ANALIZA NIEZAWODNOŚCI UKŁADÓW HYDRAULICZNYCH WSPOMAGAJĄCYCH SYSTEMY STEROWANIA STATKÓW POWIETRZNYCH

Transkrypt

1 PROBLEMY EKSPLOATACJI 195 Marek ZBOIŃSKI, Jarosław SPYCHAŁA, Maciej DELIŚ Instytut Techniczny Wojsk Lotniczych, Warszawa ANALIZA NIEZAWODNOŚCI UKŁADÓW HYDRAULICZNYCH WSPOMAGAJĄCYCH SYSTEMY STEROWANIA STATKÓW POWIETRZNYCH Słowa kluczowe Statki powietrzne, układy hydrauliczne, kontaminacja, wskaźniki niezawodnościowe, prognozowanie. Streszczenie Problem wpływu zanieczyszczeń na układy hydrauliczne i problemy związane z uszkodzeniami zużyciowymi par współpracujących zespołów hydraulicznych, które prowadzą do awarii całego systemu są niezwykle ważne w procesie eksploatacji statków powietrznych. W dostępnej literaturze krajowej brak jest szerszych opracowań ujmujących problematykę dotyczącą badań wrażliwości zanieczyszczeniowej układów hydraulicznych w kontekście diagnostyki eksploatacyjnej. Pojęcie badanie wrażliwości zanieczyszczeniowej urządzeń układów hydraulicznych ma różne znaczenie dla producenta i użytkownika. Producent przeprowadza przede wszystkim sprawdzenie poprawności konstrukcyjnej, właściwego doboru materiałów, tak aby wyrób miał odpowiednie wskaźniki techniczne, niezawodnościowe i eksploatacyjne przy zapewnieniu korzystnych dla producenta wskaźników ekonomicznych. Użytkownik natomiast pragnie posiadać wiedzę na temat wskaźników eksploatacyjnych zapewniających określoną trwałość urządzenia i możliwość prognozowania czasu bezawaryjnej pracy, czyli bezpieczeństwa i niezawodności działania układu.

2 196 PROBLEMY EKSPLOATACJI Wprowadzenie Pod pojęciem wrażliwości zanieczyszczeniowej dla układów hydraulicznych rozumie się tolerancje urządzenia na poziom zanieczyszczenia cieczy roboczej, przy którym spełnia ono swoje funkcje i zachowuje założoną sprawność techniczną, niezawodność działania i trwałość w czasie eksploatacji. Pierwsze próby określenia wpływu zanieczyszczeń na urządzenia układów hydraulicznych i opracowanie sposobu ograniczenia tego wpływu podjęto w latach [3]. Na początku lat osiemdziesiątych Departament Warunków Technicznych Mechaniki i Inżynierii Elektrycznej Ministerstwa Przemysłu Wielkiej Brytanii sfinansował Brytyjski Program Kontroli Zanieczyszczeń w układach hydraulicznych [9]. W Niemczech prowadzano prace badawcze na największą skalę w Europie w kilku ośrodkach, głównie w Instytucie Sterowania i Napędu Hydraulicznego i Pneumatycznego w Akwizgranie pod kierunkiem prof. Wolfganga Backe oraz w Dusseldorfie pod kierunkiem prof. G Masbauma [3]. Najszersze badania dotyczące wrażliwości zanieczyszczeniowej przeprowadzano w USA w Centrum Badań Hydrauliki Siłowej na Uniwersytecie Stanu Oklahoma przez zespół prof. E.C. Fitcha [3]. W dostępnej literaturze krajowej brak jest szerszych opracowań ujmujących problematykę dotyczącą badań wrażliwości zanieczyszczeniowej układów hydraulicznych w kontekście diagnostyki eksploatacyjnej. Problemem tym zajmują się obecnie ośrodki naukowe w USA i Australii [6]. W Polsce problem ten został podjęty przez zespół pracujący w Instytucie Automatyki Przemysłowej Politechniki Warszawskiej. Badano wpływ kontaminacji materialnych i podjęto próbę zbudowania urządzenia określającego stopień zanieczyszczenia cieczy dla układów hydraulicznych przez pomiar sił kolmatacji [3]. W Instytucie Lotnictwa prowadzone były prace z zakresu kontroli zanieczyszczeń oraz badań produktów zużycia w aspekcie materiałowym oraz w celu prognozowania zużycia elementów hydraulicznych, paliwowych i smarowniczych [8]. Problem wpływu zanieczyszczeń na układy hydrauliczne i problemy związane z uszkodzeniami zużyciowymi par współpracujących zespołów hydraulicznych, które prowadzą do awarii całego systemu są niezwykle ważne w procesie eksploatacji statków powietrznych [9]. W Instytucie Technicznym Wojsk Lotniczych w Warszawie podjęto badania klasy czystości cieczy hydraulicznych z użyciem automatycznego licznika cząstek na początku lat dziewięćdziesiątych dwudziestego wieku. Badania czystości cieczy podejmowane były w trakcie badań wypadków lotniczych. W latach podjęto badania określające wrażliwość zanieczyszczeniową urządzeń hydraulicznych z uwzględnieniem układów szczególnie ważnych z punktu widzenia bezpieczeństwa lotów. Podjęto prace w kierunku opracowania modeli określających wrażliwość zanieczyszczeniową zespołów hydraulicznych wspomagających systemy sterowania statków powietrznych w oparciu o wiedzę o poziomie kontaminacji (zanieczyszczenia) cieczy roboczej tolerowanej przez układ w procesie diagnozowania i możliwości prognozowania czasu bezawaryjnej pracy urządzenia.

