Rozważania w zakresie analizy uszkodzeń eksploatacyjnych pozwalają uczulić na te problemy we wdrażania nowych konstrukcji lotniczych

Transkrypt

1 Rozważania w zakresie analizy uszkodzeń eksploatacyjnych pozwalają uczulić na te problemy we wdrażania nowych konstrukcji lotniczych Wnioski kreują kierunek tworzenia nowych konstrukcji powinny one być jak najprostsze zarówno w budowie jak i w eksploatacji K.Kustroń

2 40 35 wartościowanie / opracowanie SP 30 L A T A 25 wytwarzanie eksploatacja Etapy życia SP

3 PODEJŚCIE SYSTEMOWE SYSTEM [PROFESOR ARCZEWSKI] STANOWI UPORZĄDKOWANĄ ZGODNIE Z PRAWAMI FIZYKI SKŁADNIĘ SYSTEMÓW DLA KOLEJNYCH SZCZEBLI ORGANIZACJI PODEJŚCIE SYSTEMOWE WYRAŻA SIĘ POPRZEZ PATRZENIE NA CAŁOŚĆ (SYNTEZA), POPRZEZ FUNKCJĘ ELEMENTÓW CZY PODSYSTEMÓW W CAŁOŚCI I SYNERGICZNE WSPÓŁDZIAŁANIE (INTERAKCJE) POMIĘDZY ELEMENTAMI I PODSYSTEMAMI, Z UWZGLĘDNIENIEM RELACJI PRZYCZYNOWO SKUTKOWYCH CZĘSTO NIEJAWNYCH CZY NIELINIOWYCH A NAWET ODLEGŁYCH W CZASIE

4 SYSTEMY EKSPLOATACJI

5 J SK ZY WO zjawiska korozji, pękanie, drgania materii (hałas), itd. CH Materia mikro: L O TNIC GENEZA TEMATU PRACY 3 a) obraz od strony powierzchni wypukłej Ognisko zmęczenia b) obraz strefy złomu zmęczeniowego oraz doraźnego Obraz łopatki pierwszego stopnia wirnika sprężarki silnika SO-3 zniszczonej wskutek zmęczenia materiału, pow. x2 Step 1 Eksploatacja Statków Latających lato 2011/2012 skrót slajdów Step 15 Step 5 K.Kustroń

6 Schemat analizy przyczynowo-skutkowej procesu degradacji CZAS Wymuszenia: DEGRADACJA Wewnętrzne mechaniczne opory robocze DESTRUKCJA siły napędowe siły ciężkości siły bezwładności siły sprężystości siły dyspozycyjne elektryczne cieplne Zewnętrzne USZKODZENIA Zużycie zmęczeniowe Zużycie tribologiczne Zużycie korozyjne Delaminacje itd. klimatyczne biologiczne chemiczne obsługiwania użytkowania K.Kustroń

7 Człowiek: konstruktor, technolog, użytkownik (pilot), Obsługa naziemna, Kontrolerzy ruchu lotniczego, itp... K.Kustroń

8 Przestrzeń zdarzeń i działania użytkowanie (niezawodność, bezpieczeństwo, katastrofy, ekonomia itd. ) utrzymywanie zdatności (diagnostyka, odnowa, zaopatrywanie, itd. ) działanie (sterowanie techniką, kierowanie ludźmi, oddziaływanie na technikę i ludzi profilaktyka, itd. ) S A CZ C+T+O K.Kustroń

9 From theoretical point of view

10 ULC -Urząd Lotnictwa Cywilnego / EASA - EUROPEAN AVIATION SAFETY AGENCY Przepisy i standardy międzynarodowe Kompletowaniem i aktualizacją zbiorów międzynarodowych przepisów i wymagań technicznych w zakresie techniki lotniczej zajmuje się Wydział ULC ds. Międzynarodowych Wymagań Technicznych (LTT-4) K.Kustroń

11 Przepisy i standardy międzynarodowe Od roku istotnym źródłem prawnym dla polskich osób fizycznych i prawnych prowadzących działalność w zakresie techniki lotniczej (projektowanie, produkcja i obsługa techniczna statków powietrznych, części i wyposażenia) jest prawo europejskie. Najważniejsze dokumenty w tym zakresie można podzielić na trzy grupy: rozporządzenia Parlamentu Europejskiego i Rady oraz Komisji Europejskiej, wymagania techniczne, tzw. specyfikacje certyfikacyjne (certification specifications), akceptowalne sposoby spełnienia wymagań i wytyczne (acceptable means of compliance and guidance material). Rozporządzenia są w całości wiążące i podlegają bezpośredniemu stosowaniu we wszystkich Państwach Członkowskich Unii Europejskiej K.Kustroń

