенных испытаний проводилось на основе разработанных обобщенных моделей расходования ресурса вспомогательного и маршевого двигателей методом машинного эксперимента.

Научная новизна и основные результаты исследования, выносимые на защиту.

1. Впервые проведено теоретическое обоснование и разработан метод многокритериальной оптимизации ускоренных совмещенных испытаний технических изделий многовариантного применения, эффективность которых оценивается критериями Фх, Ф2, Фз и Ф4, позволяющими:

• обеспечивать гарантированную проверку надежности изделия по всем эксплуатационным вариантам применения (критерий Ф1);

• проводить дифференцированный «зачет» в ускоренных совмещенных испытаниях эксплуатационных вариантов применения изделия (критерий Ф2), что позволяет, даже в случае отказа изделия в испытаниях, не браковать всю партию (в зачет которой проводятся испытания), а признавать изделия годными к эксплуатации по тем вариантам, эксплуатационная повреждаемость которых выработана в испытаниях;

• минимизировать материальные (критерий Фз) и временные (критерий Ф4) затраты на проведение испытаний.

2. Установлено, что наиболее эффективной для выбора оптимальных значений объема, режимов и длительности совмещенных испытаний, обеспечивающих гарантированную проверку надежности изделия, является целевая функция аддитивного вида, минимизирующая суммарную квадратичную разность между приведенными значениями повреждаемости элементов двигателя в ускоренных совмещенных испытаниях и их максимальной повреждаемости в эксплуатации.

3. Определен вид обобщенной целевой функции, основанной на рассматриваемых критериях эффективности и позволяющей оптимизировать:

• число двигателей, выделяемых на испытания;

• режимы и длительность нагружения двигателей в испытаниях;

• количество и сочетания эксплуатационных вариантов, проверяемых в ускоренных совмещенных испытаниях.

Ввиду противоречивости критериев Фь Ф2, Фз и Ф4, выбор параметров ускоренных совмещенных испытаний всегда носит характер компромиссного решения. При этом область компромиссных решений определяется методом Па-рето по функционапам Фь Ф2, Фз и Ф4, а окончательный выбор параметров ускоренных совмещенных испытаний проводится разработчиком программы из области оптимальных по Парето компромиссных решений.

4. Проведено исследование оптимальной области ускоренных совмещенных испытаний авиационного двигателя многовариантного применения и определено влияние на эффективность испытаний количества элементов, определяющих надежность и ресзфс двигателя, числа участков нагружения, на которых проводится оптимизация параметров испытаний, количества испытываемых двигателей.

5. По результатам исследования разработана методика выбора оптимальных значений объема, режимов и длительности ускоренных совмещенных испытаний, которая:

• применима как для короткоресурсных двигателей (решается задача минимизации объема испытаний), двигателей большого ресурса (решается задача минимизации длительности испытаний), так и для случая, когда обе задачи решаются совместно;

• позволяет оптимальным образом определять число обобщенных полетных циклов из всего спектра эксплуатационных вариантов применения;

• остается неизменной при уточнении условий эксплуатации двигателя: при этом только уточняются объем, режимы и длительность совмещенных испытаний.

В частном сл5Д1ае, когда двигатель эксплуатируется по одному варианту, ускоренные совмещенные испытания вырождаются в ускоренные эквивалентные испытания, а принцип гарантированной проверки надежности двигателяв принцип эквивапентности.

6. Применение методики для маршевого авиационного двигателя, эксплуатируемого по шести вариантам применения, позволило повысить эффективность ранее разработанной программы совмещ, енных испытаний в 4,5 раза по критерию гарантированной проверки надежности, а по количеству эксплуатационных вариантов, проверяемых одновременно в испытаниях — в 2,5 раза.

Практическая значимость.

Практическая значимость работы заключается в доведении результатов исследований до инженерной методики выбора оптимальных значений объема, режимов и длительности ускоренных совмеш: енных испытаний, эффективность которой апробирована на конкретных двигателях многовариантного применения.

