автореферат диссертации по транспорту, 05.22.14, диссертация на тему:Экспериментально-теоретическая оценка ресурсоспособности элементов вертолетных конструкций

На правах рукописи

СЕМЕНИХИН РОМАН ЛЕОНИДОВИЧ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА РЕСУРСОСПОСОБНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ ВЕРТОЛЕТНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Специальность 05.22.14 - Эксплуатация воздушного транспорта

Автореферат Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 5 АПР 2015

005567326

Москва 2015

005567326

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный технический университет гражданской авиации» на кафедре «Техническая эксплуатация летательных аппаратов и авиационных двигателей».

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, начальник Учебно-тренажерного центра МГТУ ГА Машошин Олег Федорович

доктор технических наук, профессор, зам. генерального директора ГосНИИ ГА, директор научного центра исследований АД и СУ ВС Кулешов Александр Анатольевич,

Ведущая организация:

кандидат технических наук, доиент, ведущий инженер Московского авиационного института

(национальный исследовательский университет)

Завалов Олег Анатольевич

Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» Министерства обороны РФ

Защита состоится « 10 » июня 2015 г. в 15.00 часов на заседании Диссертационного Совета Д 223.011.01 при Московском государственном техническом университете гражданской авиации (МГТУ ГА) по адресу: 125993 г. Москва, Кронштадтский б-р, д. 20

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ ГА.

Автореферат разослан «_»_

Ученый секретарь

диссертационного совета Д223.011.01

доктор технических наук, профессор Самойленко Василий Михайлович

\

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Современное состояние вертолетного парка гражданской авиации России таково, что среди вертолетов третьего класса Ми-2 является самым распространенным, далеко опережая по количеству другие вертолеты такого же класса. На данный момент в реестре ГА России находится более 100 единиц вертолетов Ми-2, и в связи с тем, что в ближайшие годы замены указанного типа не предвидится, необходимо обеспечивать поддержание состояния летной годности имеющегося парка вертолетов Ми-2. Одним из затруднений при решении этой задачи является тот факт, что на вертолете Ми-2 имеется более двадцати элементов, ресурс которых менее ресурса планера вертолета в 2 и более раз, эти элементы называют элементами с ограниченным ресурсом, и к ним в первую очередь относятся наиболее нагруженные элементы, отказ которых напрямую влияет на безопасность полетов, например: лопасти несущего винта, втулка несущего винта, хвостовой винт, главный редуктор, промежуточный и хвостовой редукторы, главный и хвостовой валы и другие.

Известно, что в настоящее время производство авиационных деталей с ограниченным ресурсом вертолета Ми-2 прекращено, а стоимость тех единичных экземпляров (например, хвостовой винт), которые продолжают производиться, достигает нерентабельного уровня, так как производство находится в Польше. Поэтому, в ближайшее время в связи с нехваткой элементов вертолетных конструкций с ограниченным ресурсом, может прекратиться эксплуатация значительной части парка Ми-2, эксплуатируемого в России в настоящее время. Таким образом, единственным выходом из сложившейся ситуации является постепенное продление ресурсов и сроков службы этих элементов до величины ресурса планера. Однако, в настоящее время, организации, которые занимались данной проблемой (ГосНИИ ГА, ОАО «МВЗ имени М.Л. Миля») прекратили исследовательские работы по продлению ресурсов элементов хвостовой трансмиссии вертолетов по причине отсутствия финансирования.

Исследованию возможностей такого продления ресурсов элементов, на примере хвостовой трансмиссии вертолета Ми-2 и посвящена данная диссертационная работа.

Для обоснованного увеличения ресурса упомянутой трансмиссии необходимо иметь объективные данные по нагруженнности элементов трансмиссии на основных режимах полета, результаты стендовых испытаний, расчетов на прочность и др.

В настоящее время объем таких материалов весьма ограничен, что дшаует необходимость проведения специальных испытаний по определению ресурсоспособности элементов хвостовой трансмиссии в полете.

Полученные результаты будут использованы в проверочных расчетах ресурсов деталей элементов хвостовой трансмиссии по критериям кратковременной прочности и выносливости и подготовки заключения о целесообразности продления ресурсов элементов хвостовой трансмиссии.

