автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Анализ и синтез характеристик качества элементов ГТД на основе их системного превентивного контроля

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ. ЦЕЛЬ РАБОТЫ И РЕШАЕМЫЕ ЗАДАЧИ.

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА СПЕЦИАЛЬНЫХ ЭВРИСТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ АНАЛИЗА И СИНТЕЗА МНОГОМЕРНОЙ ИНФОРМАЦИИ В СИСТЕМЕ ПРЕВЕНТИВНОГО КОНТРОЛЯ ЭЛЕМЕНТОВ ГТД.

2.1. Модификация алгоритмов и программ описания, оптимизации и распознавания образов, входящих в Многоэтапную Адаптивную Распознающую Систему (МАРС).

2.2. Визуализация многомерных дихотомийных ситуаций (классификация на два класса).

2.3. Разработка методов генерации и селекции геометрических объектов.

2.4. Разработка методов идентификации вибросигналов (временных рядов).

Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3. ПРЕВЕНТИВНЫЙ АНАЛИТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ ГЕОМЕТРИИ ПРОФИЛЬНОЙ ЧАСТИ ПЕРА ЛОПАТОК.

3.1. Структурный объемный контроль осевых лопаток (СОКОЛ).

3.2. Имитационное моделирование влияния производственных отклонений профильной части пера лопатки на характеристики компрессора.

3.3. Активный мониторинг производственных отклонений профильной части пера лопатки в производстве.

Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4. ПРЕВЕНТИВНЫЙ АНАЛИТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ РЕСУРСОПРИГОДНОСТИ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ.

4.1. Мониторинг временного дрейфа химического состава жаропрочных сплавов.

4.2. Прогнозирование ресурсопригодности жаропрочных сплавов по данным плавочного контроля.

4.3. Разработка методов оптимальной подшихтовки сплавов.

Выводы по главе 4.

ГЛАВА 5. ПРЕВЕНТИВНЫЙ КОНТРОЛЬ, АНАЛИЗ И СИНТЕЗ ХАРАКТЕРИСТИК КАЧЕСТВА ТРАНСМИССИОННЫХ ПОДШИПНИКОВ СЕРИЙНОГО ДВИГАТЕЛЯ ДЗО-КУ/КП/КУ-154.

5.1. Мониторинг технического состояния межвального роликоподшипника в условиях эксплуатации.

5.2. Модифицированный секвентный анализ вибросигнала

5.3. Зависимость эксплуатационной надежности трансмиссионных роликоподшипников от параметров монтажа.

Выводы по главе 5.

ГЛАВА 6. ПРЕВЕНТИВНЫЙ СТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ КАЧЕСТВА ГОТОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ГТД.

6.1. Разработка структурных стохастических моделей осевых ступеней компрессора.

6.2. Превентивный контроль, анализ и синтез при поиске компромиссных решений в задаче оптимизации фронтового устройства камеры сгорания.

6.3 Синтез геометрии лопаточного диффузора центробежной ступени методами структурного анализа.

Выводы по главе 6.

Актуальность работы. На всех этапах создания авиационных ГТД возникают сложные проблемные ситуации, к решению которых привлекаются большие коллективы людей, значительные материальные ресурсы, тратится много времени. В частности, это потеря запасов газодинамической устойчивости серийных компрессоров, снижение усталостной прочности рабочих лопаток серийной турбины, внезапные отказы трансмиссионных подшипников в эксплуатации, разрушение лопаток компрессоров или турбин при форсировании двигателей и др. Причинами этих сложных "дефектов" оказываются малые отклонения размеров деталей, компонентного состава вещества, параметров монтажа конструкции, не выходящие за рамки действующей системы допускового контроля. Координатно-измерительные машины (ОПТЭЛ), регистрирующие отклонения геометрии профилей, квантометры (ДФС-51), регистрирующие отклонения химического состава сплавов, средства регистрации вибросигналов (ИВУ-1М), а также средства представления деталей в объемном изображении (UNIGRAPHICS) являются первичными регистраторами информации, которая не может быть использована непосредственно для улучшения характеристик качества изделий.

Действующая система допусков является необходимой, но недостаточной, так как не учитывает предельно-допустимые соотношения между параметрами. Такие соотношения не могут быть найдены на теоретико-физическом уровне. Единственный путь поиска этих соотношений - рациональное использование фактических эмпирических данных.

