Методы технической диагностики авиационной техники

Наряду с эндоскопами в практике диагностики проточной части ГТД все шире находят применение некоторые дефектоскопы. В частности, диски турбины контролируются на наличие микротрещин вихретоковым прибором «Фазек» (Германия), преобразователь которого закрепляется в межлопаточном канале соплового аппарата турбины. Кромки лопаток турбины проверяются индуктивным дефектоскопом ЗИТ-1СМА.

Информативность рассмотренных методов весьма высока. Рассмотренные средства контроля хорошо зарекомендовали себя в эксплуатации.

 

3. Методы обобщенной  оценки состояния технических  систем

3.1. Методы  сверток  частных  параметров контроля к обобщенному  показателю

Анализ существующих методов безразборной диагностики АТ показал, что в настоящее время каждый из методов имеет определенную область применения и позволяет оценить состояние отдельных узлов и агрегатов.  Для полного и детального контроля целесообразно использовать  совокупность различных методов.  При этом возникает необходимость обобщения диагностической информации. Существует ряд подходов к обобщенной оценке состояния технических систем. Они сводятся к выявлению информативного обобщенного параметра состояния объекта. Идея заключается в том, что процесс постепенного изменения уровня работоспособности, характеризуемый многими компонентами, описывается одномерной функцией, численные  значения которой зависят от контролируемых компонентов процесса. Такая функция рассматривается как обобщенный параметр процесса. При этом может оказаться, что обобщенный параметр не имеет конкретного физического смысла, а является математическим выражением, построенным искусственно из контролируемых компонентов  процесса.

Обобщенный параметр должен соответствовать определенным требованиям. Эти требования в числе других предусматривают обработку  частных параметров контроля, включающую:

• ранжирование по степени значимости;
• определение среди частных параметров критерия, имеющего решающее значение при постановке диагноза объекта.

Частные параметры ранжируют на 3 группы: существенные, второстепенные и несущественные.  Для каждой группы определяют  по  статистическим  данным свои весовые коэффициенты и назначают пределы допуска. Среди существенных параметров выбирается один, изменение которого полагают определяющим при оценке реакции состояния  объекта в целом.  Практическое использование такого подхода при подготовке частных параметров для включения их в  качестве составляющих в  обобщенный параметр представляется затруднительным. Поскольку статистические  данные  по  множеству ГТД не  отражают текущего состояния конкретного двигателя, то при эксплуатации по фактическому  состоянию  необходимо  использовать вместо них данные контроля. При этом для разных двигателей в  разные  моменты  времени существенность каждого параметра может быть не адекватна.  Она определяется остаточной надежностью  двигателя  по  данному  параметру. Следовательно, разбиение частных параметров на группы по их существенности для всего периода эксплуатации не представляется возможным.  Кроме  того,  в каждом конкретном случае решающее значение для оценки работоспособности ГТД  может иметь любой параметр,  уход  которого  за пределы допуска способен привести к отказу.  Таким образом,  предлагаемый подход к ранжированию  частных параметров в большей степени ориентирован для  использования  при  организации  планово-предупредительной стратегии  эксплуатации  и  не вполне применим для эксплуатации ГТД по фактическому техническому состоянию.

К обобщенному параметру предъявляются  следующие  основные требования.  Параметр должен:

• максимально характеризовать качество объекта;
• быть критичным к изменению частных параметров;
• характеризовать  наступление  критического  состояния объекта.

При свертке частных параметров к обобщенному,  необходимо решить следующие задачи:

• определить относительные значения частных параметров;
• оценить значимость частного параметра для оценки состояния объекта:
• построить  математическое  выражение  для обобщенного параметра.