Таким образом, диссертация базируется на теоретических, расчетных и экспериментальных исследованиях элементов трансмиссии вертолета Ми-2, отработавших предельные ресурсы. Эксперименты проводились в условиях, максимально приближенных к реальным.

При разработке методик проведения исследований автор опирался на труды отечественных ученых в области исследований прочности и напряженно-деформированных состояний конструкций: Балашова Б.Ф., Беляева Н.М., Дасковского И.М., Махутова H.A., Феодосьева В.И. и др.

Объектом исследования является ресурсоспособность материала вала

трансмиссии вертолета Ми-2.

Цель диссертационной работы - доказательство необоснованности ограничения назначенных ресурсов вертолетных конструкций на примере элементов хвостовой трансмиссии вертолета Ми-2 с возможностью поэтапного продления этим элементам назначенного ресурса, вплоть до

назначенного ресурса планера.

Методы исследования. В работе, в зависимости от решаемых задач были использованы аналитические и инструментальные методы проверки эксплуатационных свойств авиационных конструкций, методы статистической классификации объектов и методы MSG-3 анализа.

Достоверность результатов исследования, обоснованность научных положений, выводов и практических рекомендаций подтверждаются глубиной теоретических проработок, объемом экспериментальных исследований, корректностью обработки полученных результатов. Научная новизна состоит в следующем:

- проведены теоретические обобщения работ в области усталостных повреждений вертолетных конструкций с наработкой;

- путем проведения теоретических и экспериментальных исследований доказана возможность продления ресурсов на примере основных элементов хвостовой трансмиссии вертолета Ми-2;

- предложены новые критерии для принятия решений о возможности продления ресурсов вертолетных конструкций;

- разработана новая методика оценки возможности продления ресурсов вертолетных конструкций, основанная на экспериментальном и расчетном методе определения физико-химических и прочностных характеристик материала;

- научно обоснованы объемы и периодичность выполнения дополнительных работ в Регламенте ТО для контроля в эксплуатации технического состояния изделий с продленным ресурсом.

На защиту диссертационной работы выносятся:

- результаты статистического анализа данных об отказах элементов трансмиссии вертолета Ми-2 в эксплуатации;

результаты инженерного анализа причин отказов элементов хвостовой трансмиссии;

- результаты экспериментальных исследований элементов трансмиссии вертолетов Ми-2;

- результаты теоретических обобщений, расчеты элементов на усталостную и кратковременную прочность;

- результаты сравнительного анализа эксперимента с теоретическими расчетами прочности элементов трансмиссии;

- рекомендации по поэтапному продлению назначенного ресурса элементам хвостовой трансмиссии вертолета Ми-2;

- назначение режимов контроля элементам хвостовой трансмиссии вертолета Ми-2 с продленным ресурсом при их техническом обслуживании.

Практическая значимость работы заключается в том, что на основе полученных результатов обеспечивается:

- существенное повышение эффективности эксплуатации вертолетов за счет продления ресурса хвостовой трансмиссии;

- существенное снижение времени и расходов на продление ресурсов авиационных конструкций;

оценивание ресурсных возможностей элементов других типов отечественных воздушных судов ГА;

- формирование перечней контрольных операций для внесения в Регламент ТО с целью поддержания исправности и работоспособности элементов, которым продлевается ресурс и определение периодичности выполнения этих работ.

Личное участие автора в получении научных результатов состоит в:

- инженерном анализе элементов хвостовой трансмиссии, показавшем высокую потенциальную надежность элементов хвостовой трансмиссии;

- выполнении экспериментальных исследований элементов хвостовой трансмиссии вертолета Ми-2, показавших необоснованность ограничения назначенных ресурсов элементов хвостовой трансмиссии и возможность поэтапного продления им назначенного ресурса, равного назначенному ресурсу планера - 10500 часов.;

- выполнении расчетной части проведенных исследований элементов хвостовой трансмиссии вертолета Ми-2, показавших, что коэффициент запаса прочности материала хвостового вала в процессе выработки назначенного ресурса меняется незначительно, что также подтверждает необоснованность ограничения назначенного ресурса элементов хвостовой трансмиссии вертолета Ми-2 до 4500 часов;

- определении объема дополнительных работ в условиях эксплуатации, необходимых для поддержания летной годности вертолетов Ми-2 с продленными ресурсами элементов хвостовой трансмиссии;

- определении периодичности выполнения дополнительных работ для поддержания летной годности вертолетов Ми-2 с продленными ресурсами элементов хвостовой трансмиссии.