В связи с этим важной и актуальной является задача системного превентивного (предупредительного) аналитического контроля отклонений элементов двигателя, обнаруживающего и исправляющего неблагоприятные тенденции на ранних стадиях создания изделий, когда еще не нанесен существенный материальный ущерб. Здесь наиболее актуальной областью исследования являются: 5

- совершенствование техпроцессов формообразования лопаток (литейное производство, электрохимическая обработка и др.);

- способы мониторинга деградации характеристик вещества (усталостная прочность и др.);

- разработка эффективных методов диагностики технического состояния узлов;

- способы борьбы с опасными вибрациями в двигателях;

- способы улучшения технических характеристик узлов, находящихся в серийном производстве и эксплуатации.

Превентивный аналитический контроль должен касаться одновременно газодинамического совершенства, надежности, ресурса двигателя, так как недопустима потеря хотя бы одной из этих характеристик качества. Это означает, что такой контроль должен быть системным и носить междисциплинарный характер, в его сфере должны присутствовать системы "форма - свойства", "состав - свойства", "режим - свойства". Для реализации сформулированных условий необходимо специальное программное обеспечение, способное решать реальные задачи прогнозирования, оптимизации и диагностики характеристик качества в условиях информационной избыточности и недостаточности при существенном влиянии взаимодействий многочисленных параметров, в обстановке реальных помех. Таким образом, рассматривается следующая постановка задачи организации системы аналитического контроля качества производства элементов ГТД.

Разработать общий комплексный подход к количественной оценке качества и его совершенствованию, обеспечивающий: мониторинг многомерных данных; определение скрытых закономерностей;

- построение количественных оценок качества (квалиметрические шкалы);

- построение области достижимых и компромиссных решений; 6 решение задач синтеза (улучшение качества) на основе найденных закономерностей и др.

Целью работы является разработка моделей и методов анализа и синтеза характеристик качества элементов ГТД на основе их системного превентивного контроля, обеспечивающих газодинамическое совершенствование турбомашин, повышение их ресурса, надежности, что позволяет:

- на основе существующих средств измерения формы, вещества, газодинамических характеристик получать объективную информацию о качестве изделий и их элементов и тенденциях изменения качества (повышение информативности результатов наблюдений);

- на основе методов структурного анализа эмпирических данных находить скрытые закономерности и строить квалиметрические шкалы качества, определять направления совершенствования изделия и его элементов;

- строить области достижимых и компромиссных решений, находить возможные оптимальные корректирующие воздействия.

Научная новизна. Получены теоретические положения для разработки комплексной методики анализа и совершенствования важнейших составляющих качества турбомашин (газодинамическая эффективность, прочность, ресурс), основанной на объективных принципах и законах, современных моделях и методах. Разработана методология количественного прогноза тенденций и оптимизации процесса принятия управленческих решений в сложных неопределенных ситуациях.

Достоверность полученных результатов определяется корректным и системным применением методов многомерного статистического описания, оптимизации и распознавания образов и подтверждается высокой точностью прогноза характеристик исследуемых объектов.

Практическая значимость работы состоит в том, что на основе предложенных подходов и методов разработаны: 7

- методики оценки качества геометрии сложнопрофильных элементов проточной части, качества жаропрочных сплавов, квалиметрическая шкала компрессорных ступеней;

- три раздела отраслевого Руководства по обеспечению газодинамической устойчивости изделий в серийном производстве: "Контроль стабильности запасов устойчивости компрессоров в серийном производстве", "Мониторинг тенденций и временного дрейфа в процессе превентивного контроля сложно-профильных элементов ГТД", "Имитационное моделирование характеристик осевого многоступенчатого компрессора по данным координатных измерений сложнопрофильных элементов проточной части".

Реализация в промышленности. Результаты исследований отражены в трех разделах отраслевого "Руководства по контролю запасов устойчивости серийных компрессоров", использованы в лаборатории компрессоростроения Санкт-Петербургского ГТУ при исследовании осевых и других компрессоров. На предприятии рекомендуемые методы применяются:

- при определении технического состояния трансмиссионных подшипников двигателя ДЗОКУ/КП;

- при устранении особо сложного дефекта PJII ступени турбины серийного двигателя ДЗОКУ путем оптимальной подшихтовки сплава ЖС6У-ВИ;

- при оптимизации технологического процесса производства лопаток компрессора SNECMA;

- при автоматизированном контроле качества лопаток на основе разработанной автором системы СОКОЛ-ОПТЭЛ.