12 Przepisy i standardy międzynarodowe Najważniejsze rozporządzenia związane z techniką lotniczą to: rozporządzenie (WE) 216/2008 Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 20 lutego 2008 r. w sprawie wspólnych zasad w zakresie lotnictwa i utworzenia Europejskiej Agencji Bezpieczeństwa Lotniczego oraz uchylajace dyrektywę Rady 91/670/EWG, rozporzadzenie (WE) nr 1592/2002 i dyrektywę 2004/36/WE (tzw. rozporządzenie podstawowe), rozporządzenie Komisji (WE) nr 488/2005 z dnia 21 marca 2005 r. i nr 597/2007 z dnia 31 maja 2007 r. dotyczące honorariów i opłat pobieranych przez Europejską Agencję Bezpieczeństwa Lotniczego, rozporządzenie Komisji (WE) nr 768/2006 z dnia 19 maja 2006 r. wprowadzające w życie dyrektywę Parlamentu Europejskiego i Rady 2004/36/WE w zakresie zbierania i wymiany informacji na temat bezpieczeństwa statków powietrznych korzystających z portów lotniczych Wspólnoty oraz zarządzania systemem informacyjnym, rozporządzenie Komisji (WE) nr 736/2006 z dnia 16 maja 2006 r. w sprawie metodyki prowadzenia inspekcji standaryzacyjnych przez Europejską Agencję Bezpieczeństwa Lotniczego, rozporządzenie Komisji (WE) nr 1702/2003 z dnia 24 września 2003 r. ustanawiające zasady wykonawcze dla certyfikacji statków powietrznych i związanych z nimi wyrobów, części i wyposażenia w zakresie zdatności do lotu i ochrony środowiska oraz dla certyfikacji organizacji projektujących i produkujących, rozporządzenie Komisji (WE) nr 2042/2003 z dnia 20 listopada 2003 r. w sprawie nieprzerwanej zdatności do lotu statkówlatających powietrznych oraz wyrobów lotniczych, części i wyposażenia, ak.kustroń także w Eksploatacja Statków lato 2011/2012 skrót slajdów sprawie zezwoleń udzielanych instytucjom i personelowi zaangażowanym w takie zadania.

13 Przepisy i standardy międzynarodowe Najważniejsze rozporządzenia związane z techniką lotniczą to: rozporządzenie (WE) 216/2008 Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 20 lutego 2008 r. w sprawie wspólnych zasad w zakresie lotnictwa i utworzenia Europejskiej Agencji Bezpieczeństwa Lotniczego oraz uchylajace dyrektywę Rady 91/670/EWG, rozporzadzenie (WE) nr 1592/2002 i dyrektywę 2004/36/WE (tzw. rozporządzenie podstawowe), rozporządzenie Komisji (WE) nr 488/2005 z dnia 21 marca 2005 r. i nr 597/2007 z dnia 31 maja 2007 r. dotyczące honorariów i opłat pobieranych przez Europejską Agencję Bezpieczeństwa IMPLEMENTING RULES Lotniczego, PRZEPISY WYKONAWCZE rozporządzenie Komisji (WE) nr 768/2006 z dnia 19 maja 2006 r. wprowadzające w życie dyrektywę Parlamentu Europejskiego i Rady 2004/36/WE w zakresie zbierania i wymiany informacji na temat bezpieczeństwa statków powietrznych korzystających z portów lotniczych Wspólnoty oraz zarządzania systemem informacyjnym, rozporządzenie Komisji (WE) nr 736/2006 z dnia 16 maja 2006 r. w sprawie metodyki prowadzenia inspekcji standaryzacyjnych przez Europejską Agencję Bezpieczeństwa Lotniczego, rozporządzenie Komisji (WE) nr 1702/2003 z dnia 24 września 2003 r. ustanawiające zasady wykonawcze dla certyfikacji statków powietrznych i związanych z nimi wyrobów, części i wyposażenia w zakresie zdatności do lotu i ochrony środowiska oraz dla certyfikacji organizacji projektujących i produkujących, rozporządzenie Komisji (WE) nr 2042/2003 z dnia 20 listopada 2003 r. w sprawie nieprzerwanej zdatności do lotu statkówlatających powietrznych oraz wyrobów lotniczych, części i wyposażenia, ak.kustroń także w Eksploatacja Statków lato 2011/2012 skrót slajdów sprawie zezwoleń udzielanych instytucjom i personelowi zaangażowanym w takie zadania.