Апробация и публикация результатов диссертации. Основные результаты диссертационной работы с достаточной полнотой представлены в докладах на заседаниях научно-технического семинара кафедры «Техническая эксплуатация летательных аппаратов и авиационных двигателей» Федерального государственного бюджетного образовательного

учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный технический университет гражданской авиации» (МГТУ ГА) в мае 2011 г, в декабре 2012 г, в ноябре 2013 г; на заседании секции Ученого совета в Федеральном государственном унитарном предприятии «Государственный научно-исследовательский институт гражданской авиации» в январе 2014 г.

Публикация результатов. Основные результаты диссертации опубликованы в 4 работах автора, 4 из которых - в изданиях, рекомендованных ВАК для публикации материалов кандидатских диссертаций.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав основного материала, заключения с общим объемом в 134 страницы, включая список цитируемой литературы из 81 наименования, 60 рисунков и 9 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава диссертации состоит из двух подглав и выводов по главе. В первой подглаве даны основные сведения о повреждаемости авиационных конструкций в эксплуатации, рассмотрены повреждаемости авиационных конструкций при воздействии длительных статических нагрузок, при циклическом нагружении, при изнашивании и от воздействия окружающей среды.

Во второй подглаве проведен подробный инженерный анализ хвостовой трансмиссии на основании опыта эксплуатации вертолета Ми-2, изложены сведения о причинах отказов вертолетных конструкций, подробно исследованы случаи досрочной замены промежуточных редукторов, по причине обнаружения трещин в нагруженных зонах.

В заключение главы сделаны выводы, что за весь период с 1994 года по настоящее время по хвостовой трансмиссии вертолета Ми-2 выявлено пять случаев досрочной замены промежуточных редукторов, по причине обнаружения трещин в наиболее нагруженных зонах, носящие усталостный характер и один случай разрушения хвостового вала. Причинами досрочной замены промежуточных редукторов явились: ошибочное установление картера промежуточного редуктора с другого редуктора, вместо первой категории, при ремонте, переработка межремонтного ресурса, непритупление острых кромок у отверстий под стыковочные болты в картере ПР-2. Причиной разрушения хвостового вала явились обнаруженные несплошности глубиной 0,3 мм. Несплошность заполнена неметаллическими включениями, у ее краев наблюдаются компактные высокотемпературные окислы. Обезуглероживание краев несплошности отсутствует. Эти признаки свидетельствуют, что исследуемая несппошность представляет собой дефект обработки металла давлением типа «волосовины». Причинами отказов промежуточных редукторов и хвостового вала являются нарушения технологий изготовления и эксплуатации.

Во второй главе приведены материалы по выбору информативных параметров ресурсоспособности конструкций трансмиссии Ми-2, а также методические подходы к их оценке.

Продление ресурсов вертолетов Ми-2 ограничено ресурсами отдельных наиболее нагруженных деталей. В частности, ограничения по ресурсу имеют детали трансмиссии и, в частности, хвостовой вал винта управления вертолетом.

Для проверки состояния упомянутого вала с максимальной наработкой были проведены экспериментальные исследования по оценке его несущих свойств.

Вал в виде трубы диаметром 28 мм подвергался сравнительной оценке материала в местах, подвергающихся нагружению, а также в ненагруженной зоне с целью выявления отклонений, вызванных наработкой. Были проведены следующие виды исследований:

- подтверждение химического состава материала;

- определение механических свойств материала;

- определение твердости материала;

- металлографический анализ материала вала.

Химический состава материала вала определялся путем проведения количественного спектрального анализа на спектрографе ИСП-28.

Исследовалось два образца с условной наработкой 0 часов и три образца с наработкой 4500 часов. В главе приведено описание проводимого эксперимента и порядок проведения эксперимента.

Для метода количественного спектрального анализа использовался метод трех эталонов. Для определения содержания углерода (С) применялся химический метод.

