close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

научный вестник мгту га № 183 (9)

код для вставкиСкачать
ISSN 2079-0619
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ
№ 183
Москва
2012
ИНФОРМАЦИОННОЕ ПИСЬМО
Московский государственный технический университет гражданской
авиации (МГТУ ГА) – ведущий научно-образовательный центр России в
области подготовки специалистов гражданской авиации. В университете
проводятся фундаментальные и прикладные научные исследования по
широкому спектру научных направлений, касающихся всех аспектов
деятельности гражданской авиации.
Достижения
научной
деятельности
университета
явились
основанием для включения издаваемого Научного Вестника МГТУ ГА в
перечень ведущих научных журналов и изданий Высшей аттестационной
комиссии (ВАК). Обращаем Ваше внимание, что только шесть
технических вузов Москвы включены в этот перечень.
В настоящее время в работе над Научным Вестником МГТУ ГА
принимают участие ведущие российские и зарубежные ученые,
специалисты-практики, руководители компаний.
Приглашаем ученых и специалистов для публикации в Научном
Вестнике МГТУ ГА научных статей по следующим направлениям:
аэромеханика; радиофизика и радиотехника; эксплуатация воздушного
транспорта; навигация и УВД; воздушное право; математика и физика;
менеджмент, экономика, финансы; история, философия, социология.
Вестник выходит один раз в месяц, публикация статей в Научном
Вестнике МГТУ ГА бесплатная.
Будем рады видеть Вас в числе наших подписчиков и авторов.
Приоритет в очередности публикации предоставляется ученым тех
организаций, которые оформили подписку на Научный Вестник МГТУ ГА.
Информацию по оформлению статей можно найти на сайте МГТУ
ГА: http://www.mstuca.ru
Подписка на Научный Вестник МГТУ ГА осуществляется через
каталог ОАО Агентства «Роспечать», подписной индекс 84254.
С уважением,
главный редактор Научного Вестника МГТУ ГА,
заслуженный юрист РФ, профессор,
д-р техн. наук, д-р юрид. наук
Исп. Клюева Н.Н., 8 (499)459-04-26, n.klyueva@mstuca.aero
Елисеев Б.П.
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ВОЗДУШНОГО ТРАНСПОРТА
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ» (МГТУ ГА)
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК
МГТУ ГА
№ 183 (9)
Издается с 1998 г.
Москва
2012
Научный Вестник МГТУ ГА решением Президиума ВАК Министерства образования и науки РФ включен в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и
изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени доктора и кандидата наук.
Главная редакция
Главный редактор -
заслуженный юрист РФ, д-р юрид. наук, д-р техн. наук,
проф. Б.П. Елисеев (МГТУ ГА)
Зам. главного редактора -
д-р техн. наук, проф. Е.Е. Нечаев (МГТУ ГА)
Ответственный секретарь главной редакции - д-р техн. наук, доц. О.Г. Феоктистова
(МГТУ ГА)
Члены главной редакции - д-р экон. наук, проф. Б.В. Артамонов (МГТУ ГА);
д-р филос. наук, проф. О.Д. Гаранина (МГТУ ГА);
д-р техн. наук, проф. Л.Н. Елисов (МГТУ ГА);
д-р экон. наук, проф. В.А. Казаков (МГУ им. М.В. Ломоносова);
заслуженный деятель науки РФ, д-р техн. наук,
проф. В.Т. Калугин (МГТУ им. Н.Э. Баумана);
заслуженный деятель науки и техники РФ,
д-р физ.-мат. наук, проф. А.И. Козлов (МГТУ ГА);
д-р техн. наук, проф. В.Л. Кузнецов (МГТУ ГА);
д-р техн. наук, проф. С.В. Кузнецов (МГТУ ГА);
заслуженный деятель науки и техники РФ,
д-р физ.-мат. наук, проф. Д.С. Лукин (МФТИ);
д-р техн. наук, проф. В.В. Соломенцев (НТЦ «Промтехаэро»);
заслуженный деятель науки РФ, д-р техн. наук,
проф. В.Г. Ципенко (МГТУ ГА);
д-р техн. наук, проф. В.С. Шапкин (ГосНИИ ГА)
Редакционная коллегия выпуска
Ответственный редактор выпуска
Ответственный секретарь выпуска
- д-р техн. наук В.М. Самойленко (МГТУ ГА)
- канд. техн. наук С.К. Груздков (МГТУ ГА);
Г.В. Чернова (МГТУ ГА)
Члены редакционной коллегии
- д-р техн. наук, проф. Ю.Н. Макин (МГТУ ГА);
- д-р техн. наук, проф. Е.А. Коняев (МГТУ ГА)
E-mail: rlaiad@mstuca.aero
тел. +7(499)459-07-52
ISBN 978-5-86311-835-2
Плата за публикацию в Научном Вестнике МГТУ ГА с аспирантов не взимается
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК
МОСКОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО
ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ
№ 183 (9)
2012
СОДЕРЖАНИЕ
Макин Ю.Н. О роли профессора В.П. Фролова в становлении и развитии кафедры ремонта
летательных аппаратов и авиационных двигателей……………………………….....................
Саввина А.М., Макин Ю.Н. Моделирование «качества» в автоматизированных системах
управления проектированием ремонта……………………………………………………………..
Макин Ю.Н., Груздков С.К., Саввина А.М. Элементы математической модели ремонта
деталей авиационной техники диффузионной металлизацией……………………………........
Мерзликин И.Н. Электромагнитное излучение как сопутствующий фактор в процессе
эксплуатации АТ…………………………………………………………………………………..
Древняк В.О., Пащенко Г.Т., Тарасов А.И. Способ повышения долговечности теплозащитных покрытий…………………………………………………………………………………
Жуков А.А., Хасанова Л.А. Повышение эффективности процессов азотирования.………..
Осипов А.О., Осипов О.П. Влияние температуры и концентрации присадки «И-М» на содержание воды в топливе…………………………………………………………………………
Таран В.М., Дмитриев С.В., Стрельников О.Я. Оценка влияния коррозионного разрушения стенки горизонтальных заглубленных резервуаров и трубопроводов на их техническое состояние……………………………………………………………………………………..
Грядунов К.И., Тимошенко А.Н. Обоснование времени отбора проб масла при рентгенофлуоресцентном анализе……………………………………………………………………….
Урявин С.П., Голубева М.Г., Зенушкин В.Н. Кинетика роста массы отложений на конкретном золотнике насоса-регулятора НР-30 КП ГТД Д-30КУ при его контакте с авиакеросином…
Амплеев Д.В., Миколайчук Ю.А. Исследование возможности ультразвукового контроля
узла крепления рулевых винтов вертолетов типа Ми-8 с использованием визуализации
эхо-сигналов TOFD методом.……………………………………………………………………..
Баранов Д.А., Древняк В.О., Пащенко Г.Т. Особенности технологии ремонта теплозащитных покрытий…………………………………………………………………………………
Сыроедов Н.Е., Петухов В.Г., Галко С.А. Влияние азотированного авиатоплива на воспламеняющую способность электрических разрядов…………………………………………
Чеп В.А., Шарыкин Ф.Е., Волков С.И. Оценка качества промывки гидравлических систем воздушных судов……………………………………………………………………………...
Рыбаков Ю.Н., Ванчугов Н.А. Применение эластичных резервуаров на объектах топливозаправочного комплекса авиатопливообеспечения…………………………………………..
Сыроедов Н.Е., Терещенков Е.В., Волков С.И. Влияние эксплуатационных режимов работы систем централизованной заправки топливом на гидродинамические характеристики
потока топлива……………………………………………………………………………………..
Сыроедов Н.Е., Волков К.С. Методика прогнозирования показателей безотказности
(надежности) средств заправки топливом воздушных судов …………………………………
5
11
16
21
24
28
34
37
41
45
51
59
63
69
73
76
83
Молчанов О.В., Старый С.В., Новиков М.В. Метод определения технологических потерь нефтепродуктов при приеме в резервуары…………………………………………………
Осипов А.О. Разработка многофункционального стенда, моделирующего условия эксплуатации реальных фильтроэлементов в топливозаправщиках и агрегатов фильтрации топлива…..
Мышкин Л.В., Беляев С.И. Подход к определению оптимального облика военнотранспортного самолета двойного назначения с учетом надежности и боевой живучести….
Легеза И.И., Сметанников Н.П., Тофоров М.С. Методика экспериментального определения величины давления льда на обшивку сотовых конструкций…………………………
Воробьев В.В., Мозоляко Е.В. Проблемы предотвращения столкновения гражданских
воздушных судов в управляемом полете………………………………………………………...
Смульская М.А., Филатов Ю.Н., Филатов И.Ю. Исследование эксплуатационных
свойств нановолокнистого материала на основе смеси фторполимеров, полученного методом электроформования…………………………………………………………………………..
Климов Н.А., Сузиков В.В., Лихтерова Н.М. Оценка совместимости авиакеросинов с
материалами топливных систем летательных аппаратов……………………………………….
Кондратенко В.В., Сузиков В.В., Лихтерова Н.М. Современное состояние и перспективы развития методов оценки противоизносных свойств реактивных топлив…………………
Саввина А.М. О развитии исследований в МГТУ ГА по разработке общей теории авиаремонтного производства……………………………………………………………………………
Феоктистова О.Г. Проблемы включения авиационной отрасли в европейскую систему
торговли разрешениями на выбросы парниковых газов………………………………………..
88
92
98
106
109
114
120
123
128
134
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА
2012
№ 183
УДК 621.45 - 62-15:629.1.056
О РОЛИ ПРОФЕССОРА В.П. ФРОЛОВА В СТАНОВЛЕНИИ
И РАЗВИТИИ КАФЕДРЫ РЕМОНТА ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
И АВИАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Ю.Н. МАКИН
В статье приведены воспоминания о профессоре В.П.Фролове в период руководства кафедрой ремонта летательных аппаратов и авиационных двигателей.
Ключевые слова: общая теория, ремонт.
Данная статья посвящена памяти Виктора Петровича Фролова, доктора технических наук,
профессора, заслуженного деятеля науки и техники РФ, Лауреата премии Совета Министров
СССР, автора более 300 монографий, учебников, изобретений, научных статей, который возглавлял кафедру ремонта летательных аппаратов и авиационных двигателей МИИГА – МГТУ ГА
с 1979 по 1995 годы и до конца своих дней работал в должности профессора кафедры. Им подготовлены десятки кандидатов и докторов наук. Сотни соискателей этих научных степеней он
поддержал своими благожелательными отзывами как официальный оппонент.
12 августа 2010 года. Первое лето без Виктора Петровича Фролова. Ему исполнилось бы 86
лет. Я пришёл к нему в 1981 году 30-летним аспирантом, он стал моим учителем в научной и
педагогической теории и практике. Часто всего человека, всю его недюжинную интеллектуальную силу может охарактеризовать крошечный эпизод. Когда я закончил подготовку докторской
диссертации, то сильно сомневался, соответствует ли она требованиям докторской степени.
Поэтому перед летними университетскими каникулами один экземпляр текста объёмом почти в
500 страниц дал заведующему кафедрой ремонта ЛА и АД МГТУ ГА, доктору технических наук, профессору Коняеву Евгению Алексеевичу, а второй Виктору Петровичу Фролову. Если
Е.А. Коняев добротно «прошерстил» её, дав кучу благожелательных замечаний, рекомендаций
и положительное решение о её соответствии требованиям ВАК, то В.П. Фролов открыл свой
ежедневник, который вёл многие годы, нашёл нужную страницу и показал мне запись от
22.07.2001 г: «Закончил чтение диссертации Макина Ю.Н. Диссертация состоялась!» И у меня
сразу «выросли крылья»!
Первая встреча с Виктором Петровичем Фроловым состоялась 18 марта 1981 г. у него на
квартире. В этот день я и начальник Вычислительного центра Внуковского авиаремонтного
завода (ВАРЗ) № 400 ГА Холопов Анатолий Михайлович по приглашению Виктора Петровича
решили обсудить вопрос о наших возможных кандидатских диссертациях. К сожалению, Анатолий Михайлович был уже в это время очень больным человеком и 2 июня 1982 г. в возрасте
45 лет скоропостижно скончался.
Мне было предложено заняться темой «Разработка и исследование основ математического
обеспечения автоматизированной системы управления (АСУ) проектированием технологии
ремонта авиатехники (ПТР АТ) высокотемпературной обработкой». При этом Виктор Петрович
сообщил, что ранее у него была беседа с директором ВАРЗ № 400 ГА Сладковым Владимиром
Петровичем, с которым была согласована его тема кандидатской диссертации: «Основы организации АСУ проектированием технологических процессов ремонта деталей авиатехники (этапы, принципы, методы, примеры и т.д.)». Как видно из указанных формулировок, В.П.Фролов
сразу закладывал все этапы научно-исследовательской работы по автоматизации проектирования технологических процессов ремонта авиационной техники, от концепции до реального
внедрения. Спустя 6 лет 5 месяцев и 16 дней мне была присуждена искомая степень кандидата
6
Ю.Н. Макин
технических наук. Окончательная тема диссертации практически не отличалась от сформулированной на той памятной встрече.
Моё знакомство с профессором Фроловым было обусловлено производственной необходимостью. В 1980 г. я перешёл с должности инженера-конструктора 2-й категории Конструкторского бюро точного машиностроения, на работу во Всесоюзное государственное хозрасчётное
промышленное объединение по ремонту авиационной техники гражданской авиации (ВГПО
«Авиаремонт»), где мне была предложена вновь введённая должность главного технолога по
ремонту двигателей большой тяги и поставлена задача организации освоения ремонта вновь
поступающих в массовую эксплуатацию перспективных авиационных двухконтурных газотурбинных двигателей большой тяги Д-30 КУ, КП и НК-8-2У. Помимо решения организационных
и технических задач, к 1981 году со всей остротой была осознана проблема морального старения «Руководств по капитальному ремонту», что затрудняло расширение номенклатуры восстанавливаемых деталей путём внедрения новых перспективных технологических процессов ремонта [1]. Её решение силами специалистов ВГПО «Авиаремонт» и заводов ГА было затруднительным, поскольку задача на первоначальном этапе была скорее научной, а научных кадров в
указанных организациях не было. Поэтому было решено привлечь к разработке данного научного направления учёных с кафедры ремонта ЛА и АД Московского института инженеров ГА
(МИИГА).
Кафедра ремонта ЛА и АД была образована в сентябре 1975 г. путем выделения из кафедры
технической эксплуатации и ремонта ЛА и АД. Она стала выпускающей и одной из ведущих в
вузе. В декабре 1979 г. на должность профессора кафедры был назначен специалист по ремонту
AT и прочности металлов, доктор технических наук, профессор Фролов Виктор Петрович. До
этого он 28 лет проработал на кафедре восстановления боевой авиационной техники в ВВИА
им. проф. Н.Е. Жуковского. Спустя три месяца В.П.Фролов возглавил указанную кафедру.
Тесные деловые связи В.П. Фролова и доктора технических наук, профессора кафедры ремонта ЛА и АД Авчинникова Бориса Ефимовича (ранее возглавлявшего кафедру ремонта в
ВВИА им. проф. Н.Е.Жуковского) с родственной кафедрой в ВВИА им. проф. Н.Е.Жуковского
способствовали переоснащению лабораторной базы кафедры, развитию изобретательства, пополнению ее добротными наглядными пособиями. Учебные лаборатории начали оснащаться
новейшим оборудованием, например, робот-манипулятор "Универсал-5м", установка для алмазно-электролитического резания при ремонте труднообрабатываемых сплавов, электросварочная аппаратура с программным электромагнитным перемешиванием расплавленного металла в зоне шва, лазер ЛТН и другие. На кафедре активно заработала группа аспирантов. Для
большей стабильности притока в аспирантуру молодых инженеров с производства кафедра
провела специальные заседания на авиаремонтных заводах.
Под научным руководством профессоров Фролова В.П. и Авчинникова Б.Е. в составе кафедры была образована хозрасчётная научно-исследовательская отраслевая лаборатория
(ОНИЛ-9) со штатом научных работников, где проводились НИР по новым технологическим
процессам восстановления деталей, в том числе по их математическому моделированию и расчётам на ЭВМ. Кафедра активно воспринимала новые тенденции и формы организации работы,
исходя из специфики развития отрасли. При этом коллектив руководствовался известным положением о том, что в высшей школе именно кафедра является главным звеном учебной, учебно-методической, воспитательной и научно-исследовательской работы.
Первой в МИИГА кафедра ремонта ЛА и АД в интересах образования, производства и науки создала свои филиалы на авиаремонтных заводах ГА № 400 (Внуково) и № 402 (Быково).
Этот положительный опыт формирования деловых и творческих связей вуза с предприятиями
отрасли получил развитие и организационно был закреплен в статусе учебно-научнопроизводственного комплекса (УНПК) ВГПО "Авиаремонт".