Апробация работы. Работа доложена на Всероссийском форуме "Интеллектуальные ресурсы регионов России на рубеже тысячелетий" (Ярославль, 2000г.), на Всероссийской конференции "Аэрокосмические технологии и образование на рубеже веков" (Рыбинск, 2002г.). Работа автора "Количественный прогноз тенденций и оптимизация процесса принятия управленческих решений" удостоена диплома Министерства промышленности, науки и технологий 8

РФ на международном конгрессе - выставке "Высокие технологии. Инновации. Инвестиции" (Санкт-Петербург, 2000г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 статьи, двое тезисов доклада.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, списка использованной литературы, приложения и заключительных замечаний. Полный объем диссертации составляет 154 страницы. Автор защищает:

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Разработанная комплексная методика анализа и синтеза характеристик качества элементов ГТД на основе превентивного контроля геометрии, химического состава, уровня вибраций, объемных изображений конструкции, результатов измерений характеристик качества элементов ГТД позволяет существенно повысить газодинамическую эффективность, надежность и ресурс опытных и серийных турбомашин.

2. Разработанный комплекс программных средств многофакторного описания, оптимизации и диагностики сложных систем позволяет исследовать мало изученные объекты и физические процессы (формообразование лопаток, ресурсные характеристики, опасные вибрации и др.).

3. Разработанные методы превентивного контроля, анализа и синтеза геометрических параметров турбомашин позволили улучшить характеристики осевого компрессора, устранить неслучайное несоответствие геометрии готовых лопаток чертежу в процессе ЭХО.

4. Разработанные методы активного мониторинга временного дрейфа многокомпонентных систем "состав-свойства" позволили путем оптимальной подшихтовки жаропрочного сплава ЖС6У-ВИ повысить усталостную прочность рабочих лопаток I ступени турбины серийного двигателя.

5. В проблеме борьбы с опасными вибрациями двигателя эффективным является разработанный метод определения неслучайных искажений вибросигнала, позволяющий определить как техническое состояние трансмиссионных подшипников серийного двигателя, так и обнаружить дефекты типа задевания ротора за статор. Установлено влияние параметров монтажа подшипника на его ресурсопригодность.

6. Разработанный метод синтеза геометрии сложнопрофильных элементов позволяет находить оптимальную геометрию проточной части не традиционной формы.

142

1. Борсук А.Н., Оводенко Б А., Семерняк Л.И., Шишкин В.Н. Превентивный контроль серийного производства двигателей // Отчет ЦИАМ.- 1976.

2. Кузмичев Ю.И., Мовшович И.М., Семерняк Л.И., Титов Л.М., Шишкин В.Н. Контроль стабильности линии рабочих режимов и границы устойчивой работы // Отчет ЦИАМ.- 1976.

3. Ольштейн Л.Е., Пальцева А.В., Семерняк Л.И., Шишкин В.Н. Методика и программы статистического анализа причин изменения запасов устойчивости компрессоров при серийном производстве. // Отчет ЦИАМ.- 1977.

4. Приходько Э.В. Металлохимия комплексного легирования. М.: Металлургия, 1983. - 184 с.

5. Захарченко В.П. Влияние состава и технологии получения на механические свойства жаропрочных сплавов на основе никеля: Автореферат диссертации кандидата технических наук. Красноярск, 1990.-25 с.143

6. Готовцева Е.Р. Исследование и разработка жаропрочных никелевых сплавов с использованием методов теории распознавания образов: Автореферат диссертации кандидата технических наук. Екатеринбург, 1995. - 23 с.

7. Симе Ч., Хатель В. Жаропрочные сплавы. М.: Металлургия, 1976. -588 с.

8. Ртищев В.В. Прогнозирование склонности жаропрочных сплавов к выделению ТПУ фаз // Сборник научных трудов ЦКТИ - 1982. -Выпуск 194, - с. 101 - 108.

9. Шишкин В.Н. Газодинамическое совершенствование слож-нопрофильных элементов проточной части ГТД методами структурного анализа. Кандидатская диссертация. Рыбинск, РГАТА, 1997.

10. Кораблев С.С., Шашин В.И., Филатов Ю.Е. Вибродиагностика в прецизионном приборостроении. Ленинград. Машиностроение. Ленинградское отделение .1984 88 с.

11. К.М. Рагульскис, А.Ю. Юркаускас "Вибрации подшипников". Ленинград. Машиностроение. Ленинградское отделение. 1985.- 120 с.

12. Кузменко М.Л., Портер A.M., Комаров Б.И. //Вибродиагностика межвального подшипника двигателей семейства Д-30КУ: Научно-техн. сб. / Новые технологические процессы и надежность ГТД М., 2001.- С.29-35.