Определение относительных значений частных параметров считают необходимым, поскольку состояние объекта может характеризоваться параметрами, имеющими различную размерность. Все контролируемые параметры приводят к единой системе измерения, в которой они могут быть сравнимыми. Одной из таких систем является система безразмерного (нормированного)     относительного     исчисления.    Для  каждого  параметра xi (i = 1,k)  выделяют допустимое значение xi* , при достижении которого объект теряет работоспособность и оптимальное, с точки зрения надежности, значение xiопт (как правило, оно равно номинальному значению xiн). Если в процессе эксплуатации соблюдается условие xi(t) > xi* , тогда можно записать безразмерный (нормированный) параметр (t) в виде:

                                                                (1)

Таким образом, с помощью выражения (3.1) нормируется параметр xi(t), а безразмерная нормированная величина xi /(t) изменяется с течением времени от 1 до 0. Отсюда, по величине xi/(t) судят о степени работоспособности объекта по данному параметру. Для решения частных задач предлагаются и другие нормирующие выражения применительно к конкретным случаям:

 

(t) = xi(t)/ xi0    или  (t) = xi(t)/ xiн ;

(t) = xi(t)/ xiмах ;

(t) = xi(t)/ Мxi;

(t) = [xi(t)- xiту] / xiту,

 

где  xi,  xi0 , ximax , хiту ,  Мxi - соответственно текущее, нулевое, максимальное, заданное по ТУ значения и математическое ожидание 1-го параметра.

Следовательно, нормирование параметров позволяет получить совокупность безразмерных величин, которые характеризуют состояние объекта. Однако количественно одинаковое изменение этих величин не является равнозначным по степени влияния на изменение уровня работоспособности объекта. Поэтому необходимо дифференцировать частные параметры. Этот процесс осуществляется с помощью весовых коэффициентов, величины которых характеризуют существенность соответствующих  параметров.   При оценке состояния объекта каждому из частных параметров х1, х2, …, хn ставят в соответствие весовые коэффициенты n1, n2,…,nn, удовлетворяющие тем или иным заданным критериям, причем 0<nn <1.

Степень работоспособности объекта по множеству контролируемых параметров оценивается с помощью выражения (2):

                                ,                           (2)

где QS(t) - текущее значение обобщенного параметра. Из определения обобщенного параметра следует, что чем большие величины хi(t) и ni, тем больший вклад  i -го параметра в QS(t). Весовые коэффициенты выбирают на основе использования статистических данных о физической значимости

i -го параметра и с учетом флуктуации в функциях xi(t) и ni. Обобщенный параметр можно подсчитать с помощью выражения вида (3)

 

                                 ,                   (3)

которое представляет собой нелинейное среднее. Здесь QS(t)=1, если все xi(t) =1. Кроме того, чем больше xi(t) и ni, тем больший вклад вносит слагаемое в величину QS(t).

Можно использовать и другой вариант нелинейного среднего:

                                   ,                       (4)

где при  QS(t)=1, xi(t) =1.  Для определения обобщенного параметра используется выражение для параметрического среднего, в частности

                                  ,                      (5)

где рÊ1  подбирается так, чтобы критерий давал лучшее приближение к реальным результатам  получаемым экспериментальным путем. При рассмотрении выражений для обобщенных параметров считается, что xi(t)  не меняет знака, т.е. всегда xi(t) Ê xi*. Если же учитывать знак, то каждое слагаемое в выражениях (2)-(5), стоящее под знаком суммы, дополнительно умножается на член вида   sign[xi(t)-xi*].  В этом случае выражение (2) примет вид

                        .            (6)

В тех случаях, когда в изменениях хi(t) много случайного и погрешности измерений велики, в обобщенные параметры  целесообразно вводить интегральные значения безразмерных параметров хi(t):

                                ,                         (7)

где (tj ….tj+1) - интервал обработки или контроля.

Если обобщенный параметр представить в виде произведения частных параметров

                               ,                        (8)

то  выход  любого  параметра  за  допустимые пределы,  т.е.  xi(t)=0, приводит к равенству QS(t)=0. Следовательно, выражение (8) позволяет характеризовать наступление отказа по любому из контролируемых параметров. По обобщенным параметрам предлагают определять текущий уровень работоспособности многопараметрического объекта и характер его изменения во времени. Таким образом, задача сводится к прогнозированию одномерной временной функции вида QS(t0), QS(t1) …. QS(tn) .

Наряду с очевидными преимуществами обобщенной оценки состояния технических систем, рассмотренные подходы к определению обобщенного параметра обладают определенными недостатками, затрудняющими их практическое использование.