14 K.Kustroń

15 SCHEMAT ORGANIZACYJNY W POLSCE WŁAŚCIWY MINISTER KOMISJA BADANIA WYPADKÓW LOTNICZYCH PAŃSTWOWY ORGAN NADZORU LOTNICZEGO PRODUCENT (właściciel świadectwa typu) UŻYTKOWNIK / WŁAŚCICIEL STATKU POWIETRZNEGO K.Kustroń

16 SCHEMAT ORGANIZACYJNY W POLSCE WŁAŚCIWY MINISTER KOMISJA BADANIA WYPADKÓW LOTNICZYCH PAŃSTWOWY ORGAN NADZORU LOTNICZEGO PRODUCENT UŻYTKOWNIK / WŁAŚCICIEL STATKU POWIETRZNEGO (właściciel świadectwa typu) W Polsce są to: Odpowiednio: w lotnictwie cywilnym (a) i państwowym (b): 1a. Minister Infrastruktury (lotnictwo cywilne) 2a. Państwowa Komisja Badania Wypadków Lotniczych 3a. Urząd Lotnictwa Cywilnego, 1b. Minister Obrony Narodowej /Spraw Wewn. (lotnictwo państwowe) 2b. Komisja Badania Wypadków w Lotnictwie Państwowym 3b. Dowódca Sił Powietrznych Dowódca Wojsk Lądowych 4a. Użytkownicy (właściciele) statków powietrznych (osoby fizyczne lub prawne), 4b. Jednostki Sił Powietrznych Jednostki Wojsk Aeromobilnych 4c. Jednostki Straży Granicznej Jednostki Państwowej Straży Pożarnej Jednostki Służb Porządku K.Kustroń

17 JAKOŚĆ EKSPLOATACYJNA Jakość projektowa Projektowanie / Konstruowanie Jakość projektowa procesu Przygotowanie procesu (produkcji, montażu, świadczenia usługi) Jakość wykonania Zakupy Realizacja procesu Sprzedaż Wskazówki dla projektantów Jakość eksploatacyjna Reklamacje opinie Uwagi Użytkowanie Diagnostyka w procesie eksploatacji

18 K.Kustroń

19 CONTINUING AIRWORTHINESS Definitions Continuing Airworthiness all of the processes ensuring that, at any time in its life, an aeroplane complies with the technical conditions fixed to the issue of the Certificate of Airworthiness and is in a condition for safe operation (ICAO Document No ) Airworthiness Fitness for flight operations, in all possible environments and foreseeable circumstances for which aircraft or device has been designed (Janes Aerospace Dictionary)

20 Utrzymywanie zdatności Definicja Zdatność techniczna SP Stan, w którym statek powietrzny jest zdatny do wykonania zadania lotniczego zgodnie z przeznaczeniem, przy określonym sterowaniu, zasilaniu, możliwych zakłóceniach w wybranej chwili i z wymaganą efektywnością Zdatność SP do lotu Stan, w którym statek powietrzny jest zdolny do realizowania wymaganego zadania zgodnie z przeznaczeniem, przy określonym oddziaływaniu otoczenia po odpowiednim zaopatrzenia, spełniając warunki odpowiedniości

21 Koncepcje kształtowania konstrukcji: konstrukcje bezpiecznego okresu użytkowania (safe-life), konstrukcje bezpiecznego uszkodzenia (fail-safe), tolerowanie uszkodzeń (damage tolerance) konstrukcje przystosowane do ciągłego monitorowania tolerowanie uszkodzeń

22 Etap wytwarzania Ciągła kontrola procesu wytwarzania Systemy zarządzania jakością NDT

23 Strategie eksploatacyjne Historycznie według bezpiecznej trwałości (resursy) SAFE LIFE według stanu technicznego ON-CONDITION - z kontrolowaniem parametrów - z kontrolowaniem poziomu niezawodności RCM, ATA MSG3 ciągłego monitorowania stanu technicznego CONDITION MONITORING Elementy główne struktury SSIs, SMIs

24

25

26

27 MAINTENANCE PROGRAM Maintenance Steering Guide (MSG) Maintenance Review Board Report (MRBR) Maintenance Planning Document (MPD) Maintenance Program