13. Макнэлли, Сокол. Обзор методов расчета внутреннего течения в применении к турбомашинам // Труды американского общества инженеров-механиков. Теоретические основы инженерных расчетов. 1985.-№2-С.103-122.

14. Андрианов Ю.М., Субетто A.M. Квалиметрия в приборостроении и машиностроении. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-е., 1990.-218 с.144

15. Азгальдов Г.Г., Гличев А.В. и др. Квалиметрия наука об измерении качества продукции // Стандарты и качество. - 1968 - №1. - С.34-40.

16. Азгальдов Г.Г. Практическая квалиметрия в системе качества: ошибки и заблуждения // Вопросы квалиметрии. 2001 - №3. С.

17. Смирнов Н.В., Дунин-Барковский И.В. Курс теории вероятностей и математической статистики для технических приложений. -М.: Наука, 1965.-511с.

18. Налимов В.В., Чернова Н.А. Статистические методы планирования экстремальных экспериментов. М.: Наука, 1965.-338с.

19. Клепиков Н.П., Соколов С.Н. Анализ и планирование экспериментов методом максимума правдоподобия. М.: Физматгиз, 1964.

20. Хованов Н.В. Стохастические модели квалиметрических шкал Л.: Изд-во Ленингр. Ун-та, 1986. 78 с.

21. Браверман Э.М., Мучник И.Б. Структурные методы обработки эмпирических данных. М.: Наука, 1983 .-464с.

22. Ивахненко А.Г. Самообучающие системы распознавания и автоматического управления. Киев: Техшка, 1969.-392с.

23. Автоматика / Институт кибернетики им. В.М.Глушкова.- Киев: Наукова Думка, 1980-1986.

24. Растригин Л.А. Статистические методы поиска. Рига: Зинат-не, 1968.-376с.

25. Растригин Л.А., Трактенберг B.C. Применение экстраполяции при оптимальном проектировании сложных систем // Методы статистической оптимизации. Рига: Зинатне, 1968.-С.43-58.

26. Растригин Л.А., Понамарев Ю.П. Экстраполяционные методы проектирования и управления. М.: Машиностроение, 1986.-116с.

27. Федоров В.В. Теория оптимального эксперимента. М.: Наука, 1978.145

28. Драйпер Н., Смит Г. Прикладной регрессионный анализ. М.: Статистика, 1973.

29. Лбов Г.С. Некоторые вопросы минимизации исходной системы признаков при распознавании образов: Кандидатская диссертация/Новосибирск, 1967.

30. Тюрин Ю.Н., Макаров A.JI. Статистический анализ данных на компьютере -М.:ИНФА-М, 1998.

31. Брайловский B.JL, Лунц А.Л., Наткович Ю.С. Об одной многоэтапной процедуре прогнозирования качества технологических процессов // Проблемы планирования эксперимента. Сборник / М-Наука, 1969.

32. Федоров В.В. Последовательные методы планирования экспериментов при изучении механизма явлений //Сб. Новые идеи в планировании экспериментов. -М. Наука, 1969.

33. Вазан М. Стохастическая аппроксимация. М. - Мир, 1972.

34. Бирюков В.В. Применение решетчатых функций для математического описания и оптимизации сложных технологических процессов // Сб. Проблемы планирования эксперимента. М. - Наука, 1969.

35. Ивахненко А.Г. Самообучающие системы распознавания и автоматического управления. Киев: Техшка, 1969.-392с.

36. Пинскер И.Ш. Принцип хаотизации и его применения при обработке наблюдений // Модели. Алгоритмы. Принятие решений. М.: Наука, 1979.-С.5-38

37. Гельфанд И.М., Цетлин М.Л. О некоторых способах управления сложными системами // Успехи математических наук 1962. -№1.

38. Ермуратский П.В. Симплексный метод оптимизации // Математическое описание и оптимизация многофакторных процессов: Сб. Труды МЭИ. М. 1966. - С.29-68.146

39. Демидович Б.П., Марон И.А. Основы вычислительной математики М.: Физматгиз, 1963. - 659с.

40. Петерсен И.Ф Описание и оптимизация при коррелированных входных параметрах // Проблемы планирования эксперимента. М-Наука, 1969.-С. 19-24.

41. Бусленко Н.П., Шритфер Ю.А. Метод статистических испытаний. М.: Физматгиз. - 1961.

42. Турин JI.C., Дымарский Я.С., Меркулов А.Д. Задачи и методы оптимального распределения ресурсов. М.: Советское радио, 1968.-463 с.

43. Загоруйко Н.Г. Методы распознавания и их применение. М.: Советское радио, 1972.