Химический состав материала различных зон вала приведен в табл. 1. Он соответствует марке 30ХН2МФ в соответствии с ГОСТ 4543-71.

Таблица 1 - Результаты сравнительного анализа состава материала вала трансмиссии вертолета Ми-2

Элементы Химический состав в %

С углерод Мп марган ец Б! кремни й Сг хром № никель Мо молибд ен V ванади й

Наработка 0 час.( 2 образца) 0,31 0,42 0,26 0,81 2,2 0,21 0,16

Наработка 4500 час.( 3 образца) 0,29 0,43 0,19 0,82 2,1 0,23 0,18

ГОСТ 454371 0,270,34 0,3-0,6 0,170,37 0,6-0,9 2,0-2,4 0,2-0,3 0,100,18

Из литературных источников известно, что обычно влияние наработки с преимущественно циклическим нагружением по стали типа «хромансиль» сказывается на соотношение С/Те. Причем, с наработкой С/Те имеет тенденцию к увеличению, что приводит к т.н. охрупчиванию стали. Согласно данным табл. 1, углерод не только увеличился, но и незначительно снизился (это может быть вызвано погрешностью аппаратуры) (рисунок 1).

Рисунок 1 - Аналитическое изменение соотношения С/Те с наработкой Т

Таким образом, представленные результаты наглядно показывают отсутствие существенного влияния наработки на химический состав. Материал вала в полной мере соответствует марке ст.ЗОХШМФ согласно ГОСТ 4543-71.

Определение физико-механических свойств материала проводилось для сравнительной оценки влияния наработки на физико-механические свойства материла. Из нагруженных и ненагруженных зон вала вырезались образцы в соответствии с требованиями ГОСТ 10006-80. С наработкой 0 час. вырезано 3 образца, с наработкой 4500 часов также было изготовлено 3 образца. Испытание на растяжение проводились в соответствии с требованиями ГОСТ 10006-80. Скорость нагружения до предела текучести - 4 мм/мин., за пределом текучести - 10 мм/мин. Испытание на разрыв

—

Т. час.

Изменение соотношения ОРй с наработкой

Изменение соотношения ОТе, полученное в результате исследования

производилось на разрывной машине Р-5 (ГОСТ 1497-84), со шкалой 5 кг, при нагрузке 2020 кгс.

Площадь поперечного сечения образца Р0, мм2, определялась по формуле:

Р0=ка0Ъ0= 20,2 мм2,

где к - коэффициент, величина которого, определенного по ГОСТ 10006-80, составила к=1,02.

Замер толщины проводился резьбовым микрометром с точностью 0,1 мм, замер ширины — штангенциркулем 0-160 мм, с точностью 0,1 мм.

Для определения временного сопротивления разрыву а, образец подвергался растяжению плавно возрастающей нагрузкой до разрушения. Наибольшая нагрузка предшествующая разрушению образца принималась за нагрузку Ртах.

Временное сопротивление разрыву а„, МПа (кгс/мм^) определялось по формуле:

ст,=Ршах/Р0= Ю0,3 МПа,

Для определения относительного удлинения после разрыва на рабочей части образца наносились риски через 10 мм. Относительное удлинение 55, мм:

¿5 = 5,65^, мм.

После испытания, разрушенные две части образца плотно складывались так, чтобы их оси образовывали прямую линию.

Штангенциркулем 0-160 с ценой деления 0,1 мм замерялся 1к на участке равном расчетной длине. Разрыв посредине:

1ч

где 1к - конечная расчетная длина на рабочем участке, мм;

/ — начальная расчетная длина, мм. В результате расчетов: 1= 28 мм, /0 = 25 мм.

Результаты испытаний представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Результаты испытаний

Образец № Размер, мм к Бо, мм^ Р*ГС а в, кгс/мм^ 85, %

1 2,47x8,0 1,02 20,15 2020 100,3 12,0

2 2,47x8,0 1,02 20,15 2020 100,3 12,0

к — коэффициент пересчета на Я кривизны. по ГОСТ >90 >10

Полученные результаты показывают, что параметры образцов с наработкой 4500 часов не отличаются от параметров образцов с наработкой 0 часов.