28 Diagnostyka NDT SHM

29 Structural Health Monitoring

30 ZAPEWNIENIE WYSOKIEGO POZIOMU NIEZAWODNOŚCI W: PROJEKTOWANIU WYTWARZANIU BADANIACH PROTOTYPOWYCH EKSPLOATACJI

31 CHARAKTERYSTYKI NIEZAWODNOŚCIOWE I WSKAŹNIKI NIEZAWODNOŚCI

32 Niezawodność opisywana jest przez tzw. charakterystyki niezawodnościowe, które dodatkowo zdefiniowane są poprzez właściwości przypisywane statkom powietrznym nieuszkadzalność (ogólna i operacyjna), odnawialność (podatność: naprawcza, remontowa oraz wymiana i zamiana części lub podzespołów), obsługiwalność, bezpieczność, gotowość, trwałość, efektywność, odpowiedniość

33 Funkcyjne wskaźniki niezawodności 1. Q(t) = P(T t ) 2. R(t) = 1 - Q(t) = P(T > t) dr(t) dq(t) = 3. f(t) = dt dt 1 dr(t) 4. λ(t) = R(t) dt t 5. Λ(t) = λ(τ)dτ 0

34

35

36

37 Liczbowe wskaźniki niezawodności 1. wartość oczekiwana E[T] - pierwszy moment zwyczajny zmiennej losowej T, którą interpretuje się jako oczekiwany czas pracy do uszkodzenia T T0 = E[T] = t f(t)dt = R(t)dt 2. wariancja 2 Var[T] = D [T] = σ 2 gdzie: D[T] dyspersja i σ odchylenie standardowe. Wariancja określa stopień rozrzutu zmiennej losowej T wokół wartości średniej T0.

38 Średni czas T poprawnej pracy do chwili wystąpienia uszkodzenia Jest to wartość oczekiwana zmiennej losowejτ 0 zależnością: T = E [τ 0 ] =, wyrażona t f ( t )dt 0 Oszacowanie statystyczne tego wskaźnika określa wzór: 1 n T = ti n i= 1 gdzie: n liczba badanych obiektów; ti czas, w którym nastąpiło uszkodzenie i-tego obiektu

39 Średni czas poprawnej pracy między dwoma kolejnymi uszkodzeniami Jest to wartość oczekiwana zmiennej losowej τ k, określającej czas pracy między dwoma kolejnymi uszkodzeniami: TS = E [ τ k ] = t f k ( t ) dt 0 Oszacowanie statystyczne tego wskaźnika określa wzór: 1 n Tk = tki n i= 1 gdzie: n liczba badanych obiektów, z których każdy jest po (k-1)-tej naprawie tki czas przebywania i-tego obiektu w stanie zdatności od chwili zakończenia (k-1)-tej naprawy do wystąpienia k-tego uszkodzenia

40 Inne liczbowe wskaźniki niezawodności 1 R (t ) = 2 1 R (t ) = p

41 Trendy zmian wskaźników niezawodności Analiza zmian wartości wskaźników niezawodnościowych pozwala na określenie stanu SP Dokonujemy jej za pomocą badań eksperymentalnych w rzeczywistych systemach eksploatacji statków powietrznych Wyznaczenie wartości i trendu zmian wskaźników niezawodności opiera się na obliczeniach określonej liczby statków powietrznych z całej populacji, jednak w praktyce do obliczeń przyjmujemy całą populację SP

42 Nazwa wartości statystycznej wskaźnika Średni czas do: Średnia liczba zarejestrowana w locie na jeden SP: Średnia liczba w eksploatacyjnej jednostce czasu (np. jeden rok) na jeden samolot: Odchylenie średniokwadratowe czasu na: Dla niesprawności pierwszej niesprawności 1 tn = N Dla uszkodzenia pierwszego uszkodzenia N t i=1 1 tu = N n,i N liczba SP N liczba SP niesprawności uszkodzeń t nlot 1 = LN N L t i=1 j =1 n,ij t ulot 1 = LN N t i=1 N u,i L t i=1 j =1 L liczba lotów L liczba lotów niesprawności ogółem uszkodzeń ogółem 1 N = N N n i=1 i jedną niesprawność σ En,t = 1 U = N 1 N (t i t ) 2 N 1 i=1 u,ij N u i =1 i jedno uszkodzenie σu = 1 N (u i U ) 2 N 1 i=1 Niezawodność SP jest ściśle związana z USTERKOWOŚCIĄ SP (niesprawnościami, uszkodzeniami) elementów stanowiących strukturę techniczną SP wyznaczającą jego strukturę niezawodnościową

43 OBIEKTY TECHNICZNE nienaprawialne tj. OT, dla których konstruktor nie przewidział możliwości naprawy albo ich naprawa jest zbyt kosztowna; naprawialne tj. OT, w których po uszkodzeniu istnieje możliwość dokonania napraw oraz dalszej eksploatacji.