В научной деятельности кафедры в те годы стержневую роль стала играть разработанная по
инициативе В.П.Фролова "Межведомственная комплексная целевая программа работ по вос-
О роли профессора В.П. Фролова в становлении и развитии кафедры …
7
становлению деталей авиатехники на ремонтных заводах ГА на период до 1990 года", утвержденная заместителями министра ГА и министра авиационной промышленности. Резко возросло число издаваемых научных статей. Ежегодно в период 1982-1984 гг. издавалось до 30 статей
в сборниках научных трудов КИИГА, РКИИГА, ГосНИИ ГА, ГосНИИЭРАТ ВВС, ХВВАИУ,
ДВВИУ им. Я. Фабрициуса, ВНИИНМАШ, МДНТП им. Ф.Э. Дзержинского, а также в журналах: "Гражданская авиация", "Сварочное производство", "Авиационная промышленность", "Известия АН СССР", серия "Неорганические материалы" и др. В 1985 г. появился первый Межвузовский тематический сборник научных трудов "Эффективность процессов восстановления авиатехники". За первые 10 лет руководства В.П. Фролова кафедрой кандидатские диссертации защитили 14 аспирантов и соискателей и было получено 26 авторских свидетельств на изобретения.
Продолжалось совершенствование и развитие УНПК "Авиаремонт". Учебный и научноисследовательский процесс кафедры сомкнулся с многофункциональной деятельностью крупных авиаремонтных предприятий ГА на добротной юридической основе. Это позволило расширить в 5 раз объем финансирования НИР кафедры, создать на базе ОНИЛ-9 еще 3 ОНИЛ, повысить качество выполнения дипломных проектов и активность подготовки аспирантов для предприятий, ускорить внедрение законченных НИР в производство, обеспечить ротацию кадров
кафедры из штата НИС в штат учебного персонала и обратно. Это стало возможно во многом
благодаря огромному научному, педагогическому и организационному опыту профессора
Фролова В.П. Несомненной его заслугой явилось и то, что он умел находить и привлекать к
работе перспективных как опытных, так и молодых ученых.
1980 – 1995 гг. были благоприятны для развития внутривузовской науки. Существенный
рост масштаба и характера задач, решаемых ГА в тот период, обусловил потребность в адекватном росте производственных мощностей АРП и, как следствие, рост потребности в развитии
и накоплении научно-технического потенциала технологической науки в сфере авиаремонтного
производства, что вызвало интенсивный рост научных исследований по совершенствованию
техники и технологии авиаремонтного производства.
Ретроспектива решения проблемы прошла несколько стадий, логически дополнявших и
развивавших друг друга, это разработка: программ по внедрению новых перспективных технологических процессов ремонта авиационной техники и по расширению номенклатуры восстанавливаемых деталей; технологических процессов и оборудования; теоретических основ авиаремонтного производства в рамках концепции создания автоматизированной системы управления проектированием технологических процессов восстановления деталей авиатехники [1].
К Виктору Петровичу тянулись люди, желающие заниматься наукой со всего СССР. Требовали своего развития и организационные формы проведения широкомасштабных научных исследований. В 1981 г. в составе Научно-технического совета Министерства ГА была образована
секция № 19 «Ремонт авиационной техники»: председатель – начальник ВГПО «Авиаремонт»,
кандидат экономических наук Е.Н. Китов, зам. председателя, доктор технических наук, профессор В.П. Фролов, учёный секретарь секции, главный технолог ВГПО «Авиаремонт» Ю.Н. Макин. Научное руководство секцией возглавил В.П. Фролов. Производственно-внедренческую часть –
Е.Н. Китов, в подчинении которого находилось 26 авиаремонтных заводов. Секция стала пользоваться большой популярностью у всех интересующихся наукой в сфере ремонта, особенно у
сотрудников авиаремонтных предприятий гражданской авиации, поскольку, сделав доклад на
заседании нашей секции, можно было получить решение НТС МГА, утверждённое заместителем министра. Это был очень серьёзный документ в поддержку конкретных научных разработок и учёных. Для сближения науки и производства, чтобы как можно больше работников заводов могли получить возможность прямого общения с ведущими учёными отрасли, организовывались выездные заседания секции. Заводы ГА были рады принять на своей территории такого
маститого учёного, как Виктор Петрович, и старались по возможности создать комфортные
условия для нашей работы и отдыха. Это привело и к значительному росту аспирантов и соискателей кафедры ремонта ЛА и АД.
8
Ю.Н. Макин
Каждый аспирант думает, что вся его диссертация в готовом виде находится «в голове» научного руководителя, и он не выдаёт её сразу «на гора» только для того, чтобы растянуть время
выхода на защиту. Но тематика НИР в сфере авиаремонтного производства требует серьёзной,
иногда рутинной, постоянной работы, наличия у аспиранта определённого производственноорганизационного практического опыта, желания и способности овладения навыками ведения
научно-исследовательской работы.
Я тоже поступил в заочную аспирантуру МИИГА. Виктор Петрович взял на себя роль моего
научного руководителя по кандидатской диссертации, а, в дальнейшем, и научного консультанта по докторской диссертации, итогом которой стало создание новой научной дисциплины общей теории авиаремонтного производства [2]. Он рекомендовал мне литературу по теме будущих исследований, учёных, которые работали в близких по тематике областях. Через установленные деловые контакты я получил доступ к результатам научных исследований по тематике НИР, изучил ранее практически не используемые при ремонте методы научного исследования: автоматизация конструирования, теории подобия и моделирования, методы планирования эксперимента, прикладной регрессионный анализ, которые стали основными для меня в
дальнейшей научной работе. И, главное, что я вынес из них, что в абстрактно-методологическом плане запланированная нами тематика близка к задачам в области математического моделирования процессов проектирования радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), поскольку: процессу выбора конкретной схемы РЭА из бесконечного множества вариантов должна предшествовать его формализация методами абстрактной алгебры; формальная математическая модель
может быть проанализирована, оптимизирована и синтезирована уже в оптимальном варианте.
Получался костяк будущей математической модели, который не давал «блуждать в потёмках»
при синтезе конкретных математических моделей процессов проектирования.
Научная апробация и обсуждение результатов НИР «Разработка и исследование основ математического обеспечения автоматизированной системы управления (АСУ) проектированием
технологии ремонта авиатехники (ПТР АТ)» научной общественностью показала, что работа
по созданию АСУ проектирования техпроцессов ремонта является пионерской и заявлена
в мировой практике впервые.
В.П. Фролов, являясь членом диссертационных советов в МИИГА и ВВИА им. проф.
Н.Е. Жуковского, активно оппонируя диссертации в других советах, являлся для меня неоценимым источником информации о том, в каких диссертациях в области технологических процессов приводились интересные частные математические модели. В основном, эти модели были
результатом планирования эксперимента при поиске оптимума. Они легли в основу концепции
автоматизированного проектирования технологий, когда знания о протекающих в них физикохимических процессах недостаточны или они слишком сложны и неоднозначны. В основу концепции автоматизированного проектирования технологий, когда знаний о протекающих в них
физико-химических процессах наоборот очень много, но эти процессы технологически многостадийны, легла докторская диссертация В.П. Фролова. В ней впервые представлена модель
проектирования процесса пайки решётчатых крыльев как система математических условий
возможности протекания процесса пайки. Изучение указанных математических моделей процессов накапливало соответствующую базу данных, без которых не работает ни одна АСУ.
Полной реализации идей и разработок по созданию автоматизированной системы проектирования технологических процессов ремонта помешала «перестройка» и начавшийся вслед за
этим переход на рыночные механизмы управления отраслью. Но кое-что успели сделать. На
нескольких ремонтных заводах ГА были созданы АСУ технологическими процессами испытания авиадвигателей, которые позволяли: в автоматизированном режиме не только регистрировать параметры испытаний, но и рассчитывать параметры, измеряемые косвенным путём, оптимизировать их и давать команды на исполнительные механизмы регулировочных устройств
агрегатов; по регистрируемым параметрам зазоров в собираемом авиадвигателе рассчитывать
вероятность того, что двигатель не пройдёт с первого раза стендовые испытания и, если эта ве-
О роли профессора В.П. Фролова в становлении и развитии кафедры …
9
роятность превышала 50%, двигатели без испытаний направлялись в повторную переборку, что
значительно ускоряло ремонт авиадвигателей и экономило большие денежные средства; создать многочисленные расчетные модели технологических процессов ремонта и свойств конструкционных материалов, применяющиеся при ремонте. Но, пожалуй, главным результатом
можно считать, что МГТУ ГА, кафедра ремонта ЛА и АД впервые разработали фундаментальную науку «Общая теорию авиаремонтного производства» и являются пионерами в
данных научных исследованиях [2].
Как большой учёный, Виктор Петрович обладал фундаментальными знаниями во многих областях, и не только в технике и технологии. Он автор монографии «Экономика ремонта боевой
авиационной техники». Впервые в области ремонта машин исследовал вопросы историографии,
философии и социологии. Его «Основные законы и закономерности АРП» [3] легли в основу разрабатываемой сейчас философии ремонта машин как прикладной философии техники [4].
Виктор Петрович первый начал серьёзное изучение исторических аспектов ремонта машин.
Они предвосхитили современные реалии нашей жизни, то, что в современных экономических
условиях организация и управление производственной и сбытовой деятельностью авиапредприятий на рынке авиаперевозок в значительной степени определяются уровнем анализа маркетинга, стратегическое планирование которого в сфере науки, техники и технологии позволяет
организовать эффективную долгосрочную инвестиционную политику предприятия. Основными
задачами исследовательской функции маркетинга является изучение исторической ретроспективы прошлой стратегии, выявление тенденций и их экстраполяция. Точность такого научнотехнического прогноза о путях и целях развития рынка авиаперевозок определяется полнотой
выявленных: состава перспективных проблем; потенциальных сфер использования научных
достижений; концепции развития техники и ее основных эксплуатационных параметров. Этот
прогноз тем точнее, чем большую историческую ретроспективу он охватывает.
Виктор Петрович был большой патриот своей Родины. Он своим опытом чувствовал те
опасности, которые могут вести к ослаблению России в плане её безопасности. В настоящую
историческую эпоху, когда отечественной дальней гражданской авиации практически не осталось, он на конкретных исторических уроках наглядно показал, к чему может привести современная ориентация на зарубежную авиационную технику. Он обосновал, что в случае возникновения военной угрозы не надо уничтожать ВВС и ГА на аэродромах, в полёте, на складах, в
пути следования и на заводах-изготовителях, достаточно прекратить обслуживание, снабжение
запасными частями и ремонт импортной авиатехники, чтобы покончить со страной как авиационной державой, что отечественное производство, техническая эксплуатация и ремонт авиационной техники есть проблема не только техническая, технологическая, но также социальноэкономическая, а в применении к задачам защиты Отечества ещё и проблема военностратегическая [5].
Виктор Петрович Фролов, учёный, педагог, организатор отечественного авиаремонтного
производства, патриот России, всегда останется с нами в делах его многочисленных последователей и учеников.
ЛИТЕРАТУРА
1. Макин Ю.Н. Об историческом приоритете МГТУ ГА в разработке общей теории авиаремонтного производства // Научный Вестник МГТУ ГА. - 2008. - № 129. - С. 30 - 36.
2. Макин Ю.Н. Основы общей теории авиаремонтного производства. - М.: МГТУ ГА, 2004.
3. Фролов В.П. Основные законы и закономерности развития авиаремонтного производства в гражданской
авиации: конспект лекций. - М.: МИИГА, 1983.
4. Макин Ю.Н, Наумова Т.В. Философско-методологические проблемы ремонта техники // Научный Вестник МГТУ ГА. - 2010. - № 155 (5 Б). - С. 103-105.
5. Фролов В.П., Макин Ю.Н. Государственная значимость отечественного производства и ремонта гражданской авиационной техники // Научный Вестник МГТУ ГА. - 2010. - № 155 (5 Б). - С. 19 - 23.
10
Ю.Н. Макин
ABOUT A ROLE OF PROFESSOR V.P.FROLOV IN FORMATION AND CHAIR DEVELOPMENT
«REPAIR OF FLYING MACHINES AND AVIATION ENGINES»
Makin J.N.
Memories of professor of Accusative Frolov are given in article in the management of chair “Repair of flying machines and aviation engines”.
Key words: general theory, repair.
Сведения об авторе
Макин Юрий Николаевич, 1952 г.р., окончил МАИ (1975), доктор технических наук, профессор
МГТУ ГА, академик Академии наук авиации и воздухоплавания, автор более 110 научных работ, область научных интересов - технологические процессы ремонта авиационной техники и их математическое моделирование, общая теория авиаремонтного производства.
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА
2012
№ 183
УДК 621.45 - 62-15:629.1.056
МОДЕЛИРОВАНИЕ «КАЧЕСТВА» В АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ
СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЕМ РЕМОНТА
А.М. САВВИНА, Ю.Н. МАКИН
В статье рассмотрено понятие качества, как философской категории, и предложен метод мегамоделирования
в автоматизированных системах проектирования ремонта.
Ключевые слова: качество, ремонт машин, моделирование.
В ряде работ [1] показана необходимость разработки философии ремонта машин, как прикладного направления философии техники. В статьях 2, 3 приведены её основные функции:
гносеологическая, гуманистическая, регулятивная и прогностическая. В докладе [4] обоснована
важность и относительность понятия «качество» применительно к техническим устройствам.
Концептуальным понятием во вновь разрабатываемой философии является философская категория «качество». Его фундаментальность объясняется следующим рассуждением. Что интересует человека в технике? Качество, как степень удовлетворения потребности субъекта в выполнении какой-то работы с помощью технического объекта (машины). Качества машины как самостоятельного понятия не существует. Под ним понимают перенесённую на технический объект «удовлетворённость» субъекта машиной. Абстрагирование этой «удовлетворённости» от
отдельного индивидуума к их сообществам, происходит путём выделения «математического
ожидания» общественных потребностей с некоторой дисперсионной корреляцией. Это фьючерсное «ожидание потребностей» определяется стратегическим планированием маркетинга и
последующим исключением из потребного качества всяческих «вкусовых» понятий, которых
нельзя измерить. Таким образом формируется потребное квалиметрическое качество, которое
можно подсчитать и измерить. Для сложных машин это совокупное, интегральное качество
объекта разбивается на единичные квалиметрические качества, объединение которых и является философской категорией качества машины. Каждое потребное единичное квалиметрическое
качество машины можно получить путём ряда итераций: расчёт, проектирование, технологическая подготовка, изготовление, испытание.
Важным моментом полученного качества машины является то, что оно должно сохранять
свои единичные квалиметрические показатели по времени эксплуатации. Это обуславливает
включение в ряд качественных показателей условия эксплуатации: как долго изделие можно
использовать по назначению без выхода определённых показателей качества за допустимые
пределы, какие работы; с какой периодичностью и трудоёмкостью их надо производить, чтобы
увеличить сроки этой эксплуатации и, наконец, возможность проведения работ по приведению
вышедших за пределы допустимого качественных показателей в исходное «качественное» состояние», их трудоёмкость и степень сложности.
С учётом сказанного, качество машины есть некий набор const, каждая из которых состоит
из номинальной величины и разрешённых допусков на отклонение от номинала.
Сейчас модным направлением в науке стал «менеджмент качества». Учитывая, что «менеджмент» это «управление», можно сказать «управление качеством». Но, возникает вопрос, а
можно ли управлять const? Управлять можно лишь динамическими параметрами. Для технических систем это мониторинг (зачастую в режиме реального времени) величины const. Когда она
выходит за установленные пределы, изделие становится некачественным и тогда действительно
необходимы какие-то управленческие воздействия, чтобы возвратить утраченное качество.
Как было обосновано в работе [5], в технике этот менеджмент разделён на две концептуально
различные задачи. Техническое обслуживание (с мониторингом-диагностикой) преследует цель
12
А.М. Саввина, Ю.Н. Макин
продлить на как можно большее время выход const за пределы допуска. Капитальновосстановительный ремонт направлен на возвращение качества в пределы установленного допуска.
Из вышеизложенного можно сделать вывод, что в основе философии техники и, в частности, философии ремонта машин, философская категория «качество» играет довлеющую, фундаментальную роль. В связи с этим возникает вопрос о возникновении (ретроспекции) этой философской категории и её эволюционировании. Данному вопросу посвящено много работ, например [6], где приведены и библиографические источники по теме. Но, в приложении к философии ремонта машин, категория качество рассмотрена впервые.
Как известно, дефиниция «качество», как философская категория, введено в научный оборот Аристотелем в его Метафизике [7]. Необходимо отметить, что рассуждения о качестве пронизывают весь трактат. Учёный как бы нащупывает подходы к этой категории и развивает её на
всём протяжении исследования. В связи с этим, не совсем корректно, когда исследователи выделяют из Метафизики несколько цитат-сентенций в поддержку собственных научных изысканий. Представляет интерес рассмотрение метаморфоз категории «качество» в Аристотелевой
Метафизике.
Уже в начале работы Аристотель устанавливает вторичность, подчинённость категории
«количество» по отношению к «качеству»: «Когда ничего не было различено, об этой сущности
ничего нельзя было правильно сказать … Ибо она не могла быть ни качеством, ни количеством,
ни определённым нечто» [7, с.84]. Это справедливо, поскольку в технике «количество» является
в большинстве случаев мерилом «качества»: «…вопросы относительно начал, а также вопрос,
есть ли они нечто общее, или они то, что мы называем единичным. Если они нечто общее, то
они не могут быть сущностями, ибо свойственное всем … всегда означает не определённое нечто, а какое-то качество…»[7, с.118]. Но, не сбрасывается со счетов и другая ипостась «качества», а именно то, что качество включает в себя и «вкусовые», математически неопределяемые
показатели: «Качеством называется видовое отличие сущности…относящееся к сущности видовое отличие и есть качество … в одном смысле качеством называется видовое отличие сущности, а в другом говорится о качестве в отношении неподвижного, а именно в отношении математических предметов…» [7, с.164]. «… единое в существе своём, если точно указывать значение слова, есть прежде всего некоторая мера, главным образом для количества, затем для качества. А мерой оно будет, если оно неделимо – в одном случае по количеству, в другом – по
качеству; поэтому, единое неделимо или вообще, или поскольку оно единое» [7, с.255]. «…если
числа и единое имеются и у состояний, и у качеств, и у количеств … единое некоторым образом
означает то же самое, что и сущее, это ясно из того, что оно сопутствует категориям в стольких
же значениях, что и сущее, и не подчинено ни одной из них (ни категории сущности, например,
ни категории качества, а относится к ним так же, как сущее)…» [7, с.257]. «… сущность связана
с качеством, а качество имеет определённую природу, тогда как количество – неопределённую…» [7, с.282].