Определение твердости материала замерялась на приборе Роквелла по шкале С в нагруженных и ненагруженных местах.

Как известно, число твердости по Роквеллу R выражается формулой:

R={k-(h,-h)}/C,

где h - предварительная глубина внедрения под действием нагрузки в 10 кг, мм;

hi - окончательная глубина внедрения под действием нагрузки в 60, 100 или 150 кг после ее снятия и оставления нагрузки в 100 кг, мм;

к - постоянная величина, равная для конуса 0,2;

С - углубление конуса на 0,002 мм, соответствующее одному делению циферблата индикатора, мм.

Число твердости по Роквеллу - отвлеченное. Это число обозначается буквой R с добавлением к индексу обозначения шкалы А, В, С, по которой производилось испытание, например: RA, RB, Re-

Алмазный конус имеет образующий угол в 120° и закругленную вершину с радиусом закругления в 0,2 мм. Поверхность алмаза на расстоянии 0,3 мм от вершины конуса тщательно отполирована.

Далее расписана методика проводимого эксперимента.

Твердость исследуемых образцов составила: Образец № 1 - HRC 29.. .32; Образец № 2 - HRC 29.. .31; Образец № 3 - HRC 30...31,5.

Твердость материала свидетельствует о соответствии требованиям чертежа (по чертежу HRC = 28...35). Результаты измерений показали также, что твердости материала каждого образца вала в нагруженных точках равны твердости в ненагруженной точке.

Из литературных источников известно, что HRC материала обычно оценивает так называемую гетерогенность (однородность поверхностного слоя), а также степень охрупчивания материала в поверхностном слое, вызванную наработкой. Опыт показывает, что охрупчивание до величины ~ 17 % приводит к образованию трещин усталости. В данном случае таких величин охрупчивания мы не наблюдаем, что свидетельствует о незначительном влиянии наработки на материал вала.

Металлографический анализ материала вала проводился с целью выявления влияния наработай на микроструктуру материала вала. Были вырезаны образцы в виде колец из трех мест вала: № 1, 2 — с противоположных концов, № 3 — из центральной части.

Анализ проводился на металлографическом микроскопе НЕОФОТ-32 (МЕОРОТ-32) в плоскости перпендикулярной оси детали.

Далее в главе описана методика проведенного металлографического анализа материала хвостового вала вертолета Ми-2 и приведены полученные снимки (рисунки 2 и 3), показавшие, что структура материала хвостового вала в ненагруженной и нагруженной зонах, практически не отличаются.

Рисунок 2 - Структура материала хвостового вала при 500-кратном увеличении в нагруженной зоне

Как видно из приведенных рисунках 2 и 3, структура материала хвостового вала в ненагруженной и нагруженной зонах, практически не отличаются.

Рисунок 3 - Структура материала хвостового вала при 500-кратном увеличении в ненагруженной зоне

В заключении главы сделаны выводы, что в результате проведенных экспериментов установлено, что физико-механические характеристики материала вала (ст. 30ХН2МФА) трансмиссии вертолета Ми-2, подвергшегося эксплуатационному нагруженшо в течение 4500 часов остались практически на исходном уровне. Качество материала вала по микроструктуре отвечает требованиям чертежа и ГОСТ 4543-71. Результаты исследований материала вала дают основания для возможного продления ресурса хвостового вала трансмиссии вертолета Ми-2.

Данные методы исследований с целью определения возможности продления ресурсов элементам ценны еще тем, что стоимость их проведения

существенно ниже, чем традиционно проводимые ранее эксплуатационные исследования.

Третья глава диссертации посвящена проверочным расчетам на определение запасов прочности с учетом трансформации свойств материала в процессе работы хвостового вала трансмиссии вертолета Ми-2, и сравнение с коэффициентом запаса прочности, установленного разработчиком для материала хвостового вала по данным чертежа хвостового вала трансмиссии вертолета Ми-2 (рисунок 4).

БЛОК-СХЕМА ПРОВЕРОЧНОГО РАСЧЕТА ЭЛЕМЕНТА ТРАНСМИССИИ НА РЕСУРС

Рисунок 4 - Блок-схема проверочного расчета элемента трансмиссии на

ресурс

В главе доказано, что ведущим видом нагружения вала является циклическое нагружение, при котором можно ожидать трещины усталостного характера.