44 Niezawodność obiektów technicznych nieodnawialnych (nienaprawialnych) - funkcję niezawodności - funkcję zawodności (dystrybuantę) - funkcję gęstości prawdopodobieństwa - funkcję intensywności uszkodzeń - funkcję wiodącą (skumulowaną intensywność uszkodzeń)

45 Niezawodność obiektów technicznych odnawialnych (naprawialnych) strumień odnowy funkcja odnowy funkcja niezawodności czas między uszkodzeniami wskaźnik odnowy

46

47 1) Wyprowadzić zależności: t = f (τ)dτ (1) R() t t (2) R() t =e λ(t )dt 0 t () t t = (3) λ() t dt f () 0 t () t t = (4) λ() t dt f () 0 2) Wyprowadzić wzory na R() t =(1 +λ t )exp( λt ) λ i E[T] t 0, λ>0 3) O ile λ() t =λ=const to jakie są chrakterystyki : R() t, Q () t, f () t, Λ() t, E[T] i Var[T]

48 Obliczanie niezawodności układów SP składa się z dużej liczby współpracujących ze sobą elementów, zespołów, podzespołów, agregatów. Niezawodność SP zależy zarówno od parametrów zawodnościowych poszczególnych jej elementów, jak również od wzajemnego powiązania tych elementów w układy funkcjonalne. Badania niezawodności układów złożonych można przeprowadzić przez za stosowanie metod opartych na teorii stochastycznych procesów Markowa, metod Monte Carlo lub opierając się na zasadach rachunku prawdopodobieństwa, przy czym metody oparte na teorii procesów Markowa mogą być stosowane do badania układów o stosunkowo niewielkiej liczbie możliwych stanów pracy. Parametry niezawodnościowe poszczególnych elementów układu określa się metodami statystycznymi. Elementy stanowiące strukturę konstrukcyjną SP mogą tworzyć różne struktury niezawodnościowe, a mianowicie: szeregową, równoległą lub złożoną.

49 Struktura niezawodnościowa SP 1 2 m R( t ) = m i= 1 Ri ( t ) Struktura szeregowa obiektu złożonego 1 2 m R( t ) = 1 m [1 R ( t ) ] i i= 1 Struktura równoległa obiektu złożonego

50 Układy mieszane Rzeczywiste układy SP w większości przypadków nie są układami o czystej strukturze niezawodnościowej szeregowej lub równoległej, lecz tworzą struktury mieszane szeregoworównoległe W układach tych można na ogół wyodrębnić szereg podukładów o strukturze niezawodnościowej szeregowej lub równoległej i podukłady te traktować jako elementy zastępcze układu. Wtedy w pierwszej kolejności oblicza się współczynniki zawodnościowe wyodrębnionych podukładów (elementów zastępczych), a następnie w zależności od powiązań podukładów w układzie oblicza wypadkowe współczynniki zawodności układu

51 KSZTAŁTOWANIE NIEZAWODNOŚCI

52 Istnieje wiele sposobów oddziaływania na niezawodność systemów. Ogólnie daje się wyróżnić: oddziaływanie na elementy oddziaływanie na strukturę niezawodnościową oddziaływanie na elementy i na strukturę niezawodnościową łącznie

53 realizacja Optymalizacja struktur niezawodnościowych kształtowanie poprzez zastosowanie metod optymalizacyjnych, nadmiarowych i rezerwowania z uwzględnieniem problemu granicznych funkcji niezawodnościowych i problemów ekonomicznych Nadmiarowa (redundacyjna) struktura niezawodnościowa systemu to każda taka struktura niezawodnościowa, w której istnieją co najmniej dwie różne realizacje wektora stanów niezawodnościowych elementów, przy których system jest zdatny. Szczególną postacią nadmiarowości jest rezerwowanie, czyli zwielokrotnianie liczby elementów lub funkcji

54 Rodzaje nadmiarów: Nadmiarowa struktura niezawodnościowa statku powietrznego - strukturalny - funkcjonalny - informacyjny - czasowy - wytrzymałościowy - parametryczny

55 Rodzaje nadmiarów: - strukturalny - funkcjonalny - informacyjny - czasowy - wytrzymałościowy - parametryczny