В Метафизике предвосхищён очень важный этап современной подготовки к производству
вновь создающейся техники, а именно, этапа формирования технического задания на разработку с паретооптимальным соотношением единичных показателей качества: «Бытиём в возможности обладает и то, чего ещё нет: ведь возникает то, чего нет, но не возникает то, бытиё чего
невозможно» [7, с.118]. Машины, по существу, ещё нет, а её модель в образе потребительского
объекта уже определена, и, исходя из этой модели, ведётся процесс её материальной реализации. Не упускается из виду и то, что качество машины возникает только в процессе использования машины по назначению: «…из того, что есть, одно означает суть (вещи), другое – качество… они также не сводимы ни друг к другу, ни к чему-то третьему» [7, с.177]. Аристотель не
упускает из виду и доминирующее положение качества в смысле познания машины, как потенциального объекта проектирования или покупки: «…мы знаем что бы то ни было больше всего
тогда, когда знаем, что оно есть … если знаем его качество или количество или положение в
Моделирование «качества» в автоматизированных системах управления …
13
пространстве, ибо и из них самих мы каждое знаем тогда, когда знаем, что такое качество или
количество» [7, с. 188].
Такие «возвраты» к объяснению философской категории «качество», на наш взгляд, объясняются тем, что Аристотель предугадывал не существовавшую в то время ипостась качества,
она для него была некоей «фата-моргана», а именно, приложение категории «качество» к техническим конструкциям.
Просто вещь нерукотворная существует и сама по себе как сущность и, если её научатся
использовать для удовлетворения собственных потребностей, как «качество» и как «количество». А техническая конструкция сразу создаётся как «качество» и, лишь после долгого пути
конструкторской, технологической и организационной подготовки, становится и «количеством». И эти две ипостаси «качества» рукотворного и нерукотворного объектов и отношения к
ним индивидуумов всё время смешивались в рассуждениях Аристотеля, придавая им некую несосредоточенность.
Действительно, рукотворная вещь есть сущность, но эта сущность никогда не возникла бы,
если б не её потенциальное качество потребное субъекту. Но возникает вопрос, а есть ли «качество» у нерукотворных объектов? Есть, но оно выражается востребованностью их природной,
экологической, эстетической и других систем.
Сложность формирования структуры АСУ проектированием технологических процессов ремонта связана трудностью формализации качества изделий авиатехники. Решение данной задачи
возможно лишь при моделировании качества методами абстрактной алгебры.
Объединение А конечного множества мощностью n единичных показателей качества детали ai,
являющееся моделью детали первой категории, в процессе эксплуатации подвергается воздействию
различных факторов, которые изменяют единичные показатели качества на величину δ ai
n
A\ ∆ A = ∪ (ai \ δ ai ).
(1)
i=1
При ремонте качество поступившей в ремфонд детали в силу случайных эксплуатационных
повреждений может быть описано лишь случайным образом. Ее реальное качество, выявляемое
лишь в процессе дефектации, ставит задачу выбора оптимального по каким-то критериям процесса его восстановления из множества альтернативных. Это требует сочетания в модели (1)
целого ряда математических моделей технологических процессов восстановления.
Процесс восстановления детали должен осуществлять однозначное отображение характеристик детали ремфонда (1) в характеристики детали первой категории, что в терминах алгебры
логики можно моделировать отображением Ф
n
n
(2)
Ф : ( ∪ (ai \ δ ai )) → ∪ ai
i=1
i=1
Критерием оптимальности может быть выражение
( δ ai ) → min.
(3)
В идеале
( δ ai ) = ∅.
(4)
Отображение Ф в (2) является объединением различных видов технологических процессов ϕ
количеством с, известных в данный момент времени
c
Ф= ∪ ϕ
i.
(5)
i=1
Реализация автоматизированнного выбора оптимального по критериям (3) и (4) технологического процесса ϕ из (5), обеспечивающего отображение (2), требует математического моделирования процессов восстановления с последующей их алгоритмизацией. Два направления
14
А.М. Саввина, Ю.Н. Макин
методологии такого математического обеспечения разделяются на моделирование технологических процессов, хорошо изученных и известных на практике, и новых, физико-химические особенности которых ещё изучены недостаточно.
Первый случай показан на примере восстановления изделий методом пайки [8].
Физико-химические процессы пайки: кинетика образования спаев, смачивание, капиллярное течение, самофлюсование, процессы формирования паяного соединения и другие имеют
разную природу и должны быть объединены в единую математическую структуру, что представляет определенную сложность. Особенно это усложняется тем, что имеется множество способов пайки, припоев и паяльных смесей, флюсов и газовых сред, паяльного оборудования и
других факторов технологического процесса.
Второй случай показан на примере моделирования процессов химико-термической обработки деталей [9].
Вместе с тем, в работе предложена структура математических моделей, связывающая между собой все локальные модели особенностей технологических процессов. Она представляет
собой ряд последовательных математических моделей-условий существования технологического процесса. Невыполнение одного из условий влечет за собой невозможность осуществления
технологического процесса в целом.
Удобство ее заключается в том, что цепочка условий существования процесса восстановления
может наращиваться по мере расширения наших знаний о физико-химических явлениях, протекающих при данном технологическом процессе. При этом могут использоваться самые различные
сочетания типов математических моделей: детерминированные, стохастические, смешанные.
ЛИТЕРАТУРА
1. Макин Ю.Н, Наумова Т.В. Философско-методологические проблемы ремонта техники // Научный Вестник МГТУ ГА. - 2010. - № 155 (5 Б). - С.103-105.
2. Макин Ю.Н. Ремонт машин: гносеологическая и гуманистическая функции // Научный Вестник МГТУ ГА.
- 2008. - № 129. - С.90-94.
3. Макин Ю.Н. Ремонт машин: регулятивная и прогностическая функции // Научный Вестник МГТУ ГА.
- 2009. - № 142. - С.179-182.
4. Макин Ю.Н. Об относительности дефиниции «качество» в философии техники. Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества: тезисы докладов МНТК. - М.: МГТУ ГА, 2008. - С. 283-284.
5. Макин Ю.Н. Энтропийная концепция капитально-восстановительной ремонтной стадии жизненного цикла
// Авиация и космонавтика 2007: 6 – я международная конференция. - М.: МАИ, 2007. - С. 102.
6. Матронина Л.Ф. Концептуализация категории «качество» в историко-философской ретроспективе // Научный Вестник МГТУ ГА. - 2009. - № 142. - С.61-67.
7. Аристотель. Сочинения в 4-х томах. - Т 1 / под ред. В.Ф. Асмус. - М.: Мысль, 1976.
8. Макин Ю.Н., Фролов В.П. Моделирование техпроцесса восстановления изделий авиатехники методом
пайки // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Эксплуатация воздушного транспорта и ремонт авиационной техники.
Безопасность полетов. - 2002. - № 52. - С.125 – 132.
9. Макин Ю.Н., Груздков С.К. Элементы математической модели ремонта деталей авиационной техники
диффузионной металлизацией // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Эксплуатация воздушного транспорта и ремонт авиационной техники. Безопасность полетов. - 2004. - № 74 (8). - С. 54 - 61.
"QUALITY" MODELING IN THE MANAGEMENT INFORMATION SYSTEM REPAIR DESIGNING
Savvina A.M., Makin U.N.
In аrticle the concept of quality as a philosophical category, and the method мего modeling in the automated systems
of designing of repair is offered is considered.
Key words: quality, repair, modeling.
Моделирование «качества» в автоматизированных системах управления …
15
Сведения об авторах
Саввина Анна Михайловна, окончила МГТУ ГА (2011), аспирантка МГТУ ГА, автор 3 научных
работ, область научных интересов – моделирование и алгоритмирование технологических и производственных процессов ремонта авиационной техники.
Макин Юрий Николаевич, 1952 г.р., окончил МАИ (1975), доктор технических наук, профессор
МГТУ ГА, академик Академии наук авиации и воздухоплавания, автор более 110 научных работ,
область научных интересов - технологические процессы ремонта авиационной техники и их математическое моделирование, общая теория авиаремонтного производства.
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА
2012
№ 183
УДК 621. 793. 6
ЭЛЕМЕНТЫ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ РЕМОНТА ДЕТАЛЕЙ
АВИАЦИОННОЙ ТЕХНИКИ ДИФФУЗИОННОЙ МЕТАЛЛИЗАЦИЕЙ
Ю.Н. МАКИН, С.К. ГРУЗДКОВ, А.М. САВВИНА
В статье рассмотрены элементы математической модели ремонта деталей авиационной техники диффузионной металлизацией.
Ключевые слова: восстановление, магнитные свойства, диффузионная металлизация, хромирование, диверсификация.
В рамках стратегии формирования общей теории авиаремонтного производства [1], научной работы, где МГТУ ГА имеет исторический приоритет [2], важнейшей задачей является
разработка методов формализации технологических процессов ремонта и математических моделей процессов восстановления, принципиальной особенностью которых является возможность выбора оптимального метода восстановления из ряда альтернативных [3]. В методическом аспекте это реализовано на примерах математического моделирования и алгоритмирования восстановления деталей АТ пайкой, а также проектирования ремонтного процесса очистки
ремфонда средствами микробиологии [4, 5, 6].
В статье [7] показаны элементы математической модели диффузионной металлизации как
перспективного средства комплексного восстановления свойств деталей электромагнитных
устройств авиационной техники. Задача проектирования в данном случае предусматривает выбор метода диффузионного насыщения, состава насыщающих смесей и режимов обработки для
восстановления и сохранения при проведении технологического процесса заданных техническими условиями на изготовление квалиметрических параметров качества материала магнитопровода. В работе [8] приведены результаты указанного моделирования по параметрам: магнитные свойства и коррозионная стойкость; шероховатость; фрикционные свойства; наличие
диффузионного слоя в глухих отверстиях; локальные изменения магнитных свойств в однородном материале; жесткость и геометрические параметры; возможность послевосстановительной
механической обработки.
В данной работе показаны возможности технологии диффузионной металлизации как
диверсификационного продукта на рынке товаров и услуг.
В качестве методического примера исследования возможности использования технологии
как диверсификационного продукта взята вновь разработанная технология диффузионной
металлизации электромагнитных устройств (поскольку удовлетворяет перечисленным выше
методическим направлениям в проектировании).
Представленная в [8] технология локального изменения магнитных свойств в однородном
материале магнитопровода основывалась на том, что стандартные тороиды покрывались соответствующими защитными составами шликерным методом и подвергались диффузионному
хромированию неконтактным способом из газовой и паровой фазы. Моделирование процесса
показало, что местное изменение магнитных свойств может быть достигнуто как путем создания благоприятных условий для протекания диффузии, так и путем дозированного предварительного изменения свойств с целью замедления пpоцecca диффузии в заданной зоне. Эта
технология является альтернативной и может расширить сеть ее потенциальных потребителей.
Процесс диффузионной металлизации ускоряется при наличии активаторов (как правило галогенидов), поэтому один из путей создания благоприятных условий для диффузии - предварительная активация поверхности. Возможность снижения процесса диффузии может быть реализована путем ввода в поверхность детали (поверхностным легированием) элементов, препят-
Элементы математической модели ремонта деталей …
17
ствующих диффузии. Таким элементом может быть, например, углерод, который обеспечивает
мелкозернистую структуру за счет снижения скорости роста зерен, создает в металле прослойку
из карбидов, затрудняющую диффузию. Кроме того, если углерод, внесенный в материал при
поверхностном легировании, не весь будет связан в карбидах, то остаточная концентрация углерода в зоне диффузии также позволит снизить магнитные свойства. Для оценки влияния предварительного воздействия были изготовлены кольцевые образцы, которые подвергались предварительной активации либо поверхностному легированию. В качестве активатора использовался йод, слой которого был нанесен на внутреннюю и внешнюю поверхности кольца. Плоские участки не обрабатывались, то есть обработке подвергалось 50% площади образца.
Возможность торможения диффузионного процесса исследовалась на аналогичных образцах, подвергнутых электроискровой обработке на установке «Элитрон» с использованием графитового электрода. Обработке подвергались, как и в случае предварительной активации,
внешняя и внутренняя цилиндрические поверхности образца. Было исследовано три режима
легирования - под воздействием мягкого (ток обработки 0,2 А), жесткого (3 А) и промежуточного (1,5 А) режимов.
После обработки все детали, а также контрольные образцы (не подвергавшиеся предварительному воздействию) были подвергнуты диффузионной металлизации контактным методом
комплексом хром-олово, затем исследовались микроструктура и магнитные свойства обработанных образцов. Магнитные свойства были рассмотрены в сравнении со свойствами образца в
исходном состоянии (не прошедших никакой обработки).
Как и предполагалось, предварительная обработка оказывает существенное влияние на магнитные свойства детали. Максимальная магнитная проницаемость µmax после диффузионной
металлизации контрольных образцов (без активации) возросла на 250%; магнитная индукция
насыщения практически не изменялась. По сравнению с контрольным образцом, предварительная активация поверхности йодом позволила еще более увеличить µmax. Магнитная проницаемость при такой обработке возрастает на 270% .
Более существенное воздействие оказывает электроискровое легирование углеродом и это
воздействие ведет к меньшему росту µmax. После электроискрового легирования и диффузионной металлизации µmax достигает (в зависимости от режима легирования) 210 … 230% от исходного состояния. Ожидалось, что наименьшее значение максимальной магнитной проницаемости будет получено при наиболее жестком режиме предварительного электроискрового легирования, однако замедление процесса диффузии, судя по микроструктуре, прошло неоднозначно.
Анализ микроструктуры показал, что при использовании предварительной активации йодом
улучшается текстура материала и увеличивается размер зерна. Толщина слоя возрастает, но незначительно (не более чем на 5 … 7% по отношению к контрольному образцу).
Предварительное электроискровое легирование ведет к уменьшению размера зерна по сравнению с контрольным образцом. Толщина слоя также снижается, но незначительно, не более
чем на 8 … 14% в зависимости от режима обработки. При этом образец, обработанный на мягком режиме, имеет четко выраженную прослойку карбида хрома. Это связано с тем, что при
электроискровой обработке на жестком или промежуточном режимах углерод, вследствие разогрева детали, имеет меньший градиент концентрации вблизи поверхности, тогда как при обработке на мягком режиме углерод скапливается в узком слое, что способствует образованию
прослойки карбидов хрома, затрудняющих встречную диффузию примесей из глубины детали и
легирующего хрома в деталь, в то время как углерод, не связанный хромом, может диффундировать в деталь. Косвенным подтверждением является снижение у данного образца индукции
насыщения на 7 … 8%, однако необходимы дополнительные исследования, объясняющие полученный эффект.
Полученные результаты позволяют создавать более технологичные конструкции электромагнитов, шаговых двигателей, индукционных датчиков и иных аналогичных устройств, в ко-
18
Ю.Н. Макин, С.К. Груздков, А.М. Саввина
торых для управления магнитным потоком требуется менять (уменьшать или увеличивать) сечение магнитной цепи. Используя диффузионную металлизацию с предварительной обработкой, можно на заданном участке менять магнитное сопротивление детали без изменения сечения (что связано, обычно, с прецизионной токарной обработкой).
Химико-термическая обработка металлов может применяться для диффузионной металлизации стальных изделий и может быть использована в общем машиностроении и при ремонте
для придания деталям высокой износостойкости и коррозионной стойкости.
Для этих целей были разработаны методы и составы для хромирования сталей, железоникелевых и никелевых сплавов, а также порошковых материалов на основе железа и никеля изделий, повышающие насыщающую способность и снижающие себестоимость процесса [9]. Их
использование целесообразно при изготовлении изделий с высокими антикоррозионными, антифрикционными и прочностными характеристиками поверхностного слоя при сохранении заданных геометрических характеристик деталей после химико-термической обработки в пределах допусков, а также при изготовлении изделий с заданными магнитными характеристиками.
Они лишены такого недостатка, как низкой производительности процесса и неэффективности
использования легирующих элементов, как следствие нагрева большого количества материала,
не участвующего в образовании покрытия и завышенного расхода энергии на нагрев, а также
то, что контакт поверхности детали с порошком ведет к повышению шероховатости и соответственно к недостаточным износостойкости, антифрикционным свойствам поверхности и повышению электрического контактного сопротивления.