Целью проверочного расчета является определение запасов прочности с учетом трансформации свойств материала в процессе работы хвостового вала трансмиссии вертолета Ми-2, и сравнение полученного значения коэффициента запаса прочности с коэффициентом запаса прочности, установленного разработчиком для материала хвостового вала по данным из ГОСТа и данным чертежа хвостового вала трансмиссии вертолета Ми-2.

Расчет на прочность таких деталей, как валы трансмиссии, которые работают при действии переменных напряжений на фоне статических напряжений от центробежных сил, производится на основе гипотез усталостной прочности для сложного напряженного состояния ассиметричного цикла.

Для хвостового вала трансмиссии характерным, в общем виде, является сочетание переменных напряжений кручения, растяжения, изгиба со статическим крутящим и изгибающим моментами.

Определение запасов усталостной прочности в условиях сложного напряженного состояния производится с помощью операции приведения ассиметричного цикла переменных напряжений к симметричному через известные зависимости (диаграммы усталости):

(8*.1)3=Щс.Ъ,(стт)3,(т аУтД.НТль..^], (1)

где

(аа^, (т а); - амплитуды переменных напряжений ^й составляющей сложного напряженного состояния, МПа;

(сГтЬ(Тт); - средние напряжения цикла>й составляющей, МПа; N - база по числу циклов, °С; Т - температура;

ц,.. - конструктивные и технологические факторы (надрез, наклеп и пр.);

(Б*.,); - приведенные переменные напряжения симметричного цикла.

После определения амплитуды симметричного приведенного цикла для составляющих компонент, с помощью зависимостей, осуществляют переход к эквивалентному напряжению:

С*.!= Щв*.!^,^]. (2)

Здесь Н0 - принятая гипотеза усталостного разрушения.

Запас усталостной прочности вычисляется как отношение предела выносливости материала при симметричном изгибе с учетом влияния качества поверхности, концентрации напряжения и масштабного фактора к приведенному переменному напряжению симметричного цикла:

Ку=р<т.,/ст*.„ (3)

где Р - коэффициент, оценивающий влияние концентрации напряжений, чистоты обработки поверхности и масштабного фактора для детали.

В качестве исходной формы для зависимости (1), отражающей влияние ассиметрии цикла на величину амплитуды переменных напряжений, разрушающих материал за N циклов, используется линейная функция типа:

8.,=8¥-К1-а)8т.

Для гипотезы максимальных касательных напряжений применяются зависимости:

<7.,=а„-(1- а 0)стт, МПа; (4)

т.,=ту-(1-ат)тт,МПа. (5)

В соответствии с этой гипотезой условие разрушения может бьггь записано в следующем виде:

ст.1=2т„-(1- а „)аго, МПа. (6)

Линейная зависимость в простых случаях может быть заменена на степенную, однако, это приводит к усложнению вывода окончательной формулы.

Учитывая, что амплитуда ассиметричного цикла, определенная по линейной зависимости, рассчитана с запасом, можно использовать эту зависимость при разных сочетаниях и т„.

Значения коэффициентов а в предельных зависимостях (4, 5, 6,), отражающих условие разрушения (сту, ту - разрушающие напряжения на базе N - циклов), могут быть заданы приближенно в виде:

; ат=1-т.1/1:к. (7)

Приведение действующих напряжений ассиметричного нагружения к симметричному циклу в расчете на прочность при переменных напряжениях в условиях сложного напряженного состояния может производиться следующими методами. Первый метод, приводимый в литературе и справочниках, основан на принципе постоянства значения коэффициента а как в предельной, так и в непредельной зависимостях (для действующих напряжений в детали). Это значит, что амплитуда приведенного симметричного цикла о*.], (т*-0 вычисляется для неопределенной зависимости по формулам (4), (5), (6), в которых разрушающее значение амплитуды симметричного цикла а^Ом) заменяется на приведенное ст*_1(т*. О, согласно гипотезе максимальных касательных напряжений, а именно:

(8)

т*.1=г,+(1-а,)1в. (9)

и на

сг^Гу+а-а,,)^. (10)

в соответствии с гипотезой о сочетании максимальных касательных переменных напряжений с нормальными статическими в той же площадке. Значения а вычисляются по формуле (7).