Необходимость введения весовых коэффициентов для учета существенности нормированных частных параметров приводит к снижению объективности  общей оценки уровня работоспособности объекта, поскольку решение этой задачи базируется на использовании статистических данных без учета технологических и эксплуатационных особенностей конкретного объекта. Обобщенные и нормированные частные параметры лишены физического смысла, что также затрудняет оценку существенности их влияния на состояние объекта. Кроме того, все рассмотренные выражения для обобщенного параметра, за исключением (8), не позволяют получить однозначную характеристику наступления отказа объекта, что недопустимо при оценке состояния ГТД. В случае выхода за пределы допуска одного из нормированных параметров обобщенный параметр может иметь некоторое численное значение за счет вклада остальных частных параметров. Таким образом, оценка состояния ГТД по предлагаемым обобщенным параметрам не исключает возможности пропуска отказа по одному из частных параметров контроля. Следовательно, оценить запас работоспособности ГТД, определить сроки профилактических мероприятий при рассмотренных подходах представляется затруднительным.

Наряду с рассмотренными вариантами определения обобщенного параметра существуют подходы, основанные на использовании в качестве такового вероятности безотказной работы объекта,  а также некоторого функционала, описывающего зависимость суммарных выходных характеристик объекта от  входных.  Однако  эти  подходы также представляются в   определенной  степени  удаленными  от структурных параметров ГТД.  Анализ изменения величины вероятности безотказной работы, как правило, не позволяет сделать вывод о том,  по вине какого  элемента произошло  ее снижение. Кроме того,  эти подходы основываются на использовании статистических данных и не позволяют учесть  конкретные условия эксплуатации и фактическое состояние двигателя, а также требуют  значительного  времени  для  набора данных, в  течение которого двигатель часто морально устаревает.  При организации эксплуатации технических  систем  по ресурсу в качестве показателя работоспособности предлагают использовать величину  остаточного ресурса наименее надежного элемента объекта.  Это  позволяет  определить время наступления критического состояния,  следовательно, и сроки прекращения эксплуатации двигателя.  Однако  наименьший остаточный  ресурс  характеризует запас работоспособности двигателя по времени, но не уровень работоспособности в целом,  который определяется состоянием всех узлов и деталей,  способных привести к отказу. Следовательно, такая оценка не может считаться обобщенной.

 

3.2. Методы обобщенной  оценки состояния технических  систем по информационному критерию

Одним из  подходов к обобщенной оценке состояния технических систем является определение  количества  информации, характеризующей уровень работоспособности объекта при его контроле.  Это позволяет установить  однозначную количественную связь между пространством состояний, определяемых структурными параметрами объекта и пространством диагностических  признаков  этих  состояний.  Другими словами степень изменения работоспособности объекта характеризуется количеством информации,  получаемой при контроле. Существенным достоинством информационных оценок является возможность  рассмотрения  исследуемого объекта в его взаимосвязи с системой контроля.

Пусть JА(В) – ожидаемое значение информации, содержащееся в системе контроля В  относительно  всех  состояний объекта А. Обозначив JА(В) как среднюю информацию, содержащуюся в системе контроля относительно состояния Аi , получим:

                         

,                        (9)

где Р(Ai) - вероятность i-го состояния объекта А (i=1,n ); n - выделенное количество состояний объекта А. 

 В  соответствии с определением  условной энтропии  можно записать:

Н(А/В) = Н(АВ) – Н(В),

где Н(АВ) - энтропия сложной системы (АВ); Н(В)- энтропия системы контроля В.

Используя соотношение для JAi(B), выразим:

              ,      (10)

где Р(Bj) - вероятность нахождения системы контроля В в j–м состоянии (j=1,m ); Р(Bj/Ai) - условная вероятность j-го состояния системы контроля В при нахождении объекта А в i-м состоянии.

Теперь с учетом (9) и (10) выражение для средней информации в системе контроля о состоянии объекта Ai примет вид:

                                  (11)

или в эквивалентной форме:

                        

.                      (12)

Для решения практических задач: 

                 ,          (13)

где JAi(B) представляет собой среднее значение информации, которую можно получить  от  системы  контроля об i-м состоянии объекта. Поскольку объект и система контроля взаимосвязаны, то полагают, что каждое из состояний B  может содержать информацию  относительно какого-либо  состояния объекта A.  Информация, которую дает состояние Bj о состоянии Ai , определяется из соотношения:

                           

.                      (14)

Отсюда следует вывод, что JAi(B)  представляет собой усреднение этой информации по всем состояниям системы В при условии, что эта информация относится к состоянию Аi :