Проведенные исследования показали, что:
• разработанные технологические рекомендации позволяют планировать все работы по
организации внедрения процесса диффузионной металлизации как при ремонте, так и при производстве электромагнитных устройств;
• возможно направленное воздействие на свойства диффузионного слоя и глубину зон основного материала путем предварительной обработки поверхности детали;
• предварительное электроискровое легирование поверхности образца углеродом ведет к
уменьшению размера зерна металла, магнитной проницаемости и снижает крутизну кривой намагничивания после диффузионной металлизации и уменьшению толщины диффузионного
слоя по сравнению с образцом без предварительной обработки, что оказалось существенным
даже на образцах сечением 4 × 4 мм, где объем зоны диффузии с предварительной обработкой
составил по отношению к объему детали около 2%. При уменьшении этого соотношения ухудшение магнитных свойств будет существенно увеличиваться;
• наиболее эффективно указанное воздействие для магнитомягких материалов. В этом
случае оно эквивалентно изменению магнитного сопротивления материала, ослабляя или усиливая воздействие процесса диффузионной металлизации за счет изменения толщины диффузионного слоя, химического состава и текстуры диффузионного слоя;
• предварительная обработка позволяет дополнительно воздействовать на геометрические
размеры детали, поскольку с изменением толщины диффузионного слоя возможно и изменение
размеров детали после обработки, обеспечивая тем самым необходимый размер при восстановлении детали;
• технологические процессы диффузионной металлизации могут использоваться в качестве диверсификационных.
Разработанная методология формирования математических моделей вновь вводимых в
технологическую практику процессов восстановления функциональных свойств изделий
показала, к чему должен стремиться и какие задачи на перспективу должен решать
проектировщик технологии:
• полное выявление утрачиваемых в процессе эксплуатации функциональных свойств
изделия как внешних, так и внутренних;
19
Элементы математической модели ремонта деталей …
• восстановление “внешних” и “внутренних” функциональных характеристик изделия;
• улучшение функциональных и эксплуатационных свойств изделия и повышение их
стабильности;
• перенос вновь разработанной ремонтной технологии в производственный процесс
изготовления данного изделия;
• перенос этой технологии в проектировочную конструкторскую и технологическую
практику других функционально близких изделий;
• изучение возможностей использования разработанной технологии в качестве самостоятельного диверсификационного продукта.
ЛИТЕРАТУРА
1. Макин Ю.Н. Основы общей теории авиаремонтного производства: учеб. пособие. - М.: МГТУ ГА, 2004.
2. Макин Ю.Н. Об историческом приоритете МГТУ ГА в разработке общей теории авиаремонтного производства // Научный Вестник МГТУ ГА, серия История, философия, социология. - 2008. - № 129. - С. 30 - 36.
3. Макин Ю.Н. Моделирование технологических процессов восстановления изделий с целью выявления резервов повышения эффективности авиаремонтного производства // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Эксплуатация воздушного транспорта и ремонт авиационной техники. Безопасность полетов. - 2001. - № 35. - С. 100 - 107.
4. Фролов В.П., Макин Ю.Н. Моделирование технологического процесса восстановления изделий авиатехники методом пайки // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Эксплуатация воздушного транспорта и ремонт авиационной техники. Безопасность полетов. - 2002. - № 52. - С. 125 - 132.
5. Фролов В.П., Макин Ю.Н. Алгоритм математической модели пайки // Научный Вестник МГТУ ГА, серия
Эксплуатация воздушного транспорта и ремонт авиационной техники. Безопасность полетов. - № 63. - 2003. - С. 34 - 39.
6. Коняев Е.А., Макин Ю.Н., Доценко Г.Н. Микробиологический метод очистки деталей авиадвигателей от
нагароподобных загрязнений // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Эксплуатация воздушного транспорта и ремонт
авиационной техники. Безопасность полетов. - 2002. - № 52. - С. 133 - 138.
7. Груздков С.К., Макин Ю.Н. Перспективы металлизации как средства комплексного восстановления
свойств деталей авиационной техники // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Эксплуатация воздушного транспорта
и ремонт авиационной техники. Безопасность полетов. - 2003. - № 63. - С. 40 - 45.
8. Макин Ю.Н., Груздков С.К. Элементы математической модели ремонта деталей авиационной техники
диффузионной металлизацией // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Эксплуатация воздушного транспорта и ремонт авиационной техники. Безопасность полетов. - 2004. - № 74 (8). - С. 54 - 61.
9. А.с. № 1829434, приоритет изобретения 12 апреля 1989 г. Состав для хромирования стальных изделий /
В.Ф. Рыбкин, В.П. Сладков, Ю.Н. Макин, Г.А. Кручинский. - М.: ГОСПАТЕНТ СССР, 1992.
10. Пат. № 1792452, приоритет изобретения 24 августа 1990 г. Способ химико-термической обработки изделий / В.Н. Зенушкин, С.В. Калыкин, Ю.Н. Макин. - М.: ГОСПАТЕНТ СССР, 1992.
11. Пат. № 2001160, приоритет изобретения 12 мая 1992 г. Способ обработки деталей магнитопровода на основе железа и его сплавов / С.К. Груздков, В.Н. Зенушкин, Ю.Н. Макин, М.И. Гроссман, С.В. Калыкин. - М.: Роспатент, 1993.
ELEMENTS OF MATHEMATICAL MODEL OF AVIATION TECHIQUE DETAILS
RESTORING BY DIFFUSION METALLIZATION
Makin J.N., Gruzdkov S.K., Savvina A.N.
In clause the elements of mathematical model of repair of details of air engineering Diffusivity of metals are considered.
Key words: restoring magnetic properties, diffusion metallization, chromplate, diversification.
Сведения об авторах
Макин Юрий Николаевич, 1952 г.р., окончил МАИ (1975), доктор технических наук, профессор
МГТУ ГА, академик Академии наук авиации и воздухоплавания, автор более 110 научных работ,
20
Ю.Н. Макин, С.К. Груздков, А.М. Саввина
область научных интересов – технологические процессы ремонта авиационной техники и их
математическое моделирование, общая теория авиаремонтного производства.
Груздков Сергей Константинович, 1954 г.р., окончил МИИГА (1976), кандидат технических наук,
старший научный сотрудник, инженер МГТУ ГА, автор более 50 научных работ, область научных интересов – технологические процессы ремонта авиационной техники.
Саввина Анна Михайловна, окончила МГТУ ГА (2011), аспирантка МГТУ ГА, автор 3 научных
работ, область научных интересов – моделирование и алгоритмирование технологических и производственных процессов ремонта авиационной техники.
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА
2012
№ 183
УДК 629.735
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ КАК СОПУТСТВУЮЩИЙ
ФАКТОР В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ АВИАЦИОННОЙ ТЕХНИКИ
И.Н. МЕРЗЛИКИН
Статья представлена доктором технических наук, профессором Коняевым Е.А.
В статье освещены некоторые аспекты негативного воздействия ЭМИ на человека при работе с ГСМ, представлены способы снижения риска от этих воздействий и обеспечения безопасности пользователей.
Ключевые слова: безопасность, горюче-смазочные материалы, электромагнитное излучение, производство, ГА,
эксплуатация АТ.
Важными показателями в работе предприятий ГА, в частности аэропортов, является обслуживание зданий, сооружений и непосредственно воздушных судов (ВС).
Обеспечение авиационной безопасности – одна из ключевых задач современной авиации.
Отдельное место в технологической цепочке производства и эксплуатации АТ занимает работа с ГСМ. Службой ГСМ осуществляется эксплуатация технических средств приема, слива,
хранения, очистки, дозирования, выдачи, заправки ГСМ и их техническое развитие, направленное на повышение безопасности полетов, своевременную разгрузку транспортных средств, количественную и качественную сохранность ГСМ, постоянную готовность объектов ГСМ к топливообеспечению авиационной техники. Ведется разработка текущих и перспективных планов
механизации, автоматизации и модернизации объектов ГСМ, развитие форм и способов топливообеспечения, а также лабораторной базы по контролю качества ГСМ. Одной из основных
задач службы ГСМ является обеспечение безопасных условий работы путем выполнения требований нормативно-технической документации и руководящих документов по выполнению
лабораторного и аэродромного контроля качества при приеме, хранении и выдаче ГСМ, его
очистке, дозированию противообледенительных присадок и организации заправки ВС.
При работе на складах ГСМ и спецжидкостей на специалиста может воздействовать целый
ряд опасных и вредных производственных факторов, в том числе повышенный уровень статического электричества и электромагнитных излучений. Также особое внимание при работе с
ГСМ следует обратить на тепловое излучение. Необходимо исключить пороговую интенсивность теплового действия во избежание воспламенения ГСМ.
Для того чтобы оценить текущее состояние безопасности и охраны труда на объекте топливообеспечения, необходимо выявить уровень опасных и вредных производственных факторов,
действующих на данном рабочем месте, превышающих установленные ПДУ. То есть при разработке отдельных технологических операций авиатопливообеспечения следует предусматривать оптимальные режимы работы оборудования, обеспечивающие:
1) согласованность и безопасность выполнения технологических операций;
2) ритмичность процессов обслуживания;
3) предотвращение создания аварийных ситуаций и возникновения открытого пламени, искрений, взрывов или пожаров;
4) исключение воздействия опасных и вредных производственных факторов на авиапассажиров и окружающую среду;
5) исправную работу технологического оборудования и средств защиты технического персонала в течение сроков, установленных соответствующей нормативно - технической документацией.
22
И.Н. Мерзликин
В технологических процессах авиатопливообеспечения должны предусматриваться системы управления и контроля, которые позволяют защищать работающих или осуществлять аварийное отключение производственного оборудования либо его остановку при выполнении технологических операций с ГСМ (прием, хранение, транспортирование, отпуск на заправку, зачистка резервуаров от остатков нефтепродуктов, контроль качества). При невозможности технического решения защиты работающих от опасных и вредных производственных факторов
должны быть применены соответствующие организационные меры. При возникновении аварийных ситуаций работу следует прекратить и принять меры к их устранению. Продолжать
работу необходимо только после полной ликвидации причин и условий, вызвавших аварийную
ситуацию.
Производственное оборудование, применяемое на складах ГСМ, приспособления по обеспечению безопасности производства работ должны соответствовать требованиям государственных стандартов (ГОСТ).
При работе с ГСМ применяются средства коллективной и индивидуальной защиты.
К средствам коллективной защиты относятся средства:
1) нормализации воздушной среды и освещения производственных помещений и рабочих мест;
2) защиты от инфракрасных, ультрафиолетовых, электромагнитных, лазерных излучений;
3) защиты от магнитных и электрических полей, шума, вибрации, ультразвука, электрического тока, статического электричества, высоких и низких температур окружающей среды;
4) от воздействия механических химических и биологических факторов.
Средства индивидуальной защиты применяют в тех случаях, когда безопасность работ не
может быть обеспечена конструкцией оборудования, организацией производственных процессов, архитектурно - планировочными решениями и средствами коллективной защиты.
К средствам индивидуальной защиты относятся средства защиты тела, головы, рук, ног человека, а также органов дыхания, зрения, слуха от механических, химических, физических,
термических и других воздействий. Ими являются спецодежда (куртка, брюки или комбинезон),
изолирующие костюмы, белье, спецобувь, головные уборы, перчатки, рукавицы, фартуки, противогазы, респираторы, защитные очки, противошумные шлемы, защитные мази и пасты для
кожи, предохранительные пояса, а также средства защиты от воздействия электрического тока диэлектрические перчатки, изолирующий инструмент.
Инженерно - технический персонал служб ГСМ должен обеспечиваться средствами индивидуальной защиты, соответствующими требованиям, установленным государственными стандартами, и по действующим нормам утверждаемыми в соответствии с законодательством.
Особое внимание при работе с ГСМ уделяется защите от воздействия электрического тока.
Следует помнить, что причинами электрических травм при осуществлении топливообеспечения
являются:
1) случайное прикосновение к открытым токоведущим проводникам;
2) ошибочная подача напряжения во время ремонтов и осмотров электросетей и электроустановок;
3) прикосновение к металлическим корпусам электроустановок и других конструкций, оказавшимся под напряжением вследствие повреждения или пробоя изоляции.
Защиту от неблагоприятного биологического действия электромагнитных полей (ЭМП),
встречаемых при работе с ГСМ, предлагается строить по трем основным направлениям:
- организационные мероприятия;
- инженерно-технические мероприятия;
- лечебно-профилактические мероприятия.
К организационным мероприятиям по защите от действия ЭМП относятся: выбор режимов
работы излучающего оборудования, обеспечивающего уровень излучения, не превышающий
предельно допустимый, ограничение места и времени нахождения в зоне действия ЭМП (защита расстоянием и временем), обозначение и ограждение зон с повышенным уровнем ЭМП.
Электромагнитное излучение как сопутствующий фактор …
23
Защита временем применяется, когда нет возможности снизить интенсивность излучения в
данной точке до предельно допустимого уровня. При определении предельно допустимых
уровней (ПДУ) предусматривается зависимость между интенсивностью плотности потока энергии и временем облучения.
Защита расстоянием основывается на снижении интенсивности излучения, которое обратно
пропорционально квадрату расстояния, и применяется, если невозможно ослабить ЭМП другими мерами, в том числе и защитой временем. Защита расстоянием положена в основу зон нормирования излучений для определения необходимого разрыва между источниками ЭМП и жилыми домами, служебными помещениями и т.п.
Динамика производственного роста подразумевает совершенствование систем управления
технологическими процессами промышленной безопасности в структуре предприятий.
Работа в сфере ГА строится с учетом системного анализа существующих способов защиты,
обеспечивающих производственную безопасность, а также активного создания новых технологий и методов обеспечения безопасности и их внедрения в процесс эксплуатации АТ.
ЛИТЕРАТУРА
1. Литвинов А.А. Основы применения горюче-смазочных материалов в ГА. - М.: Транспорт, 1987.
2. ГОСТ Р 52906-2008. Оборудование авиатопливообеспечения. Общие технические требования.
3. Об утверждении правил по безопасности и охране труда на объектах топливообеспечения предприятий
гражданской авиации: Приказ Комитета гражданской авиации от 19.11.2004 № 229.
4. Мерзликин И.Н., Феоктистова О.Г. Разработка методики оценки электромагнитного излучения в целях
повышения безопасности на авиапредприятиях // Гагаринские чтения: XXXIV международная молодежная научная конференция. - М.: МАТИ, 2008.
EMP AS AN INCIDENTAL FACTOR IN THE OPERATION OF THE AT
Merzlikin I.N.
This article presents some aspects of the negative impact of EMP on human in the modern world the ways of reducing
the risk of these effects and safety of users.
Key words: safety, CA exploitation, EMC, fuels and lubricating materials.
Сведения об авторе
Мерзликин Игорь Николаевич, 1985 г.р., окончил МГТУ ГА (2007), старший преподаватель кафедры безопасности полетов и жизнедеятельности МГТУ ГА, автор 10 научных работ, область научных
интересов – инженерная экология, медицина, безопасность технологических процессов и производств,
безопасность в чрезвычайных ситуациях, экологические последствия аварий (катастроф).
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА
2012
№ 183
УДК 621.438-226.739.6
СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ
ТЕПЛОЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ
В.О. ДРЕВНЯК, Г.Т. ПАЩЕНКО, А.И. ТАРАСОВ
Статья представлена доктором технических наук Самойленко В.М.
В статье рассматривается способ нанесения металлического смачивающего слоя на керамическом покрытии
для лопаток турбины ГТД с целью увеличения их долговечности.
Ключевые слова: керамическое покрытие, лопатка, турбина, долговечность, смачиваемый слой, ресурс.
Тенденция к постоянному увеличению температуры работы газовых турбин и необходимость использования топлива с повышенным удержанием таких примесей, как сера, соли щелочных металлов и ванадий, наряду с другими, менее важными обстоятельствами обуславливают требование повышения стабильности поверхности жаропрочных сплавов, применяемых в
газовых турбинах. В этой связи наибольшее внимание уделяется разработке новых материалов
для покрытий или систем покрытий.
Использование теплозащитных покрытий (ТЗП) для охлаждаемых лопаток является актуальным направлением совершенствования газовых турбин. В отличие от широко применяемых
жаростойких покрытий, ТЗП защищают не только поверхность лопаток от высокотемпературной коррозии, но и материал лопатки от разупрочнения в результате воздействия высоких температур [1-4]. Использование ТЗП позволяет понизить температуру лопаток и увеличить их
долговечность. На стационарных и переходных режимах ТЗП выравнивает температуру поверхности лопатки и понижает термические напряжения в ней. Важнейшим направлением
дальнейшего развития долговечности защитных покрытий на лопатках турбин с эффективным
охлаждением является нанесение керамического теплозащитного слоя на основе стабилизированного оксида циркония. Теплозащитный слой керамики обеспечивает снижение температуры
на металле лопаток, сглаживание термоциклов и повышение сопротивляемости окислению.
Ведущие производители авиационных двигателей в настоящее время применяют ТЗП для
повышения надежности и долговечности лопаток турбин. General Electric использует ТЗП на
рабочих лопатках двигателей CFM-56-7 и многих других [1, 2, 4]. По оценкам исследователей
фирмы эффект снижения температуры лопаток в результате применения ТЗП составляет до 90оС
и зависит от теплового потока в турбине, толщины керамического слоя ТЗП, его теплофизических характеристик и конструкции лопаток. Использование ТЗП позволило исключить аксиальные и радиальные трещины лопаток, коробление выходных кромок.
Известно [1, 2, 4], что применяемая керамика для теплозащитных покрытий является
кислородопроницаемой. В результате кислород поступает к металлическому подслою, где
образуется оксидная пленка и расходуется алюминий на ее образование. Состав и структура
оксидов зависит от количества поступившего к поверхности кислорода и состава подслоя [1 - 4].