Приведенные напряжения симметричного цикла определяются, так же как и при первом способе, по формулам (8), (9), (10) для соответствующих гипотез усталостной прочности; значение а„, однако, должно бьггь принято равным а

а/= 1-су/(ств-ат) (11)

или

ау'=(ств-сттах)/(а„-ат) , (12)

где сттах_ МПа - максимальные напряжения цикла, которые определяются по формуле

ах = 1-1у/(тк-тт) где ту - предел прочности при кручении, МПа.

Запас прочности вала с условной наработкой 0 час. определяется по формуле (3), где для простоты расчетов значение Р принято равным единице, т.е. запас по переменным напряжениям

Подставляя числовых значений, получаем Ку=2,70.

Расчет запаса прочности вала с наработкой 4500 часов по результатам экспериментальных проверок дал значение Ку=2,67.

В заключении главы сделаны выводы, что сравнивая коэффициент запаса прочности, полученный из данных ГОСТа, для материала хвостового вала трансмиссии вертолета Ми-2 с условной наработкой 0 часов и равный 2,70 и коэффициент запаса прочности материала хвостового вала, имеющего наработку 4500 часов и равный 2,67, видно, что коэффициент запаса прочности материала хвостового вала в процессе выработки назначенного ресурса изменился незначительно, что подтверждает необоснованность ограничения назначенного ресурса хвостового вала трансмиссии вертолета Ми-2 до 4500 часов.

В четвертой главе разработана методика оценки возможности продления ресурсов вертолетных конструкций, основанная на экспериментальном и расчетном методе определения физико-химических и прочностных характеристик материала (рисунок 5). Проведен анализ показателей надежности вертолета Ми-2. Проведен сравнительный анализ надежности с вертолетом Ми-8. Проведенный анализ аварий и результатов катастроф вертолетов Ми-2 и Ми-8 за период с 2008 по 2011 гг. показал, что все аварии и катастрофы произошли по причине ошибок экипажа. За этот период произошло на вертолетах Ми-2 аварий - 2, катастроф — 2, на вертолетах Ми-8 аварий - 3, катастроф - 6. Единственная катастрофа из-за отказа техники произошла 22.07.2009, вертолет Ми-8АМТ, ЯА-22968

авиапредприятия «Газпромавиа». Катастрофа явилась следствием разрушения лопасти рулевого винта в полете. Причиной отрыва стеклопластиковой обшивки лопасти рулевого винта явилось снижение адгезионной прочности клеевого соединения хвостового отсека с лонжероном и сотовым заполнителем (производственный дефект). Однако, лопасти рулевого винта не рассматриваются в данной работе. Поэтому анализ аварий и катастроф вертолетов Ми-2 и Ми-8 также подтверждает высокую безотказность трансмиссии (хвостовой вал, промежуточный и хвостовой редукторы, главные валы).

БЛОК-СХЕМА МЕТОДИКИ

Подтверждение химического состава материала_

----Г щ___

I____^авнитеп^1й_анапиз^стааамматер и ал а!С/Ре)______|

Опредэг - - »чне на разрыв) ■ .

---] = ...........

Сравнение полученного результата с образцом, имеющим условную

__наработку 0 часов____

| ■ 'Определение теердоста_мг - % а______]

Сравнение полученного результата с данными чертежа элемента

-- --------— ^ Г___ _

Металлографический анализ образцов материала в нагруженной и !: . ■■ - ненагр^-. :чах____

Сравнение полученных результатов__

Выводы о возможности продления назначенного ресурса элемента ___: трансмиссии

Рисунок 5 - Блок-схема методики оценки возможности продления ресурсов

Предложен порядок продления ресурсов изделиям трансмиссии (хвостовой вал, главный вал, промежуточный редуктор, хвостовой редуктор), который предлагается проводить в четыре этапа в рамках стратегии управления ресурсом СУР (III).