3 PROBLEMY EKSPLOATACJI Układy hydrauliczne wspomagające systemy sterowania statków powietrznych Zespoły hydrauliczne wspomagające systemy sterowania wykorzystywane są od kilkudziesięciu lat. Ze względu na ich charakterystyki są one na chwilę obecną podstawowym zespołem. Przy małej masie umożliwiają uzyskanie dużych sił i momentów. Płynność ruchu jest zdecydowanie lepsza w porównaniu z napędem elektrycznym czy pneumatycznym. Jednym z głównych mankamentów układów hydraulicznych jest zachowanie szczelności połączeń i wrażliwość na zanieczyszczenie cieczy roboczej. Systemy sterowania wymagają płynnego przekazania ruchu z drążka sterowego SP na powierzchnie sterowe i chociaż, jak pokazano na rys. 1, może być to sygnał elektryczny wykonanie przekazania ruchu należy do zespołu hydraulicznego. 1. Układ mechaniczny Układ ze wspomaganiem hydraulicznym 3 3. Układ fly-by-wire 5 sygnał elektryczny 4 4. Układ ze "sztuczną statecznością" - adaptacyjny sygnał sygnał elektryczny 6 elektryczny 4 Rys. 1. Rozwój systemów sterowania samolotem: 1 drążek sterowy; 2 powierzchnie sterowe; 3 wzmacniacz hydrauliczny; 4 serwomechanizm; 5 czujnik położenia drążka sterowego; 6 centralny procesor parametry lotu dane z innych czujników