Применение методики позволяет на практике обоснованно уменьшить временные и материальные затраты на проведение ускоренных ресурсных испытаний, что, в конечном итоге, ведет к сокращению сроков создания и внедрения в процесс серийного производства новых двигателей.

Внедрение.

Результаты работы использовались при оптимизации параметров опытной программы ускоренных совмещенных испытаний маршевого двигателя многовариантного применения в ФГУП НПП «Мотор» и внедрены в виде методики, инструкции пользователя и программы оптимизации параметров испытаний на ПЭВМ.

Разработанная методика рекомендована для обоснования программ совмещенных испытаний и других двигателей многовариантного применения.

Результаты работы внедрены также в учебном процессе УГАТУ в курсах «Основы надежности и испытания АД», «Эксплуатационная надежность ЛА и АД» специальности 652 700 «Испытания и эксплуатация авиационной и ракетно-космической техники».

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы энергомашиностроения», Уфа, УГАТУ, 1996 г.- научно-технической конференции «Проблемы машиноведения, констрзАционных материалов и технологий», Уфа, АНРБ, 1997 г.- II конгрессе двигателе строителей Украины «Прогресс — Технология — Качество», Рыбачье, ХАИ — ХГПУ, 1997 г.- Международной на5Д1но-технической конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестрое-ния в Поволжском регионе», Самара, СГАУ, ФПГ «Двигатели ПК» 1997 г.- Китайско-российском симпозиуме по авиационным двигателям, Нанкин, Китай, 1997 г.- Всероссийской научно-технической конференции «Технологические проблемы производства элементов и узлов изделий авиакосмической техники», Казань, КГТУ, 1998 г.- Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы двигателестроения», Уфа, УГАТУ, 1999 г.- Международной научно-технической конференции «Современные научно-технические проблемы гражданской авиации», Москва, МГТУ ГА, 1999 г.- Международной научно-технической конференции «Современные проблемы машиностроения», Гомель, ГНИ — АО «ОКБ Сухого», 1999 г.- Объединенной международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития двигателе-строения в Поволжском регионе» и «Проблемы конструкционной прочности двигателей», Самара, СГАУ — ЦИАМ — ФПГ «Двигатели НК"1999 г.- Республиканской конференции «Проблемы энергои ресурсосбережения в Республике Башкортостан», Уфа, 1999 г.- Международной конференции «Надежность и ка.

22 чество в промышленности, энергетике и на транспорте", Самара, 1999 г.- 36-ой AIAA/ASME/SAE/ ASEE объединенной конференции, Хантсвилл, штат Алабама, США, 2000 г.

Публикации.

По результатам выполненных исследований опубликовано 15 печатных работ, из которых 9 статей, 6 тезисов докладов.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы (77 наименований) и трех приложений,.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Впервые проведено теоретическое обоснование и разработана методика выбора оптимальных значений объема, режимов и длительности ускоренных совмещенных испытаний технических изделий многовариантного применения.

2. Для оценки эффективности ускоренных совмещенных испытаний предложены критерии Фь Фг, Фз и Ф4, применение которых при выборе параметров испытаний позволяет повысить их эффективность за счет:

• повышения уровня гарантированной проверки надежности изделия по всем эксплуатационным вариантам применения (критерий Ф1);

• дифференцированного «зачета» в ускоренных совмещенных испытаниях эксплуатационных вариантов применения изделия, начиная от наименее нагруженного и кончая наиболее нагруженным вариантом применения (критерий Фг), что позволяет, даже в случае отказа изделия в испытаниях, не браковать всю партию (в зачет которой проводятся испытания), а признавать изделия годными к эксплуатации по тем вариантам, эксплуатационная повреждаемость которых выработана в испытаниях;

• минимума материальных (критерий Фз) и временных (критерий Ф4) затрат на приведение испытаний.