Далее предложено внесение в Регламент технического обслуживания работ с целью поддержания исправности, надежности и работоспособности хвостовой трансмиссии вертолета Ми-2 при ТО. Путем анализа возможностей методов неразрушающего контроля (Ж) наиболее подходящим для выполнения задач контроля целостности хвостовой трансмиссии вертолета Ми-2 выбран ультразвуковой метод НК. При обнаружении трещины на данных элементах, вопрос о снятии или допуска к дальнейшей эксплуатации принимается на основе данных расчета коэффициента интенсивности напряжений Кс и критического размера

трещины для конкретного участка элемента и конкретного направления и расположения трещины. Внесение дополнительных работ в Регламент технического обслуживания вертолета Ми-2 и определение периодичности их выполнения выполнены с помощью используемой в РФ зарубежной методики МБО-З.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В работе научным методом, путем проведения экспериментальных исследований в результате которых установлено, что физико-механические характеристики материала вала (ст. 30ХН2МФА) трансмиссии вертолета Ми-

2, подвергшегося эксплуатационному нагруженшо в течение 4500 часов остались практически на исходном уровне, доказана необоснованность ограничения назначенных ресурсов хвостовой трансмиссии, и возможность поэтапного продления этим элементам назначенного ресурса, вплоть до назначенного ресурса планера - 10500 часов.

2. Выполненные расчеты коэффициентов запаса прочности также показали, что коэффициент запаса прочности материала хвостового вала в процессе выработки назначенного ресурса изменился незначительно, что также доказывает необоснованность ограничения назначенного ресурса хвостовой трансмиссии вертолета Ми-2 до 4500 часов.

3. Выполнен инженерный анализ элементов хвостовой трансмиссии, показавший высокую надежность хвостовой трансмиссии.

4. Предложен порядок поэтапного продления назначенного ресурса хвостовой трансмиссии вертолета Ми-2.

5. Определены работы, с использованием МБв-З анализа, которые необходимо внести в Регламент технического обслуживания вертолета Ми-2 при поэтапном продлении хвостовой трансмиссии назначенного ресурса. Выбран наиболее подходящий метод неразрушающего контроля элементов хвостовой трансмиссии.

6. Определена периодичность выполнения этих работ с использованием

МБв-З анализа.

Полученные результаты дают возможность:

1. Существенно повысить эффективности эксплуатации вертолетов за счет продления ресурса хвостовой трансмиссии.

2. Существенно снизить время и расходы на продление ресурсов авиационных конструкций.

3. Оценивать ресурсные возможности элементов других типов отечественных воздушных судов ГА.

4. Формировать перечень контрольных операций для внесения в Регламент ТО с целью поддержания исправности и работоспособности элементов, которым продляется ресурс и определение периодичности выполнения этих работ.

Основные публикации по материалам диссертации В изданиях, рекомендованных ВАК для опубликования материалов диссертаций:

1. Семенихин, P.JI. Оценка ресурсоспособности хвостового вала трансмиссии вертолета Ми-2 [Текст] / Р.Л. Семенихин // Научный вестник МГТУ ГА. - 2010. - № 160. - С. 108 - 115.

2. Пивоваров В.А. Рекомендации по установлению ресурсов вертолету Ми-2 [Текст] / В.А. Пивоваров, Р.Л. Семенихин // Научный вестник МГТУ ГА. -2012. -№ 179 (5).-С. 107-113.

3. Семенихин Р.Л. Расчетная оценка запаса прочности хвостового вала вертолета Ми-2 [Текст] / Р.Л. Семенихин // Научный вестник МГТУ ГА. - 2014. - № 205 (7). - С. 81 - 85.

4. Машошин О.Ф. Методика определения технического состояния авиадвигателей по анализу выбега роторов [Текст] / О.Ф. Машошин, Р.Л. Семенихин // Научный вестник МГТУ ГА. - 2005. - № 85. - С. 46 -50.

Подписано в печать 23.03.15 г. Печать офсетная Формат 60x84/16 1,0 уч.-изд. л. 1,05 усл.печ. л._Заказ № 1977/ ¿'Я_Тираж 100 экз.

Московский государственный технический университет ГА 125993 Москва, Кронштадтский бульвар, д. 20 Редакционно-издательский отдел 125493 Москва, ул. Пулковская, д.ба

© Московский государственный технический университет ГА, 2015