В процессе эксплуатации рост оксидной пленки, расход алюминия и диффузионные процессы
приводят к появлению на границе «керамика – металл» оксида никеля, что значительно снижает
долговечность теплозащитного покрытия (ТЗП). В условиях свободного доступа кислорода к
поверхности металлического слоя в местах выхода каналов в керамическом слое на оксидной
пленке NiО растет со значительно большей скоростью, чем Al2O3 и существование оксида
алюминия в этих зонах в начальной фазе неустановившейся стадии окисления проблематично, в
то же время дефицит ионов кислорода, поступающего по телу керамических "столбов", в
25
Способ повышения долговечности теплозащитных покрытий
большей мере способствует образованию оксида Al2O3 на границе раздела "керамический столб
- металлический слой".
В ходе дальнейшего окисления происходит взаимодействие оксидов NiO и Al2O3 с
образованием шпинели NiO × Al2O3
NiO + Al2O3 → NiO× Al2O3.
(1)
В дальнейшем происходит взаимодействие NiO и Al2O3 с керамическим слоем. В
результате взаимодействия и в процессе диссоциации NiO оксид никеля и шпинель исчезают, а
Ni, замещая Zr, располагается в узлах решетки ZrO2 [1, 3, 4].
Отметим ряд особенностей роста пленки Al2O3 под керамикой. Наиболее интенсивный её
рост наблюдается в первые 30-50 часов окисления. Затем рост пленки замедляется. В
дальнейшем пленка растет незначительно, сохраняя толщину около 2,5 мкм [1, 4].
С увеличением температуры окисления оксидная пленка достигает толщины 2,5 мкм
быстрее, что связано с интенсификацией диффузионных процессов в керамическом и
металлическом слоях ТЗП в условиях испытания.
При температуре 1100°С слой компактной оксидной пленки из оксида алюминия толщиной
около 2,5 мкм образуется за 18-20 часов окисления (рис. 1).
4
мкм
2
δAl2O
1
2
3
0
0
5
0
τ
10
0
15
0
20
0
ч
Рис. 1. Зависимость изменения толщины Al2O3 в процессе изотермического окисления на
воздухе сплава ЖС6У (1) и под ТЗП при температуре 1100 °С (2) и 1050 °С (3)
Стабилизация толщины оксидной пленки связана не только с уменьшением потока
вакансий, образующихся на границе раздела "металл-оксид" в результате переноса атомов
алюминия из металлической решетки, который происходит в связи со снижением
диффузионной подвижности алюминия в присутствии в металлическом слое ТЗП тугоплавких
металлов, но и с напряжениями роста оксидной пленки. Сжимающие напряжения роста пленки
на границе раздела "металлический слой - оксид" должны быть существенно больше под слоем
ТЗП, чем при окислении свободной поверхности металлического слоя ТЗП, поскольку слой
керамики находится в сжатом состоянии.
Процессы, происходящие на границе «оксидная пленка – керамика», определяют характер
разрушения ТЗП. Рост пленки Al2O3 сопровождается образованием пор под ней. Причем в
местах под теми участками пленки, доступ кислорода к которым относительно свободен (по
каналам, существующим в керамическом слое), образуется больше пор, и адгезия пленки к
металлическому слою хуже, чем под участками пленки, доступ ионов кислорода к которым
ограничен (под "столбами" керамики) [4 - 6].
Для создания усовершенствованного ТЗП необходимо ограничить доступ кислорода к
металлическому покрытию, замедлить диффузионные процессы и тем самым стабилизировать
толщину оксидной пленки. Для исключения доступа кислорода к металлу необходимо
«запаять» каналы керамики. С этой целью предлагается на поверхность керамического слоя
наносить тонкую плёнку металлического покрытия.
26
В.О. Древняк, Г.Т. Пащенко, А.И. Тарасов
В результате исследования возможных методов нанесения покрытия была отработана
технология нанесения усовершенствованного ТЗП на рабочие лопатки газотурбинных
двигателей. На первой стадии на лопатку из сплава ЖС32 наносится вакуумно-плазменным
методом подслой с повышенным содержанием тугоплавких элементов системы NiA1TaReY
толщиной 40…60 мкм. Затем наносится керамический слой на установке УЭ-175 при
температуре (820 – 900) 0С. По окончании процесса осаждения керамического покрытия в
камере установки УЭ-175 производят осаждение на поверхность керамики металлического слоя
толщиной 6…10 мкм, а после нанесения ТЗП проводится ТВО по серийной технологии.
Полученное ТЗП имеет развитую внутреннюю зону, в которой повышена концентрация
тантала, вольфрама и хрома. Они обеспечивают торможение диффузионных процессов во
внутренней зоне покрытия и тем самым обеспечивают стабильность покрытия.
После проведения ТВО проводили работу по снижению проницаемости керамики для
кислорода нанесением на поверхность керамики тонкой плёнки металлического покрытия из
сплава на основе железа, хрома и алюминия.
Создание защитного барьера на поверхности покрытия проводили непосредственно по
окончании процесса осаждения керамического покрытия в камере установки УЭ-175. Его
осаждение производили при Т = 900°С в течение t = 3 мин. на поверхность керамики слоем
толщиной 8…10 мкм.
Микроструктура и распределение химических элементов в покрытии, полученные по
разработанной технологии, представлены на рис. 2, 3. Разработанная технология не требует
дополнительного оборудования, кроме имеющегося на авиационных предприятиях.
Барьерный металлический слой
Рис. 2. Микроструктура ТЗП с металлическим слоем
80
Zr
%
Ta
60
Re
Al
40
Cr
Ni
20
Y
С
Fe
0
0
30
60
90
120
150
180
мкм
Рис. 3. Распределение химических элементов в ТЗП после ТВО
27
Способ повышения долговечности теплозащитных покрытий
В результате проведенного в работе исследования установлено, что обработка поверхности
керамики металлическим слоем создает барьер для доступа кислорода к металлическому
подслою, тем самым замедляет его окисление в процессе эксплуатации. Полученное ТЗП
допускает изменение состава, структуры и свойств в широком диапазоне.
Интенсивное развитие технологий получения комбинированных ТЗП, а также технологий
защиты внутренних полостей, каналов охлаждаемых лопаток газовых турбин, улучшение качества технологий через механизацию и автоматизацию технологических процессов, уменьшение
доли ручного труда в ответственных операциях позволяет создать новый способ получения защитных покрытий.
ЛИТЕРАТУРА
1. Абраимов Н.В., Елисеев Ю.С. Химико-термическая обработка жаропрочных сталей и сплавов. – М.: Интермет Инжиниринг, 2001.
2. Хокинг М., Васантасри В., Сидки П. Металлические и керамические покрытия. – М.: Мир, 2000.
3. Тамарин Ю.А., Качанов Е.Б. Свойства теплозащитных покрытий, наносимых электронно-лучевой технологией. – М: ЦИАМ, 2008.
4. Tamarin Y.А. Protective Coatings for Turbine B Cades The Materials information Society. – Ohio. Materials
Park, 2002.
5. Жук И.Н., Коломыцев П.Т., Семенов А.П. Исследование эффективности применения теплозащитных покрытий // Защитные покрытия: науч.-методич. материалы. - М.: ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, 1994. - С. 106-112.
6. Жук И.Н., Коломыцев П.Т., Семенов А.П. Исследование долговечности теплозащитных покрытий при испытаниях газотурбинных двигателей // Защитные покрытия: науч.-методич. материалы. - М.: ВВИА им. проф.
Н.Е. Жуковского, 1994. - С. 113-119.
WAY TO INCREASE LONGEVITY THERMAL BARRIER COATINGS
Drevnyak V.O., Pashchenko G.T., Tarasov A.M.
In the article the method of applying a metal wetting layer on a ceramic coating for turbine blades GTE to increase
their durability.
Key words: ceramic coverage, shoulder-blade, turbine, longevity, wettable layer, resource.
Сведения об авторах
Древняк Виктория Олеговна, студентка МГТУ ГА, область научных интересов – технология производства и ремонт авиационной техники.
Пащенко Геннадий Трофимович, 1971 г.р., окончил ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского (2003), старший инженер НТЦ им. А. Люлька, автор 15 научных работ, область научных интересов – технология производства и ремонт авиационной техники.
Тарасов Андрей Иванович, 1981 г.р., окончил МАИ (2004), преподаватель МАИ, автор 3 научных работ, область научных интересов – технология производства и ремонт авиационной техники.
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУГА
2012
№ 183
УДК 669.017:621.785
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССОВ АЗОТИРОВАНИЯ
А.А. ЖУКОВ, Л.А. ХАСАНОВА
Статья представлена доктором технических наук Самойленко В.М.
Разработана математическая модель расчета показателей качества азотированного слоя от технологических
факторов и химического состава стали, обеспечивающая возможность компьютерного управления качеством упрочненного слоя, а также оптимизации технологических режимов азотирования. Предложены рекомендации по
совершенствованию технологического процесса азотирования зубчатых колес для ГТД за счет использования методов статистического анализа и моделирования.
Ключевые слова: азотирование, эффективность, математическое моделирование, статистический анализ, показатели качества слоя.
Несовершенство расчетов проводимых в настоящее время на многих производствах, приводит к снижению эффективности процессов азотирования и качества изделий. При сравнении
различных производственных данных видно, что основной трудностью является большое количество факторов, влияющих на параметры процесса и показатели качества азотированного слоя,
учесть всю совокупность которых практически невозможно. Применение расчетов позволяет
лучше разграничивать значение отдельных факторов, правильнее назначать параметры процесса, получать более качественную и дешевую продукцию.
Основные показатели качества азотированного слоя (толщина и поверхностная твердость
азотированного слоя) зависят от ряда факторов, основные из которых: температура азотирования, продолжительность азотирования и состав азотируемой стали [1].
Цель данного исследования – разработка математической модели расчета процесса азотирования, основанной на физико-химических и статистических закономерностях для повышения
эффективности технологии азотирования.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
- определены степень и характер влияния легирующих элементов на показатели азотированного слоя методом корреляционно-регрессионного анализа с использованием программы
STATISTICA 6.0;
- на основании имеющихся в литературе аналитических зависимостей, описывающих общие закономерности процесса азотирования и кинетики формирования фаз, разработана математическая модель для прогнозирования основных характеристик азотированного слоя в зависимости от технологических факторов: температуры, длительности процесса, состава газовой
атмосферы.
1. Экспериментальная часть
1.1. Исследование влияния легирующих элементов на толщину и твердость азотированного слоя
Степень и характер влияния легирующих элементов на показатели азотированного слоя определяли методом корреляционно-регрессионного анализа с использованием программы
STATISTICA 6.0. Исследовали 16 марок сталей, наиболее широко применяемых для азотирования в авиадвигателестроении. Во всех исследуемых сталях было принято постоянное содержание S и P не более 0,03 %, а Si и Mn от 0,25 до 0,45 % масс. В результате статистического анализа получены многофакторные регрессионные уравнения для прогноза толщины и твёрдости
азотированного слоя в зависимости от химического состава стали [1].
29
Повышение эффективности процессов азотирования…
Первоначально, по химическому составу 11 марок сталей системы Fe – C – ЛЭ были рассчитаны коэффициенты корреляции между содержанием легирующего элемента, толщиной и
твердостью слоя. При этом все легирующие элементы по характеру влияния на свойства азотированного слоя можно разбить на две группы:
1) W, Ni, Mn, Si, Cr монотонно повышают твердость слоя и снижают толщину слоя с увеличением их содержания в стали;
2) Al, V, Ti повышают твердость слоя, толщина слоя возрастает до определенной концентрации элементов (~ 2,0%), а затем толщина слоя снижается. Это, по-видимому, является оптимальным содержанием легирующих элементов в стали.
Для статистического анализа суммарного влияния легирующих элементов изучали 16 марок сталей. Номенклатура исследуемых сталей подобрана с учетом следующих особенностей:
1) широкого диапазона изменения содержания углерода - С от 0,15 до 0,87 %;
2) Mn от 0,15 до 0,8 %;
3) Si от 0,17 до 0,40 %;
4) наличия сложнолегированных комплексов, содержащих основные нитридообразующие
элементы: Cr–Ni–Mo–Ti–V; Cr–Ni–Mo–W–V.
На основании статистического анализа с использованием программы STATISTICA 6.0 были получены многофакторные регрессионные уравнения линейного и нелинейного типа зависимости толщины (h) и твердости (HV) азотированного слоя от суммарного влияния легирующих элементов. Так как множественные коэффициенты корреляции для нелинейных уравнений
более высокие, поэтому их можно рекомендовать для практического использования:
h = 0,86 – 5,50⋅ ( %С) + 3,44⋅ ( %С) + 0,880⋅ ( %V) − 7 ⋅ ( %V) –0,019⋅ ( %Al) +
2
2
+0,0007 ⋅ ( %Al) + 0,15⋅ ( %Ti) –0,034⋅ ( %Cr ) + 0,014⋅ ( %Cr ) –0,021⋅ ( %W) +0,011⋅ ( %W) –
2
2
2
(1)
−0,01⋅ ( %Ni) + 0,0006⋅ ( %Ni) , мм; ( ε = 3%)
2
HV = 550,7 + 79,7 ⋅ ( %С) –11,9 ⋅ ( %С)
2
+ 95,12 ⋅ ( %V ) – 31,56 ⋅ ( %V ) + 120 ⋅ ( %Al ) –
2
-20,3 ⋅ ( %Al ) + 170,07 ⋅ ( %Ti ) – 209,0 ⋅ ( %Mo ) + 114, 4 ⋅ ( %Mo ) + 226, 2 ⋅ ( %Cr ) – 39,9 ⋅ ( %Cr ) +
2
2
2
(2)
+80,3 ⋅ ( %W ) – 29,5 ⋅ ( %W ) ; ( ε = 4%)
2
1.2. Исследование влияния технологических режимов на параметры качества азотированного слоя
Для исследования влияния технологических режимов на параметры азотированного слоя на
основании физико-химических и статистических закономерностей была составлена математическая модель, позволяющая прогнозировать основные характеристики азотированного слоя
(толщину, твердость слоя, распределение твердости и концентрации азота по толщине азотированного слоя) в зависимости от технологических факторов (температуры, времени, состава газовой атмосферы и давления).
На начальной стадии разработки модели аналитические уравнения были систематизированы и сгруппированы в соответствующие блоки согласно общей принципиальной схеме процесса азотирования. На основе составленной математической модели был разработан алгоритм и
программа «NITROTOMOS» (азотированный слой). Программа состоит из 4 подпрограмм, каждая из которых проводит расчеты определенного показателя качества азотированного слоя.
Программа зарегистрирована в Отраслевом фонде алгоритмов и программ Министерства образования РФ, № Госрегистрации – 50200700471 [2].
30
А.А. Жуков, Л.А. Хасанова
2. Анализ полученных результатов
2.1. Оптимизация технологических режимов азотирования зубчатых колес
С целью оптимизации технологического процесса азотирования зубчатого колеса с помощью разработанной программы «NITROTOMOS» проведен расчет технологических режимов
азотирования и их сравнение с известными оптимальными режимами.
Расчеты проводились в пределах стандартных режимов в целях их оптимизации. В качестве
необходимого базового значения в программу вводилось среднее значение толщины азотированного слоя, равное 0,3 мм при норме по техническим условиям чертежа (0,2-0,4) мм и минимальное значение твердости – 650 HV при норме ≥650 HV. Для проверки адекватности расчетов
максимально допустимое значение погрешности принимали равным 10%. Массовую долю легирующего элемента стали задавали из результатов спектрального анализа (возможно также задание среднего значения химического состава стали из справочных данных). Твердость основы
принимали равной – 356 HV, как среднее значение по техническим условиям (311 – 388) HB
при переводе (312 – 401) HV.
Результаты расчета толщины азотированного слоя при различных значениях температуры
азотирования Таз, оС и времени выдержки τвыд, ч для зубчатого колеса из стали 18Х2Н4МА приведены в табл. 1.
Из приведенных расчетов (табл. 1) видно, что при температуре азотирования 490 оС и времени выдержки от 25 до 30 ч азотированный слой получается необходимой толщины, установленной техническими условиями чертежа.
При температуре азотирования 490 оС, начиная с времени выдержки от 33 до 35 ч, толщина
азотированного слоя шестерни не соответствует техническим условиям, а при температуре 500 оС
и 510 оС несоответствие наблюдается уже с выдержки в 30 ч.
Таблица 1
Расчетные данные по толщине азотированного слоя h, мм
о
Таз, С
490
500
510
Толщина азотированного слоя при различной продолжительности
выдержки, τвыд, ч
25
28
30
33
35
0,2984
0,3393
0,4038
0,4149
0,4438
0,3108
0,3503
0,4211
0,4271
0,4525
0,3295
0,3575
0,4238
0,4288
0,4600
Результаты расчета твердости азотированной поверхности при различных значениях температуры Таз, оС и времени выдержки τвыд, ч приведены в табл. 2.
Таблица 2
Расчетные значения твердости HV
Таз, оС
490
500
510
Толщина азотированного слоя в зависимости от продолжительности выдержки, τвыд, ч
25
28
30
33
35
957,8
960,7
967,8
968,8
968,3
958,1
960,0
966,8
965,6
964,8
951,5
958,1
965,3
963,2
960,7
Из табл. 2 следует, что значения твердости азотированной поверхности шестерни из стали
18Х2Н4МА при различных режимах азотирования соответствуют твердости, установленной
техническими условиями чертежа.