4 198 PROBLEMY EKSPLOATACJI Główne zespoły układu hydraulicznego wspomagającego systemy sterowania to wzmacniacze hydrauliczne (silniki hydrauliczne, serwomechanizmy), które bezpośrednio oddziałują na powierzchnie sterowe. Pary suwakowe, obrotowe, elementy dławiące, kanały przepływowe tych zespołów wykonane są z bardzo dużą dokładnością i pasowane z bardzo małymi luzami, rzędu kilku mikrometrów oraz bardzo precyzyjnymi małymi przykryciami otworów przepływowych i kanałów. 2. Statystyka uszkodzeń układów hydraulicznych występujących w eksploatacji Analizie poddano statki powietrzne eksploatowane w lotnictwie Sił Zbrojnych RP. Podstawę wyznaczenia wskaźników niezawodności stanowiły dane samolotów typu Su-22 i wzmacniaczy typu BU-220, BU-250, BU-45 układów wspomagania systemów sterowania statków powietrznych oraz uszkodzenia spowodowane zanieczyszczeniami cieczy roboczej [1]. Analizę statystyczną przeprowadzono na podstawie danych z bazy SAN oraz danych pobranych z opracowanych analiz statystycznych przez ITWL. Opracowany został system identyfikacji zespołów i elementów hydraulicznych, który pozwolił na sortowanie i przygotowanie danych do utworzenia Bazy Danych Uszkodzeń Zespołów Hydraulicznych. Na podstawie tej bazy można było wyznaczyć wskaźniki niezawodnościowe, które opisują problem uszkodzeń elementów i zespołów układów hydraulicznych w procesie eksploatacji statków powietrznych. Następnie, wykorzystując metodę wyrównania wykładniczego, przeprowadzono prognozowanie wybranych wskaźników niezawodności [4]. Tabela 1. Liczba uszkodzeń statków powietrznych, płatowca, instalacji hydraulicznej i wzmacniaczy hydraulicznych w SZ RP (na podstawie bazy danych SAN) Suma uszkodzeń [N] SP Liczba N płatowca Liczba N inst. hyd N inst.hydr 100% N patowca Liczba N Wzmacniacz Analiza wykonana została z wykorzystaniem opracowanego m.in. przez autora systemu identyfikacji uszkodzeń elementów i zespołów układów hydraulicznych. Wskaźniki niezawodności wyznaczone zostały wg zależności stosowanych w procedurach wykorzystywanych w Zakładzie Niezawodności i Bezpieczeństwa ITWL. Zgodnie z założeniami obliczono wskaźniki niezawodności i wykonano dla nich prognozowanie.

5 PROBLEMY EKSPLOATACJI 199 Liczba uszkodzeń y = - 0, x 6 + 0,0156x 5-0,3866x 4 + 1,9432x ,43x 2-435,87x ,1 R 2 = 0, y = 0,001x 5-0,0331x 4-0,1638x ,115x 2-85,364x + 669,53 R 2 = 0, Lata Rys. 2. Liczba uszkodzeń płatowca i instalacji hydraulicznej statków powietrznych SZ RP w latach z prognozą na kolejne lata 3. Prognozowanie W celu określenia przebiegu wskaźników niezawodności układów i elementów instalacji hydraulicznej w najbliższych latach przeprowadzono ich prognozowanie (rys. 3 4). Narzędziem był program oparty na metodzie wyrównania wykładniczego oraz sztucznych sieci neuronowych opracowany w Zakładzie Niezawodności i Bezpieczeństwa ITWL. Wyrównywanie wykładnicze jest popularną metoda prognozowania dla wielu typów danych szeregów czasowych. Sieci neuronowe wykorzystywane do prognozowania szeregów czasowych opierają się na wykorzystaniu zdolności sieci do znajdowania prawidłowości w zbiorze uczącym. Opisując w formie skróconej najprostszą sieć neuronową przeznaczoną do prognozowania, można powiedzieć, że składa się z dwóch warstw neuronów, których połączenie składa się z warstw ukrytych. Neurony to elementarne komórki przekształcające sygnał wejściowy lub sygnały w jeden sygnał wyjściowy. Warstwowa sieć neuronowa zbudowana jest w ten sposób, że neurony n-tej warstwy pobierają dane od neuronów warstwy n-1, same są źródłem danych dla warstwy neuronów n+1. Rys. 3. Prognoza wystąpienia uszkodzeń instalacji hydraulicznej samolotów typu Su-22