3. Определена целевая функция, основанная на критериях эффективности Фь Ф2, Фз и Ф4 и позволяющая проводить оптимизацию испытаний с учетом одновременно нескольких элементов и характеристик расходования ресзфса двигателя. При этом определяются оптимальные значения:

• числа двигателей, выделяемых на испытания;

• режимов и длительности нагружения двигателей в испытаниях;

• количества и сочетания эксплуатационных вариантов, проверяемых в ускоренных совмещенных испытаниях.

4. Ввиду противоречивости критериев Ф], Ф2, Фз и Ф4, выбор оптимальных параметров ускоренных совмещенных испытаний всегда носит характер компромиссного решения. При этом область компромиссных решений определяется методом Парето по функционалам Фь Фг, Фз и Ф4, а окончательный выбор параметров ускоренных совмещенных испытаний проводится разработчиком программы из области оптимальных по Парето компромиссных решений.

При стохастическом подходе гарантированная проверка надежности изделия в испытаниях обеспечивается с вероятностью у снизу и вероятностью р сверху.

5. Исследование оптимальной области ускоренных совмещенных испытаний авиационного двигателя показало, что:

• наиболее эффективной для выбора оптимальных значений объема, режимов и длительности совмещенных испытаний является целевая функция аддитивного вида, минимизирующая суммарную квадратичную разность между приведенными значениями повреждаемости элементов двигателя в ускоренных совмещенных испытаниях и их максимальной повреждаемости в эксплуатации;

• увеличение количества элементов ведет к увеличению длительности испытаний и к более существенному снижению эффективности по критерию гарантированной проверки надежности. Для рассматриваемого двигателя увеличение количества элементов от 1 до 8 ведет к увеличению длительности испытаний в 3,4 раза, и к снижению их эффективности по критерию Ф1 в 14 раз;

• существует пороговое значение числа участков нагружения, выше которого уровень гарантированной проверки надежности практически не меняется;

• существует пороговое (минимальное) значение количества испытываемых двигателей, при котором с заданной точностью обеспечивается гарантированная проверка надежности двигателя по всем эксплуатационным вариантам применения.

• увеличение количества испытываемых двигателей ведет к увеличению длительности испытаний и к более существенному росту эффективности по критерию Ф1: увеличение количества двигателей от 1-го до 4-х длительность испытаний возрастает в 2 раза, а их эффективность по критерию гарантированной проверки надежности возрастает в 6 раз.

6. По результатам исследования разработана методика выбора оптимальных значений объема, режимов и длительности ускоренных совмещенных испытаний, которая:

• применима как для короткоресурсных двигателей (решается задача минимизации объема испытаний), двигателей большого ресурса (решается задача минимизации длительности испытаний), так и для случая, когда решается задача по одновременному уменьшению объема и длительности испытаний;

• позволяет оптимальным образом определять число обобщенных полетных циклов из всего спектра эксплуатационных вариантов применения;

• остается неизменной при уточнении условий эксплуатации двигателя: при этом только уточняются объем, режимы и длительность совмещенных испытаний:

В частном случае, когда двигатель эксплуатируется по одному варианту применения ускоренные совмещенные испытания вырождаются в ускоренные эквивалентные испытания, а принцип гарантированной проверки надежности двигателя — в принцип эквивалентности.

7. Применение методики для авиационного двигателя, эксплуатируемого по шести вариантам применения, позволило определить значения режимов и длительности испытаний, которые в отличие от серийных испытаний обеспечивают более высокий уровень гарантированной проверки надежности его основных элементов.

Сравнение эффективности опытной и серийной программ совмещенных испытаний по уровню гарантированной проверки надежности показало, что опытные совмещенные испытания в 4,5 раза эффективнее серийных, а по числу эксплуатационных вариантов, проверяемых в испытаниях — в 2,5 раза эффективнее серийных.

8. Разработанный метод выбора оптимальных значений объема, режимов и длительности испытаний позволяет обоснованно проводить ресурсные испытания изделий многовариантного применения, минимизируя временные и материальные затраты на их проведение.