Повышение эффективности процессов азотирования…
31
Из анализа проведенных расчетов следует, что продолжительность выдержки при температуре азотирования 500±10°С шестерен из стали 18Х2Н4МА должна назначаться в пределах
25…30 ч взамен предусмотренного предела варьирования по стандартной технологии 25…35 ч.
Процесс азотирования шестерни при рекомендованной продолжительности выдержки и по
существующей технологии показал достоверность данных выводов. Толщина слоя на зубе шестерни при выдержке 28 ч при температуре 500±10°С составила 0,32 мм; а при выдержке 34 ч
при температуре 500±10°С - 0,44 мм.
Проведена оптимизация режимов серийной технологии азотирования шестерни с целью
получения требуемых толщины и твердости азотированного слоя. В результате оптимизации
сокращен диапазон продолжительности изотермической выдержки, что позволяет сократить
продолжительность азотирования и получить заданные свойства слоя.
Толщину азотированного слоя экспериментально определяли металлографическим методом
на оптических микроскопах Nikon Epiphot 200 и сканирующем электронном микроскопе. Замер
микротвердости по толщине азотированного слоя на приборе MicroMet 5114.
Экспериментальные и расчетные результаты распределения микротвердости по толщине
азотированного слоя представлены в графическом виде на рис. 1.
HV0.05
Рис. 1. Сравнение расчетных и экспериментальных данных
распределения микротвердости по толщине азотированного слоя
Экспериментально профиль концентрации азота по толщине азотированного слоя определяли замером содержания азота от края к сердцевине образца, используя энергодисперсионный
микроанализатор EDS INCA Energy+ и волновой анализатор Wave (рис. 2, 3). Наличие нитридного слоя и его толщина также подтверждаются металлографическим анализом (рис. 2, 3).
Полученные данные по распределению концентрации азота позволяют предсказать появление соответствующих нитридных фаз.
Сравнение расчетных и экспериментальных данных показало, что суммарная погрешность
определения толщины азотированного слоя по разработанной методике не превышает 10%, а по
твердости поверхности – 6 %, а распределения концентрации азота по толщине слоя~13%, что
приемлемо для практики. Таким образом, разработанная программа «NITROTOMОS» может
быть использована в производственной практике и в экспериментальных работах для прогнозирования толщины, твердости и распределения концентрации азота по толщине азотированного
слоя стали при различных режимах азотирования.
32
А.А. Жуков, Л.А. Хасанова
Рис. 2. Профили концентрации азота по толщине нитридной зоны и микроструктура азотированного слоя на стали 18Х2Н4МА
Рис. 3. Профили концентрации азота по толщине зоны внутреннего азотирования и микроструктура азотированного слоя на стали 18Х2Н4МА (Х200)
Заключение
1. На основе анализа физико-химических процессов, происходящих при азотировании, разработана математическая модель, которая позволяет методом компьютерного моделирования
выявить влияние основных технологических факторов на качество азотированного слоя и установить предельно-допустимые отклонения этих параметров для получения требуемых показателей качества азотированного слоя.
2. Использование разработанной программы NITROTOMOS и ППП STATISTICA позволит
определить наиболее рациональные технологические режимы азотирования, обеспечить стабильное качество азотированного слоя, сократить затраты на проведение опытных работ при
разработке технологического процесса азотирования.
ЛИТЕРАТУРА
1. Статистический анализ влияния химического состава сталей на показатели качества азотированного слоя /
А.А. Жуков, Л.А. Щапова // Упрочняющие технологии и покрытия. - 2007. - № 1. - С. 48-52.
2. А.с. об отраслевой регистрации разработки № 7824 на разработку программы «NITROTOMOS (азотированный слой)» / А.А. Жуков, Л.А. Щапова // Государственный координационный центр информационных технологий.
33
Повышение эффективности процессов азотирования…
(Отраслевой фонд алгоритмов и программ). Регистрация в государственном банке данных, № государственной
регистрации 50200700471.
3. Лахтин Ю.М., Коган Я.Д., Шпис Г.И., Бомер З. Теория и технология азотирования. - М.: Металлургия, 1991.
4. Зинченко В.М. Инженерия поверхности зубчатых колес методами химико-термической обработки. - М.:
МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2001.
THE INCREASE OF NITRIDING PROCESSES EFFECTIVENESS
Gukov A.A., Khasanova L.A.
The mathematical model for calculating the quality of the nitrided layer from the technological factors and the chemical composition of steel, which enables computer control of the quality of the hardened layer, as well as optimization of
technological modes of nitriding are developed. Recommendations for improving the process of nitriding of gears for gasturbine engine by the use of statistical analysis and modeling are offered.
Key words: nitriding, effectiveness, mathematical modeling, the statistical analysis, parameters of layer quality.
Сведения об авторах
Жуков Анатолий Алексеевич, 1941 г.р., окончил РГАТУ (1965), кандидат технических наук, профессор кафедры металловедения, литья и сварки Рыбинской государственной авиационной технологической академии им. П.А. Соловьева РГАТА, автор более 70 научных работ, область научных интересов –
повышение надежности деталей ГТД.
Хасанова Лейла Александровна, окончила РГАТА им. П.А. Соловьева (2004), кандидат технических наук, ведущий инженер Управления главного металлурга ОАО «НПО «Сатурн», автор 18 научных
работ, область научных интересов – повышение надежности деталей ГТД.
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА
2012
№ 183
УДК 621.624.004.2
ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ И КОНЦЕНТРАЦИИ ПРИСАДКИ «И-М»
НА СОДЕРЖАНИЕ ВОДЫ В ТОПЛИВЕ
А.О. ОСИПОВ, О.П. ОСИПОВ
Статья представлена доктором технических наук, профессором Коняевым Е.А.
В статье показано влияние температуры и концентрации присадки И-М на содержание воды в топливе. Представлены количественные показатели содержания воды в топливе при различных концентрациях И-М и температурах. Определены оптимальные концентрации присадки в топливе.
Ключевые слова: авиационное топливо, присадка «И-М», содержание воды в топливе, различные температуры.
Эффективность противоводокристаллизационных присадок оценивают по их способности
понижать температуру кристаллизации водных эмульсий в реактивных топливах. Она зависит
от числа углеродных атомов в молекуле присадки, количества и природы функциональных
групп в ней. Характеристикой, наиболее полно описывающей эти свойства, является коэффициент распределения присадки между фазами. Коэффициент распределения описывается отношением объемной концентрации ПВКЖ в воде и ее объемной концентрации в топливе.
Введение в этилцеллозольв 50% об. метилового спирта в значительной степени повышает
коэффициент распределения смесевой присадки. Это связано с тем, что коэффициент распределения для метилового спирта по сравнению с другими ПВКЖ имеет самое высокое значение.
Так, при температуре 20°С коэффициент распределения для метанола равен 200 против 84 для
этилцеллозольва. При отрицательных температурах (минус 20°С) различия в коэффициентах
распределения еще выше и для метанола равен 310, а для этилцеллозольва 150. Растворимость
воды в топливе ТС-1 также возрастает с введением в состав ПВКЖ метанола. Это способствует
более интенсивному обводнению топлива с присадкой «И-М» при его хранении.
Сопоставление полученных данных показывает, что при повышении концентрации присадки «И-М» с 0,1% масс. до 0,2% масс. наблюдается монотонное снижение содержания воды при
любой температуре топлива (табл. 1, рис. 1).
Таблица 1
Влияние температуры и концентрации «И-М» в ТС-1 на обводненность топлива
Наименование
1
Содержание воды в топливе ТС-1 с 0,10% масс. присадки, ррm
Содержание воды в топливе ТС-1 с 0,15% масс. присадки, ррm
Содержание воды в топливе ТС-1 с 0,20% масс. присадки, ррm
Изменение концентрации воды в топливе, ррm / %
отн., концентрация присадки, % отн.: 0,10% масс.
0
Температура, С
-4
-10
2
3
4
81,6 /64,3
82,3 / 63,6
80,0 / 60,0
81,3 / 70,0
81,3 / 70,3
80,3 / 68,0
80,3 / 73,6
78,0 / 71,3
85,0 / 78,0
17,3 / 21,9
18,7 / 22,8
0,15% масс.
11,3 / 15,2
11,0 / 16,0
0,20% масс.
6,7 / 8,4
6,7 / 8,7
*Примечание. В числителе содержание воды в топливе с присадкой при 17ºС,
теле – после охлаждения
20,0 / 22,3
12,3 / 9,0
7,0 / 7,7
в знамена-
35
Влияние температуры и концентрации присадки «И-М» …
Полученные данные хорошо согласуются с известными данными по влиянию концентрации присадки «И» на обводнённость топлива. При этом, чем больше концентрация присадки в
топливе, тем меньше изменяется количество воды при понижении температуры (рис. 1).
Для топлива, содержащего 0,15 и 0,20% масс. жидкости «И-М», количество воды, перешедшей в отстой, практически не меняется при снижении температуры окружающей среды
(рис. 1).
25
и
р
п
й
от
ст
о
в
ее
ш
д
е
ш
е
ре
п
,
ы
д
ов
ов
тс
23
21
19
m
pp
,
и
и
н
ед
ж
а
лх
о
1
17
15
13
11
2
9
Рис. 1. Влияние температуры и концентрации «И-М» на обводненность топлива ТС-1:
1 – концентрация «И-М» - 0,10% масс.; 2 – концентрация «И-М» - 0,15% масс.;
3 – концентрация «И-М» - 0,20% масс
Время отстаивания соответствует времени охлаждения системы топливо ТС-1 с «И-М» до
температуры испытания при средней скорости охлаждения топлива, равной 2°С/ч.
В то же время при концентрации присадки 0,1% масс. количество воды, перешедшей в отстой, в два раза больше, чем при более высоких концентрациях присадки в топливе. Таким образом, высокие концентрации «И-М» в топливе способствуют стабилизации системы микроэмульсии раствора ПВКЖ в реактивном топливе. Обратные мицеллы, образованные молекулами этилцеллозольва и метанола, солюбилизируют молекулы воды в полярном ядре мицеллы,
препятствуя процессу набухания мицелл, образованию микроэмульсии, ее коагуляции и переконденсации микрокапель воды. В случае недостаточной концентрации мицеллообразующих
веществ (0,1% масс. присадки) мицеллы переходят в микрокапли эмульсии. При соударении
микрокапли коагулируют, увеличиваются в размерах и осаждаются на дне приемного резервуара.
Таким образом, количество воды, перешедшей в отстой, при низкой концентрации ПВКЖ в
два раза выше, чем при ее концентрации 0,20% масс. (табл. 1, рис. 1). Переходя к выбору эксплуатационных режимов необходимо констатировать, что в осенне-зимний период наиболее
приемлемая концентрация ПВКЖ в топливе составляет 0,2%.
ЛИТЕРАТУРА
1. Мерцалов П.П. Бедрик Б.Г., Сапунько К.Л. // ХТТМ, 1985, № 7.
2. Бедрик Б.Г., Голубушкин В.Н., Лихтерова Н.М. // ХТТМ, 1985, № 7.
3. Лихтерова Н.М., Стародубцева О.А., Балак Г.М. и др. // ХТТМ, 1992, № 10.
36
А.О. Осипов, О.П. Осипов
THE «И-М» ADDITIVE TEMPRATURE AND CONCENTRATION
INFLUENCE ON WATER CONTENT IN FUEL
Osipov A.O., Osipov O.P.
The article shows how temperature and I-M concentration influence the water content in the fuel. It also presents
quantitative indexes of the water content in the fuel at different concentrations and temperatures. Finally, the most optimal
fuel additive concentrations are determined in the article.
Key words: aviation fuel, «И-М» additive, water content in fuel, various temperatures.
Сведения об авторах
Осипов Артем Олегович, 1981 г.р., окончил МГАУ им. В.П. Горячкина (2004), аспирант кафедры
авиатопливообеспечения и ремонта МГТУ ГА, автор 8 научных работ, область научных интересов - физико-химическая механика, несмешивающиеся жидкости, технология авиатопливообеспечения.
Осипов Олег Петрович, 1949 г.р, окончил МГИИТ (1978), кандидат технических наук, директор
научно-производственной фирмы НПО «АГРЕГАТ», автор более 20 научных работ, область научных
интересов - технология авиатопливообеспечения, технические средства АТО.
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА
2012
№ 183
УДК 621.798.4:621.643
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ КОРРОЗИОНОГО РАЗРУШЕНИЯ СТЕНКИ
ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ ЗАГЛУБЛЕННЫХ РЕЗЕРВУАРОВ И
ТРУБОПРОВОДОВ НА ИХ ТЕХНИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ
В.М. ТАРАН, С.В. ДМИТРИЕВ, О.Я. СТРЕЛЬНИКОВ
Статья представлена доктором технических наук, профессором Коняевым Е.А.
Для осуществления контроля технического состояния резервуаров горизонтальных стальных заглубленных и
трубопроводных коммуникаций предложена методика по техническому освидетельствованию. Приведены данные
обследований резервуаров горизонтальных стальных заглубленных и трубопроводов.
Ключевые слова: резервуар горизонтальный стальной заглубленный, трубопровод, коррозия, оценка, техническое состояние.
В настоящее время для обеспечения содержания запасов нефтепродуктов широко применяют резервуары горизонтальные стальные заглубленные (РГСЗ). Анализ нормативной документации по контролю технического состояния РГСЗ и трубопроводной обвязки, условий их
эксплуатации и технического устройства позволил выявить необходимость создания специализированной методики по техническому освидетельствованию РГСЗ и трубопроводов, позволяющей оценивать воздействие эксплуатационных факторов на их техническое состояние, появление и развитие характерных типов дефектов их конструкции.
Особенностью эксплуатации РГСЗ и трубопроводов, как сложной технической системы,
является наличие дополнительных внутренних напряжений в металле стенок, связанных с воздействием давления насыпного грунта, химическим и электрохимическим воздействием почвы
и хранимого нефтепродукта, а также наличием малоциклических и других нагрузок, характеризуемых условиями эксплуатации. Это приводит к ускорению появления различных дефектов
основного металла стенок и сварных швов и способствует их развитию.
Дефекты, характерные для резервуаров и трубопроводов, целесообразно разделить на следующие принципиальные группы: трещины различного происхождения; дефекты сварных
швов; изменение геометрии и коррозионные поражения.
Наиболее динамично развивающимся типом дефектов является коррозионное поражение
поверхности стенки. Следовательно, как параметр технического состояния резервуара и трубопровода, можно рассматривать остаточную толщину стенки. От значения этого параметра, в
основном, зависит запас прочности конструкции.
С целью получения возможности прогнозировать запас прочности РГСЗ и трубопровода
были проведены исследования коррозионных процессов, протекающих на поверхностях стенок.
В процессе исследований было оценено влияние эксплуатационных факторов на коррозионные процессы внешней и внутренней поверхностей. Полученные результаты позволили установить, что наиболее агрессивным является процесс электрохимической коррозии внешней поверхности стенки, контактирующей с грунтом. Статистический анализ данных (табл. 1), полученных при обследовании РГСЗ и трубопроводов, эксплуатируемых в авиатопливообеспечении,
на объектах Росрезерва, а также на автомобильных заправочных пунктах, позволил установить
характер зависимости удельного электрического сопротивления грунта ρ от уровня его кислотности ph (рис. 1), а также глубины коррозионного поражения внешней стенки резервуаров и
трубопроводов δmax от удельного электрического сопротивления грунта (рис. 2). Это подтвердило значимость этого параметра, как основного, определяющего скорость электрохимической
коррозии внешней поверхности стенки.
38
В.М. Таран, С.В. Дмитриев, О.Я. Стрельников
Таблица 1
Данные обследования эксплуатируемых РГСЗ и трубопроводов
Срок службы
τ, год
6
7
7
8
8
8
9
10
11
14
15
16
18
19
19
17
17
14
15
16
Характеристика Коррозионная
Глубина максимального
Удельное согрунта установ- активность
коррозионного поражепротивление
ки резервуаров грунта согласния внешней поверхногрунта ρ, Ом*м
и трубопровоно ГОСТ
сти стенки δ, мм
дов
9.015-74
105
0,6
песчаный
низкая
140
0,3
то же
то же
97
0,7
глинистосредняя
песчаный
120
0,5
глинистый
низкая
48
1,7
то же
средняя
36
1,8
то же
то же
36
1.9
то же
то же
48
2,3
то же
то же
43
2,2
то же
то же
50
2.0
то же
то же
15
2,0
чернозем
низкая
15
2,0
то же
то же
50
2,5
глинистый
средняя
50
3,0
то же
то же
30
3,2
глинистый,
то же
чернозем
20
2,0
то же
низкая
20
2,2
глинистый,
то же
чернозем
15
2,8
чернозем
то же
15
2.9
то же
то же
15
2.9
то же
то же
Рис. 1. Зависимость удельного сопротивления грунта от его кислотности
39
Оценка влияния коррозионного разрушения стенки горизонтальных …
Рис. 2. Зависимость максимальной глубины коррозионного поражения
от удельного сопротивления грунта
На основе математического анализа статистических данных с применением аппарата аппроксимации было получено прогнозное уравнение, отражающее динамику увеличения глубины коррозионного поражения внешней поверхности РГСЗ и трубопровода в зависимости от
величины удельного электрического сопротивления грунта
δ кор.нар = −0,18215 + 1,3199 ln τ нар − 0.0233 ρ ln ρ ,
(1)
где ρ - удельное электрическое сопротивление грунта, Ом•м; τнар - срок эксплуатации резервуара, год; δкор - глубина коррозии, мм.