6 200 PROBLEMY EKSPLOATACJI Rys. 4. Prognoza wystąpienia uszkodzeń wzmacniaczy instalacji hydraulicznej samolotów 4. Skutki uszkodzeń układów hydraulicznych wspomagających systemy sterowania Amerykańskie Krajowe Stowarzyszenie Napędów Hydraulicznych NFPA ustaliło trzy stopnie uszkodzeń układów hydraulicznych [5]: katastrofalny element układu przestaje nagle działać, np. wskutek zatarcia; degradacyjny zmniejszenie sprawności działania elementu nie może dalej pracować; przejściowy np. zacinający się zawór w systemie serwozaworów elektrohydraulicznych. Wzorując się na tych zaleceniach, autor starał się wyznaczyć stany niezawodnościowe wzmacniacza hydraulicznego ze względu na obecność zanieczyszczeń w układzie. W celu określenia trwałości czasu poprawnej pracy wzmacniacza dla danej klasy czystości cieczy roboczej zostały zdefiniowane jego stany niezawodnościowe, które można scharakteryzować funkcją zdatności, przyjmując jednocześnie następujące założenia: F(t) = 1 dla Y(t) Q gr wzmacniacz w stanie zdatności, F(t) = 0 dla Y(t) Q gr wzmacniacz w stanie niezdatności, gdzie: Y(t) zbiór cech zdatności wzmacniacza w chwili t, Q gr zbiór wartości granicznych. Dla tak postawionego założenia określamy zdarzenia związane z funkcją zdatności jako uszkodzenie dla F(t) = 1 i przeciwne jako naprawa dla F(t) = 0. Zmiana charakterystyk wzmacniacza związana jest ze wzrostem ilości zanieczyszczeń w układzie. Opisują to m.in. przebiegi zmian parametrów charakterystycznych w czasie w zależności od klasy czystości cieczy roboczej i wskaźnika

7 PROBLEMY EKSPLOATACJI 201 WZ wzmacniacza hydraulicznego. Znając te charakterystyki, zostały określone stany wzmacniacza w poszczególnych przedziałach czasowych badań, jakie przeprowadzono w ITWL. Klasa czystości F(t) 0,52 0,47 0,47 0,375 0,25 0,03 λ(t) 0,72 0,63 0,63 0,47 0,28 0,028 0,8 0,7 0,6 Wartość wskaźników 0,5 0,4 0,3 F(t) Intensywność uszk 0,2 0, Przedziały klasy czystości wg GOST Rys. 5. Zależność stanów niezawodnościowych wzmacniacza hydraulicznego od klasy czystości cieczy roboczej Na podstawie analizy badań sytuacji awaryjnych układów hydraulicznych w ITWL można określić skutki uszkodzeń wzmacniaczy hydraulicznych dla bezpieczeństwa latania. Do podstawowych należą: 1. Brak zasilania wzmacniacza hydraulicznego z obu instalacji hydraulicznych: brak możliwości sterowania samolotem; odczuwalne szarpanie drążka sterowego; samoczynne poprzeczne wychylanie się drążka sterowego; odczuwalne opory przy poprzecznym wychylaniu drążka sterowego. 2. Zablokowanie elementu rozdzielczego: brak możliwości wychylania drążka sterowego i powierzchni sterowych (brak możliwości sterowania samolotem); wzrost sił potrzebnych do wychylenia drążka sterowego.