44. Дубов A.M. Обработка статистических данных методом главных компонент. М.: Статистика, 1978.

45. Ту Дж., Гонсалес Р. Принципы распознавания образов. М.: Мир, 1979.

46. Вапник В.Н. Задача обучения распознавания образов. М.: Знание, 1971.

47. Браверман Э.М. и др. Диагонализация матрицы связи и выявление скрытых факторов // Сб. трудов института проблем управления АН СССР. Выпуск 1. М.: 1971.

48. Горелик A.JL, Скрипкин В.А. Построение систем распознавания. М.: Советское радио, 1974.-223 с.

49. Дуда Р., Харт П. Распознавание образов и анализ сцен. М.: Мир, 1976.-е.

50. Фу К. Структурные методы в распознавании образов М.: Мир, 1977.-319с.

51. Новиков А.С., Ицкович И.И., Шишкин В.Н. Структурный анализ элементов конструкции в авиадвигателестроении. Рыбинск. РГАТА, 1999.-141с.147

52. Зубков А.В, Предсказание многомерных временных рядов с помощью нейросетей // Информационные технологии. № 2, 2002. С.20-26.

53. Норенков И.П. CALS стандарты // Информационные технологии. №2, 2002. С.47-51.

54. Математическая теория планирования экспериментов/ под ред. Ермакова Е.М. М. Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1983.-392с.

55. Тихонов А.Н., Арсенин В.Я. Методы решения некорректных задач. -М.: Наука, 1979.

56. Подиновский В.В., Ногин В.Д. Парето оптимальные решения многокритериальных задач. - М.: Наука, 1982.

57. Гандмахер Р.Г. Теория матриц. М.: Наука, 1966. -576с.

58. Ланцош К. Практические методы прикладного анализа. М. Государственное изд. физико-математической литературы, 1961-524с.

59. Холщевников Н.В. Теория и расчет авиационных лопаточных машин. -М.: Машиностроение, 1966.

60. Уваров Л.Б. Технологическое обеспечение, проектирование и производство газотурбинных двигателей. Под ред. Леонова Б.Н., Новикова А.С. Рыбинск, 2000. - 407с.

61. Оптико-электронная система контроля лопаток (ОПТЭЛ). Техническое описание. Уфимский государственный университет. -Уфа, 1996.148

62. Горский В.Г., Бродский В.З. О симплексе планах первого порядка и связанных с ними планах второго порядка // Сб. Новые идеи в планировании экспериментов. М., Наука, 1969, стр.59.

63. Виноградова О.В., Кувтырев Д.В. Поиск области компромиссных решений при исследовании экспериментальных характеристик фронтового устройства камеры сгорания методами структурного анализа.// Сборник трудов молодых ученых Рыбинска / РГАТА. Рыбинск, 2000.

64. Хармут Т. Секвентный анализ. М.: Наука, 1988.

65. Шишкин В.Н., Комаров Б.И., Гайдай М.С., Шепель В.Т. Диагностика технического состояния трансмиссионных подшипников ГТД методом структурного анализа из вибросигналов // Машиностроение. Контроль. Диагностика. 2000. - №4. - С. 32-34.

66. Оптимизация технологических условий механической обработки деталей авиационных двигателей / В.Ф. Безъязычный, Т.Д. Кожина, А.В. Константинов и др. М.: МАИ, 1992. -183с.

67. Безъязычный В.Ф. Технология изготовления деталей машин. Энциклопедия "Машиностроение"/ М., Москва,2000. Том III.

68. Безъязычный В.Ф, Чарковский Ю.К., Крылов В.Н. Технологическое обеспечение эксплуатационных показателей деталей машин. М.: Машиностроение, 2001. -217с.

69. Соболь И.М. Численные методы Монте-Карло. М.: Наука, 1973.-311с.

70. Шишкин В.Н., Комаров Б.И., Гайдай М.С., Шепель В.Т. Диагностика технического состояния трансмиссионных подшипников149

71. ГТД методом структурного анализа их вибросигналов // Изд. машиностроение. Контроль. Диагностика. 2000. - №4. С.32-34.

72. Биргер И.А. Техническая кибернетика. М.: Машиностроение, 1976.

73. Завьялов Ф.Н., Ласточкин Ю.В., Ицкович И.И. Методы стратегического планирования ресурсов машиностроительной корпорации в переходный период. Ярославль: ЯГУ им. Демидова П.Г., 2001.- 191с.

74. Черкез А.Я. Инженерные расчеты газотурбинных двигателей методом малых отклонений. М.: Машиностроение, 1965. - 355с.150