Из выражения (1) получаем уравнение, позволяющее прогнозировать срок службы РГСЗ и
трубопровода в зависимости от удельного электрического сопротивления грунта до появления
предельно допустимого коррозионного поражения внешней поверхности
τ нар = 1,148* е0,7576*δ корнар +0,01765
ρ *ln ρ
.
(2)
Таким образом, в результате проведенных исследований коррозионных процессов на поверхности стенок РГСЗ и трубопроводов было определено, что наиболее динамично развивающимся процессом является электрохимическая коррозия внешней поверхности стенки. Выделены и проанализированы основные эксплуатационные факторы, влияющие на динамику коррозионных процессов внешней поверхности стенки. Предложено прогнозное уравнение (2), характеризующее динамику глубины коррозионного поражения внешней поверхности стенки в
зависимости от удельного электрического сопротивления грунта, что позволяет с определенной
вероятностью прогнозировать остаточный срок службы РГСЗ и трубопроводной обвязки.
Полученные результаты исследований применены при разработке «Методики оценки остаточного срока службы горизонтальных заглубленных резервуаров для горючего», прошедшей реализацию и апробацию в ходе проведения технического освидетельствования горизонтальных заглубленных резервуаров, трубопроводной обвязки и оценки их остаточного срока службы.
ЛИТЕРАТУРА
1. Земенков Ю.Д. Справочник инженера по эксплуатации нефтепроводов и продуктопроводов. – М.: ИнфраИнженерия, 2006.
2. Ипатов А.М. Эксплуатация резервуаров склада горюче-смазочных материалов. – М.: Транспорт, 1985.
3. ГОСТ 9.015-74. Единая система защиты от коррозии и старения. Подземные сооружения.
40
В.М. Таран, С.В. Дмитриев, О.Я. Стрельников
ASSESSMENT OF CORRODE HORIZONTAL UNDERGROUND TANK
AND PIPELINES ON THEIR TECHNICAL CONDITION
Taran V.M., Dmitriev S.V., Strelnikov O.Y.
To carry out technical inspections of horizontal steel tanks underground and pipeline of communication pipeline for
technical examination. Shows the survey data horizontal steel underground tanks underground and pipeline.
Key words: the horizontal steel tank, the pipeline, corrosion, an estimation, a technical condition.
Сведения об авторах
Таран Владимир Михайлович, 1952 г.р., окончил УФВАТТ (1974), кандидат технических наук,
доцент, ведущий научный сотрудник управления ФАУ «25 ГосНИИ химмотологии Минобороны России», автор более 25 научных работ, область научных интересов – техническая диагностика технических
средств и объектов нефтепродуктообеспечения и авиатопливообеспечения.
Дмитриев Сергей Викторович, 1982 г.р., окончил УФВАТТ (2004), кандидат технических наук,
начальник отдела ФАУ «25 ГосНИИ химмотологии Минобороны России», автор более 20 научных работ, область научных интересов – техническая диагностика технических средств и объектов нефтепродуктообеспечения и авиатопливообеспечения.
Стрельников Олег Ярославович, 1986 г.р., окончил МГТУ ГА (2009), аспирант МГТУ ГА, область научных интересов – техническая диагностика технических средств и объектов нефтепродуктообеспечения и авиатопливообеспечения.
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУГА
2012
№ 183
УДК 621.89+665.6
ОБОСНОВАНИЕ ВРЕМЕНИ ОТБОРА ПРОБ МАСЛА
ПРИ РЕНТГЕНОФЛУОРЕСЦЕНТНОМ АНАЛИЗЕ
К.И. ГРЯДУНОВ, А.Н. ТИМОШЕНКО
Статья представлена доктором технических наук, профессором Коняевым Е.А.
Представлена математическая модель седиментации частиц загрязнения в масле МС-8п, позволяющая учесть
влияние времени отбора проб на гранулометрический состав загрязнений в пробе.
Ключевые слова: продукты износа пар трения, седиментация, скорость оседания.
Результаты анализа проб масел на наличие продуктов износа существенно зависят от
времени отбора проб. Методикой отбора проб предусмотрено ограничение времени отбора
проб не более 30 минут. Представляет интерес определение размеров и плотности частиц
загрязнений, оседающих в указанный временной интервал.
Для оценки вязкостно-температурных свойств масел используют зависимость вязкости от
температуры по уравнению Вальтера [3]
.
(1)
Величина В - тангенса угла наклона прямой - характерна для каждого масла.
Зная кинематические вязкости ν1 и v2 при температурах Т1 и Т2, можно вычислить В по
следующему уравнению [3]
.
(2)
Из табл. 1 для масла МС-8п берем значения ν1, v2, Т1, Т2 и по формуле (2) вычисляем
значение В
В=4,099.
Коэффициент А определяем по формуле (1) при известных из табл. 1 [2] значениях
вязкости и температуры
А=24,457.
Таблица 1
Вязкостно-температурные характеристики минеральных
масел для турбореактивных двигателей
Показатели
МС-8п МС-8рк MK-8п МК-8
Кинематическая вязкость, мм2/с,
при температуре: 50 °С, не менее
8,0
8,3
-40 °С, не более
4000
5000
6500
6500
Плотность при 20 °С, г/м3,
не более
875
900
885
885
Таким образом, окончательное уравнение вязкостно-температурной характеристики для
масла МС-8п, полученное из уравнения (1) подстановкой вычисленных коэффициентов
42
К.И. Грядунов, А.Н. Тимошенко
(3)
В явном виде зависимость вязкости от температуры соответственно
(4)
2
где ν – вязкость масла (мм /с); Т – температура масла, К.
Вязкостно-температурная характеристика масла МС-8п по формуле (4) будет выглядеть,
как показано на рис. 1, 2.
Рис. 1. Вязкостно-температурная характеристика масла МС-8п
для диапазона температур от -50 до 0 оС
Рис. 2. Вязкостно-температурная характеристика масла МС-8п
для диапазона температур от 0 до 100 оС
Проведем оценку времени осаждения различных частиц в масле МС-8п.
Уравнение для установившейся скорости оседания [1]
.
(5)
Обоснование времени отбора проб масла при рентгенофлуоресцентном анализе
43
Формула (5) получена при использовании следующих размерностей: V0 - мм/с; rЗ - мм;
νT - мм2/с.
Из формулы (5) очевидно, что скорость оседания частицы V0 зависит от вязкости масла νм и
его плотности ρм, которые, в свою очередь, зависят от температуры масла t.
Для расчетного определения плотности масла
используется выражение [4]
ρм
в зависимости от температуры
(6)
где t- температура, оС; ρ20 =875 кг/м3 - плотность масла Мс-8п при 20 оС.
Зависимость скорости оседания частиц радиусом 0,0001 м от температуры масла показана
на рис. 3.
Рис. 3. Зависимость скорости оседания от температуры
Из формулы (5) очевидно, что скорость оседания меньше у частиц из материалов с
меньшей плотностью. Из рассматриваемых частиц загрязнения наименьшую плотность имеет
Al (2700 кг/м3). Поэтому и время оседания у него будет наибольшим. Учитывая, что уровень
масла в коробке приводов составляет примерно 40 см, на рис. 3 показана зависимость времени
оседания частицы алюминия радиусом 0,0001 м от температуры.
Рис. 4 показывает, что при характерной температуре после останова двигателя в 70оС все
частицы плотностью более 2700 кг/см3 и радиусом больше 0,0001 м в коробке приводов
полностью осядут менее, чем за минуту. При остывании двигателя до 30оС это время
увеличивается незначительно – до 2,5 минут.
Рис. 4. Зависимость времени оседания от температуры
Соответственно отбор проб следует производить практически сразу после останова
двигателя.
44
К.И. Грядунов, А.Н. Тимошенко
ЛИТЕРАТУРА
1. Тимошенко А.Н., Грядунов К.И. (2010). Математическая модель гравитационной очистки топлив от
механических загрязнений. Ассоциация ОАТО ВС ГА(№ 5). - С. 46-47.
2. http://tavot-spb.ru/aviacionnye_masla.
3. http://www.geolib.ru/OilGasGeo/1989/11/Stat/stat08.html#ris01.
4. http://www.tehnoinfa.ru/plastichnostnefteproduktov/29.html.
PROBE SAMPLING PERIOD OF OIL BY X-RAY FLOURESENCE
ANALYSIS JUSTIFICATION
Gryadunov K.I., Timoshenko A.N.
Contaminations sedimentation mathematical model in МС-8п oil allowing to take into account probe sampling period
effect on granulometric contaminations composition in the probe is presented.
Key words: sedimentation, friction pair wear products, sedimentation speed.
Сведения об авторах
Грядунов Константин Игоревич, 1986 г.р., окончил МГТУ ГА (2008), аспирант МГТУ ГА, автор 7
научных работ, область научных интересов – эксплуатация летательных аппаратов.
Тимошенко Андрей Николаевич, 1959 г.р., окончил МИИ ГА (1981), заместитель директора ЦС
ГСМ ГосНИИ ГА, автор 6 научных работ, область научных интересов – эксплуатация воздушного
транспорта, обеспечение качества авиационных ГСМ.
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА
2012
№ 183
УДК 662.7:665.753.2
КИНЕТИКА РОСТА МАССЫ ОТЛОЖЕНИЙ НА КОНКРЕТНОМ
ЗОЛОТНИКЕ НАСОСА-РЕГУЛЯТОРА НР-30 КП ГТД Д 30КУ
ПРИ ЕГО КОНТАКТЕ С АВИАКЕРОСИНОМ
С.П. УРЯВИН, М.Г. ГОЛУБЕВА, В.Н. ЗЕНУШКИН
Статья представлена доктором технических наук, профессором Коняевым Е.А.
Установлены закономерности кинетики роста массы отложений при различных температурах эксплуатации
на конкретном золотнике насоса НР – 30КУ в топливе ТС-1.
Ключевые слова: авиационный газотурбинный двигатель, топливорегулирующая аппаратура, золотниковые
пары, залипание, отказы.
Практически во всей элементной базе систем автоматического управления топливопитанием авиационных ГТД используются гидравлические клапаны золотникового типа. В процессе
эксплуатации они подвержены явлению "заклинивания" или "зависания". Данное явление обусловлено в том числе накоплением на золотниковых парах смолистых отложений, возникающих при их контакте с авиакеросином, особенно в состоянии так называемого "покоя" и при
повышенных температурах эксплуатации. Исследование процесса роста отложений при контакте с авиакеросинами, в том числе и с ТС-1, проводились ранее на модельных системах. Рост
отложений определялся по изменению теплопроводности стенок трубчатых образцов, имитирующих топливопроводы [1].
Представляет интерес максимально приблизить испытания к конкретным золотникам, наиболее часто подверженным "заклиниванию". По данным ремонтной диагностики, проведённой
на ВАРЗ 400 при ремонте ГТД Д - 30КУ [2] и представленных на диаграмме (рис. 1), наиболее
подвержены "заклиниванию" золотники клапана постоянного перепада давления топлива - 11
отказов, блокировочного клапана - 6 отказов, автомата распределения топлива - 5 отказов, датчика оборотов - 3 отказа.
В качестве объекта настоящего исследования использовали золотник блокировочного клапана, поскольку он оказался наиболее удобным для исследования (рис. 2), так как представляет
собой золотниковую пару, включающую золотник 1 и втулку 2.
Рост смолистых отложений определяли по изменению массы золотника в процессе его контакта с авиакеросином. В качестве авиакеросина использовали топливо ТС – 1 без присадки
ПВКЖ. Эксперимент проводили на приборе ЛСАРТ – 77, который позволяет устанавливать и
поддерживать во времени температуры топлива, характерные для эксплуатации золотниковой
пары. После каждого времени выдержки в топливе при всех температурах испытаний золотники сушили при температуре 150оС до постоянной массы.
Массу золотников определяли на аналитических весах с ценой деления 0,1 Мг. Максимальное время контакта золотника с топливом определяли по времени наступления эффекта "заклинивания" золотника во втулке после его выдержки в топливе при температуре 150оС. Эффект
заклинивания определяли на доработанной установке марки "Кристалл -15".
46
С.П. Урявин, М.Г. Голубева, В.Н. Зенушкин
Рис. 1. Диаграмма количества отказов золотниковых пар насосов НР - 30КУ по причине
их "заклинивания": 1 – золотник 3141.268.1 во втулке 672.106 – клапана постоянного перепада
давления топлива (КППД); 2 - золотник 3035.021 во втулке 3127.323 – клапана блокировки;
3 - золотник 3035.061.1 во втулке 3027-105-1(2) – узла отключения стартёра;
4 - золотник 3035. 1421 во втулке 3035-143 АРТ – автомата распределения топлива;
5 - золотник 3035. 399 во втулке 3055.401 – датчика оборотов
Рис. 2. Общий вид золотника блокировочного клапана насоса регулятора НР-30КУ
Экспериментальные данные приведены в табл. 1 - 3.
Таблица 1
Кинетика роста массы отложений на золотнике при температуре 80оС
τ, ч
t = 80oC
6
m и, г
19,5631
mo, г
19,5654
mк, мг
6,0
mτ, мг
2,3
Ln
0,48
K1
0,081
8
19,5631
19,5660
6,0
2,9
0,66
0,083
10
19,5631
19,5665
6,0
3,4
0,84
0,084
12
19,5631
19,5669
6,0
3,8
1,0
0,083
14
19,5631
19,5672
6,0
4,1
1,15
0,082
К1ср = 0,083
47
Кинетика роста массы отложений на конкретном золотнике …
Таблица 2
Кинетика роста массы отложений на золотнике при температуре 100оС
τ, ч
t = 100oC
6
m и, г
19,5640
mo, г
19,5671
mк, мг
6,0
mτ, мг
3,1
Ln
0,727
K2
0,121
8
19,5640
19,5677
6,0
3,7
0,96
0,120
10
19,5640
19,5682
6,0
4,2
1,21
0,120
12
19,5640
19,5685
6,0
4,5
1,39
0,116
14
19,5640
19,5689
6,0
4,9
1,70
0,121
К2ср = 0,120
Таблица 3
Кинетика роста массы отложений на золотнике при температуре 150оС
τ, ч
t = 150oC
6
m и, г
19,5635
mo, г
19,5674
mк, мг
6,0
mτ, мг
3,9
Ln
1,05
K3
0,174
8
19,5635
19,5681
6,0
4,6
1,45
0,181
10
19,5635
19,5685
6,0
5,0
1,79
0,179
12
19,5635
19,5688
6,0
5,3
2,15
0,179
14
19,5635
19,5690
6,0
5,5
2,48
0,177
К3ср = 0,178
В этих таблицах: mи – исходная масса золотника, г; mo – масса золотника с отложениями, г;
mk – критическая масса отложений, при которой заполняется весь зазор между золотником и
втулкой (получены расчетным путём), мг; mτ – масса отложений в данный момент времени, мг;
mк
Ln – натуральный логарифм отношения
; K – константа скорости роста отложений,
mк − m τ
отнесённая к 1 молю смол, образующих отложения.
По данным табл. 1 - 3 построены графики зависимостей в системе координат
mк
1
ln
= f(τ) и ln K T = f ( ) , которые представлены на рис. 3, 4.
mк − m τ
T
Рис. 3. Кинетика роста массы отложений на золотнике при различных температурах топлива ТС - 1
48
С.П. Урявин, М.Г. Голубева, В.Н. Зенушкин
Из рис. 3 следует, что зависимость ln
mк
= f(τ) имеет линейный характер и может
mк − m τ
быть представлена уравнением
ln
mк
= К·τ .
mк − m τ
(1)
Исходя из этого уравнения
mк
mк − m τ
К=
τ
mк
ln
mк − m τ
.
или τ =
K
Полученные соотношения хорошо согласуются с кинетическими уравнениями для химических реакций 1-го порядка, а также с работами Г.Ф. Большакова и его учеников [3, 4]. Согласно
этим работам процессы окисления (осмоления) авиакеросинов осуществляются на уровнях монои бимолекулярных реакций.
Таким образом, используя уравнение 1, можно определить константу скорости роста массы
отложений в заданном временном интервале и время, за которое масса отложений достигает
значений (примерно 92% от mk), при которых имеет место "заклинивание" золотника во втулке.
1
Зависимость ln K T = f ( ) согласно графику (рис. 4) также имеет линейный характер.
T
ln
Рис. 4. Зависимость константы скорости роста массы отложений на золотнике от температуры
1
По данным рис. 4 зависимость ln K T = f ( ) описывается уравнением
T
1
ln K T = −a ⋅ + ln K 0
(2)
T
или
Кт = Ко · e
−
1
T
,
Ea
, Еа – энергия активации роста массы отложений, Дж; R - универсальная газовая поR
Дж
стоянная,
.
К
Таким образом, уравнение (2) можно представить в виде
где а =
Кт = Ко · e
−
ЕА
RT
.
(3)
49
Кинетика роста массы отложений на конкретном золотнике …
В результате несложных математических преобразований уравнения (2) и (3) можно представить в виде
E 1 1
K
ln m2 = a ( − ) ;
(4)
K m1 R T1 T2
K T2
K T1
Ea (
=e
1 1
− )
T1 T2
R
.
(5)
Таким образом, полученные закономерности позволяют:
- по известным значениям K T1 и K T2 определить Еа – энергию активации роста массы отложений, т.е. энергетический барьер, который необходимо преодолеть одному молю авиатоплива, чтобы окислиться и образовать смолистые отложения;
- по известным значениям Еа и K T при выбранной температуре определить K T при любой
температуре эксплуатации золотниковой пары, а следовательно, время достижения при этой температуре массы отложений (примерно до 90 -95% от mk), вызывающих эффект "заклинивания".