8 202 PROBLEMY EKSPLOATACJI Zablokowanie głównego elementu rozdzielczego i dublującego elementu rozdzielczego: brak możliwości poprzecznego wychylania drążka sterowego i powierzchni sterowych; niewielkie szarpanie drążkiem sterowym (nadmierne tarcie suwaka rozdzielczego we wzmacniaczu). 4. Niestabilna praca (korki powietrzne w instalacji hydraulicznej, niezgodne z WT progi nieczułości): przemieszczanie się drążka sterowego z dużymi oporami; drgania drążka sterowego i powierzchni sterowych; chodzenie drążka sterowego z niewielkim wychylaniem się powierzchni sterowych. Symptomy opisane w punkcie 3 i 4 mogą występować również w przypadku niewłaściwego montażu wzmacniaczy. Podsumowanie Na podstawie przeprowadzonej analizy literatury i danych statystycznych uszkodzeń można stwierdzić, że: zebrane dotychczas w ITWL dane statystyczne wskazują, że uszkodzenia instalacji hydraulicznych stanowią około 15% wszystkich uszkodzeń statku powietrznego. Z analizy charakteru uszkodzeń zespołów hydraulicznych wynika, że około 30% z nich spowodowane jest złym stanem czystości cieczy roboczej, skutki uszkodzeń wzmacniaczy hydraulicznych dla bezpieczeństwa latania mogą się objawiać m.in.: brakiem możliwości sterowania samolotem, odczuwalnym szarpaniem lub oporami przy wychylaniu, samoczynnym wychylaniem się drążka sterowego, wzrostem sił potrzebnych do wychylenia drążka sterowego, drganiami drążka sterowego i powierzchni sterowych, chodzeniem drążka sterowego z niewielkim wychylaniem się powierzchni sterowych, w lotniczych układach hydraulicznych najbardziej czułym zespołem są wzmacniacze hydrauliczne. Ich trwałość i utrzymanie niezmiennych charakterystyk w czasie pracy ma niepodważalne znaczenie dla bezpieczeństwa lotu statku powietrznego. Bibliografia 1. Analiza niezawodności samolotów i śmigłowców w Wyd. ITWL, Warszawa Bieńczak K., Lewitowicz J., Wolski J.: System ewidencji, oceny i prognozowania stanu technicznego układów łożyskowania silników lotniczych i pokładowych instalacji hydraulicznych. 4 th International Conference Aircraft and Helikopters Diagnostics AIRDIAG 95, Warszawa Borowik S.: Wprowadzenie do inżynierii kontaminacji cieczy roboczych i precyzyjnych urządzeń płynowych. Konferencja Naukowo-Techniczna Problemy czystości lotniczych cieczy roboczych, Wrocław 1989, s

9 PROBLEMY EKSPLOATACJI Lewitowicz J.: Badania zużycia pomp hydraulicznych. Materiały Sympozjum Hydrostatyczny Napęd i Sterowanie Maszyn, Zanieczyszczenia w cieczach hydraulicznych, nr 2/77, IAP, Politechnika Warszawska, Warszawa Sobańska K., Wachal A.: Matematyczny model procesu starzenia oleju smarowego z uwzględnieniem odświeżania. Trybologia, 2 3, s , Stecki S.J.: Modeling of contamination control system. First Annual Workshop on Total Contamination Control, Monash University, Fluid Power Net Publications, Melbourne 1998, s Wiślicki B., Fórmaniak J.: Ferrometryczna diagnostyka lotniczych systemów tribologicznych. Prace Instytutu Lotnictwa, Z. 1/1996 (144) Warszawa Zboiński M.: Profilaktyka stanów awaryjnych lotniczych układów hydraulicznych. Konferencja Profilaktyka powypadkowa w lotnictwie, Warszawa Zboiński M.: Badania struktury jakościowej i ilościowej zanieczyszczeń w układach hydraulicznych i ich wpływu na trwałość podstawowych zespołów Problemy badań i eksploatacji techniki lotniczej tom 6 Wyd. ITWL Warszawa Recenzent: Tomasz NOWAKOWSKI The forecasting of the reliability factor of hydraulic flight control systems of aircraft Key words Aircraft, hydraulic systems, contamination, reliability factor, forecasting. Summary One of the most severe problems during aircraft operations is hydraulic system contamination, because they lead to failure. Scientific literature does not include articles about problems with testing hydraulic contamination sensitivity in aircraft operations tasks. Modern technological and economic optimisation of the processes of operating hydraulic systems requires lifetimes of system components to be defined, depending on operating conditions. There are two views of testing hydraulic contamination sensitivity: one for designers and the second for maintenance personnel. Designers need reliability factors that play with economic factors. Maintenance personnel have to know safety and reliability operational working time service life.