Энергия активации (Еа), определённая по уравнению (4) или (5), при температурах 80оС и
о
150 С составляет 13490 Дж/моль или 13,490 кДж/моль, что также хорошо согласуется c данными работ [3, 4].
Справедливость уравнений (4) или (5) проверили, рассчитав по ним значение при температуре 100оС и сравнив полученные данные с экспериментальной величиной (табл. 2). Отклонение расчётной величины от экспериментальной составляет 13,3%, что вполне допустимо для
химмотологических исследований.
Выводы
1. Установлены закономерности кинетики роста массы отложений при различных температурах эксплуатации на конкретном золотнике блокировочного клапана насоса НР – 30КУ в топливе ТС-1 без присадки ПВКЖ.
2. Определена энергия активации роста массы отложений в топливе ТС – 1, которая составляет 13,490 кДж/моль.
3. Определена масса отложений, при которой возникает "заклинивание" золотника во втулке, и которая составляет 90-95% от расчётной величины.
4. Полученные закономерности позволяют определить время до заклинивания золотника во
втулке при различных температурах эксплуатации.
ЛИТЕРАТУРА
1. Алтунин В.А. Исследование особенностей теплоотдачи к углеводородным горючим и охладителям в энергетических установках многоразового исполнения. - Казань: Казанский государственный университет им. В.И. Ульянова - Ленина, 2005. - Кн. I.
2. Акты - отчёты ВАРЗ № 400 за 1996 - 2008 гг.
3. Большаков Г.В. Образование гетерогенной системы при окислении углеводородных топлив. - Новосибирск: Наука, 1990.
4. Большаков Г.В., Каплан З.Г. Общее кинетическое уравнение и механизм образования коллоидных систем
при окислении авиационных топлив: труды конференции. - Киев, 1972. - Вып. 34.2 - С. 154 - 160
SEDIMENTATION MASS INCREASE KINETICS ON CONCRETE POOL-AND-SLEEVE OF
REGULATOR PUMP НР-30 КП WITH CONTACT WITH AVIATION FUEL IS OBSERVED
Uryavin S.P., Golubeva M.G., Zenushkin V.N.
Contamination Mass increase kinetic Patterns with various exploitation temperatures on concrete pool-and-sleeve of
regulator pump НР-30 is determined.
50
С.П. Урявин, М.Г. Голубева, В.Н. Зенушкин
Key words: aviation jet engine, fuelregulating equipment, pool-and-sleeve, sealing.
Сведения об авторах
Урявин Сергей Петрович, 1957 г.р., окончил МИИ ГА (1981), директор ЦС авиаГСМ ГосНИИ ГА,
автор 7 научных работ, область научных интересов – эксплуатация воздушного транспорта, обеспечение
качества авиационных ГСМ.
Голубева Майя Георгиевна, окончила МХТИ им. Д.И. Менделеева (1959), кандидат технических
наук, доцент кафедры авиатопливного обеспечения и ремонта летательных аппаратов МГТУ ГА, автор
более 100 научных работ, область научных интересов – эксплуатация воздушного транспорта, обеспечение качества авиационных ГСМ.
Зенушкин Виктор Николаевич, 1947 г.р., окончил МАИ им. С. Орджоникидзе (1976), кандидат
технических наук, доцент кафедры авиатопливного обеспечения и ремонта летательных аппаратов
МГТУ ГА, автор более 20 научных работ, область научных интересов – эксплуатация воздушного
транспорта, обеспечение качества авиационных ГСМ.
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА
2012
№ 183
УДК 534(03)У51
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ
УЗЛА КРЕПЛЕНИЯ РУЛЕВЫХ ВИНТОВ ВЕРТОЛЕТОВ ТИПА МИ-8
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ЭХО-СИГНАЛОВ TOFD
МЕТОДОМ
Д.В. АМПЛЕЕВ, Ю.А. МИКОЛАЙЧУК
Статья представлена доктором технических наук, профессором Коняевым Е.А.
Рассмотрены вопросы возможности обнаружения трещин в узлах крепления рулевых винтов вертолетов типа
Ми-8 с использованием визуализации эхо-сигналов TOFD методом.
Ключевые слова: неразрушающий контроль, дифракционно-временной метод (ДВМ), ультразвуковой метод.
В настоящее время перед методами неразрушающего контроля (НК), включая ультразвуковой
контроль (УЗК), все чаще ставятся задачи не только дефектоскопии - обнаружения дефектов, но и
задача дефектометрии – определение размеров, типа, формы дефектов. Необходимым импульсом,
стимулирующим развитие НК, явился вопрос – для чего нужен такой переход и что он дает?
Переход от дефектоскопии к дефектометрии означает принципиальную смену эпохи. До
недавнего времени в неразрушающем контроле основной задачей являлось обнаружение в контролируемом объекте несплошности относительно больших размеров, которые непосредственно влияют на прочность объектов.
С развитием техники в НК появились методы, позволяющие выйти на новый уровень в определении размеров дефектов с высокой достоверностью результатов. Таким методом является
так называемый "дифракционно-временной метод" (ДВМ) или по зарубежной классификации “ Time of Flight Difraction – TOFD” метод.
В 90-е годы для определения размеров дефектов – трещин, непроваров, предложен ультразвуковой дифракционно-временной метод контроля - ДВМ (Time of Flight Diffraction - TOFD
метод). За рубежом этому методу УЗ контроля в последние годы уделяется большое внимание,
особенно при контроле сварных швов и механических испытаниях. Так на 15-й международной
конференции по НМК (Рим, октябрь 2000 г.) этому методу было посвящено специальное заседание одной секции. В 1993 г. разработан Британский стандарт на TOFD метод (Guided to Calibration and Setting of Ultrasonic Time of Flight Diffraction (TOFD) technique for Detection, Location
and Sizing of Flaws. BS 7706: 1993). Цель разработки стандарта - способствовать широкому распространению этого относительно нового метода неразрушающего контроля в промышленности.
Метод основан на приеме волн, рассеянных (дифрагированных) на концах плоскостного
дефекта - трещины или непровара. Данный метод позволяет измерять размеры трещин, что
важно для оценки его влияния на прочностные свойства конструкций. Необходимо иметь в
виду, что величина амплитуды эхо-сигнала не используется в этом методе при измерении размеров дефектов, все измерения выполняются по времени распространения дифрагированных
сигналов.
Амплитуда эхо-сигнала используется в ДВМ только в связи с решением нескольких частных задач:
а) когда импульсы от дефектов плохо различимы на фоне локальных шумов, например,
структурных помех;
б) когда относительные амплитуды эхо-сигналов от верхнего и нижнего концов дефекта
могут дать важную информацию о характере дефекта.
52
Д.В. Амплеев, Ю.А. Миколайчук
Отметим, что оборудование, необходимое для контроля ДВМ, должно удовлетворять некоторым специальным требованиям.
1. Дефектоскоп и система регистрации результатов в ДВМ методе
В большинстве случаев в ДВМ методе используются системы цифровой автоматической
записи результатов. В отдельных случаях может быть использовано ручное и/или аналоговое
оборудование.
Для достижения высокого качества результатов важны параметры всего электроакустического
тракта дефектоскопа: приемника (усилителя), генератора, преобразователей и соединяющих кабелей. В число важных параметров для обеспечения повторяемости результатов контроля входят:
а) время нарастания излучаемого импульса;
б) амплитуда излучаемого импульса;
в) ширина излучаемого импульса;
г) центральная частота, нижняя и верхняя частота приемника;
д) центральная частота преобразователя, длительность возбуждаемого импульса, импеданс
кабелей и преобразователей.
Опыт показывает, что общепринятые генераторы ударного типа могут давать хорошие результаты для применения в ДВМ методе. Рекомендуются следующие параметры дефектоскопа:
а) в большинстве случаев используются возбуждающие импульсы амплитудой 200 В и шириной от 1,2 пс до 100 нс;
б) если генератор однополярный, то ширина излучаемого импульса должна быть минимальной с возможно большей скоростью нарастания фронта. Номинальная ширина однополярного импульса 100 нс или меньше, насколько это достижимо. Должна быть обеспечена скорость
нарастания фронта импульса 50 нс или меньше;
в) если генератор биполярный, то идеальная ширина импульса 3/4 λ , где λ - длина волны
(обычно от 1 до 2 мс). Минимальная ширина импульса 1/2 λ (обычно от 0.3 до 0.6 мс). Тем не
менее время нарастания должно быть равным приблизительно 50 нс;
г) широкополосный приемник должен иметь полосу от 0.8 до 30 МГц.
Так как полученные сигналы при работе с ДВМ обычно очень слабы, то приемник должен
иметь более высокое, чем обычно усиление с высоким отношением «сигнал – шум».
Примечание. Желательно наличие предусилителя, особенно, если используются длинные
кабели.
Для автоматизированных систем контроля необходима синхронизация движения сканирующего механизма с аппаратурой системы, регистрирующей данные.
Для достижения высокой точности метода при контроле ДВМ предъявляются высокие требования к цифровому блоку системы регистрации. Требуется аналого-цифровой преобразователь с частотой не менее 20 - 25 МГц.
При интерпретации данных ДВМ наблюдаемые сигналы рекомендуется представлять на
В-развертке или D-развертке.
Обычные требования к экрану включают визуализацию амплитуды в виде серой или цветной шкалы.
Примечание. Опыт показывает, что могут быть рекомендованы для использования, как
минимальные, серые шкалы с градацией на 64 интервала.
Обычные дефектоскопы, как правило, не используются для этого метода контроля, тем не
менее, использование коммерческого оборудования возможно.
Исследование возможности ультразвукового контроля узла крепления …
53
2. Выбор ультразвуковых преобразователей
Для получения наиболее высокой точности контроля существенно, чтобы эхо-сигналы
обеспечивали хорошую разрешающую способность во времени. Исходя из этого рекомендуется
использовать не детектированный режим контроля.
Выбор типа преобразователя определяется следующими параметрами:
а) работа на продольных волнах;
б) необходимость высокого временного разрешения, то есть применение высокочастотных
преобразователей или преобразователей с коротким импульсом возбуждения;
в) необходим учет затухания УЗК в объекте контроля (ОК);
г) необходимость работы в ближней зоне преобразователя;
ж) особые требования к ширине пучка УЗК.
Примечание. Выбор каждого из параметров представляет компромисс между достижением высокой разрешающей способности, достижением возможно большего отношения сигнал-помеха и достаточно высокой чувствительностью.
Обычно используют продольную волну, так как она имеет наиболее высокую скорость. В
этом случае полезный эхо-сигнал прибывает раньше конкурирующего трансформированного эхосигнала (поперечной волны), что обеспечивает меньший уровень помех. Использование горизонтально поляризованной сдвиговой волны может быть целесообразно при контроле некоторых
крупнозернистых материалов, для которых полезно применение подобных преобразователей.
Ширина пучка УЗК должна быть выбрана такой, чтобы озвучить все интересующее сечение
объекта контроля. Благодаря преломлению лучей на поверхности призма – ОК и использованию пучка с широкой диаграммой направленности этого, как правило, не трудно достигнуть.
Так как измерение амплитуды в данном методе не используется, однократное озвучивание дает
возможность получить приемлемое отношение сигнал-помеха даже для краевых зон пучка УЗК
и все интересующие дефекты могут быть выявлены с достаточной чувствительностью.
Специальные случаи контроля требуют использования более узких пучков лучей, например, если необходимо обнаруживать только дефекты, расположенные вблизи противоположной
поверхности. Сужение пучка увеличивает интенсивность излучения, т.е. повышает чувствительность. Фокусировка лучей не может быть использована для поиска дефектов, потому что
озвучиваемая при этом область ОК слишком мала для обеспечения гарантированного обнаружения дефектов во всем сечении. Однако фокусировка может быть использована для измерения
размеров дефектов путем локации кончика дефекта.
Чаще всего для контроля применяют преобразователи с центральной частотой от 2 до 10 МГц и
диаметром от 6 до 20 мм. Подбор оптимального преобразователя начинают с использования
широкополосного преобразователя на частоту 5 МГц с диаметром пьезоэлемента 12 мм.
Сущность ДВМ метода поясняется на рис. 1. При падении упругой волны на дефект (несплошность – трещина, непровар) энергия волны частично отражается от его поверхности и
частично огибает и трансформируется в различные типы волн – дифракция (рис. 1а). Вследствие этого от верхней и нижней границ дефекта возникают две дифрагированные волны. Для
обнаружения дифрагированных волн обычно применяют раздельную схему включения УЗ преобразователей, при которой один преобразователь излучает УЗК («изл»), а второй принимает
(«пр») (рис. 1б). При этом на экране дефектоскопа будут видны 4 сигнала: сигнал от поверхности изделия, донный сигнал и 2-а сигнала от границ дефекта. По времени прихода сигналов от
границ дефекта можно определить глубину его залегания “d” и протяженность “h” (рис. 1в).
В России метод ДВМ практически не применяется, хотя еще 1972-1973 гг. были проведены
одни из первых исследований особенностей этого метода УЗ контроля [1].
Описание метода TOFD дано в Британском стандарте BS 7706: 1993 г.[2] и проекте Европейского стандарта ENV 583-6: 1997 г.[3].
54
Д.В. Амплеев, Ю.А. Миколайчук
На разработку метода TOFD в рамках специального Европейского фонда BRITE EURAM в
1996-1997 гг. для Университета в г. Surrey (Англия) было выделено специальное финансирование (грант) на проект: № 5907 "NDT Methods for Flaw Detection During Welding".
Есть зарубежные публикации о применении TOFD метода для измерения развивающихся
трещин в процессе механических испытаний осей тяжелых автомобилей с толщиной стенки
12мм. При этом была установлена связь длины и глубины усталостной трещины от количества
циклов испытаний.
Рис. 1. Принцип ДВМ (TOFD) метода: а - схема отражений и дифракции УЗ колебаний
на дефекте; б - геометрическая схема ДВМ метода; в - эхо-сигналы на экране дефектоскопа
Опубликованы данные о применении TOFD метода для контроля сварных швов подводной
части морской буровой платформы в Северном море, а также сварных швов газовых контейнеров. Проверено около 2000 пог.м сварных швов. Установлено, что производительность УЗ контроля в 20-50 раз превосходит радиографию.
Применительно к нуждам ГА ДВМ-метод позволяет повысить точность и достоверность
измерений путем визуального отображения дефекта – более привычного для восприятия глазом
человека.
Исследование возможности ультразвукового контроля узла крепления …
55
3. Экспериментальные исследования
В связи с разрушением узла крепления лопасти винта направления вертолета Ми-8 (2007 г.)
было проведено исследование (путем моделирования) возможности неразрушающего контроля
данного узла с использованием ультразвукового метода с визуализацией TOFD.
Данное разрушение произошло из-за образования трещины в зоне болтового соединения
лонжерона лопасти (алюминиевый сплав толщиной 10 мм) и стальной накладки, состыкованных через слой герметика. Эскиз соединения приведен на рис. 2.
Рис. 2. Эскиз соединения лонжерона лопасти и стальной накладки
Для определения возможности выявления трещины в указанном узле в данной работе был
смоделирован процесс УЗ контроля на образце, представляющем собой две пластины, выполненные из стали и алюминиевого сплава, соединенные через слой смазки, имитирующей соединение
через герметик (рис. 3). В нижней пластине были выполнены: отверстие диаметром 10 мм, имитирующее отверстие под болт, и сквозная прорезь, имитирующая трещину (рис. 4). Графическая
визуализация дефекта в данном случае осуществлялась с использованием TOFD метода.
Приборы:
- ультразвуковой дефектоскоп УД2В-П46;
- совмещенный преобразователь прямой (К10К, частота 10МГц);
- совмещенный преобразователь с углом призмы 35о (угол ввода 45о), частота 10МГц;
- ПК с программой UdOscil программного обеспечения дефектоскопа УД2В-П46.
Использование преобразователя К10К обусловлено необходимостью контроля качества
акустического контроля.
Сканирование поверхности осуществлялось при помощи двух преобразователей (прямой
К10К и наклонный с углом призмы 35о). В центре отверстия, имитирующего болтовое соединение лонжерона лопасти и стальной накладки, состыкованных через слой герметика, закрепляется ось, вокруг которой производится вращение преобразователей. Ультразвук вводится контактным методом с использованием смазки.
Рис. 3. Схема проведения эксперимента УЗ контроля на образце
56
Д.В. Амплеев, Ю.А. Миколайчук
Рис. 4. Схема прозвучивания образцов. Сплошными стрелками показан прямой эхо-сигнал
от прорези в алюминиевом образце; пунктирными стрелками показан отраженный
от дна эхо-сигнал от прорези в алюминиевом образце
На рис. 5 показаны полученные ДВМ методом изображения эхо-сигналов в образце. Слева
изображения эхо-сигналов от прорези, имитирующей трещину, полученные наклонным преобразователем. Справа в одинаковом масштабе добавлены ДВМ изображения эхо-импульсов, полученных прямым преобразователем.
Прямой преобразователь К10К излучает продольные волны. Эхо-сигналы, отраженные от
дна стальной и алюминиевой пластин, фиксируются и отображаются на мониторе компьютера в
виде изображений фронтальных прямых (позиции 3, 4, рис. 5) при помощи программы UdOscill.
Дно алюминиевой пластины находится на расстоянии 30 мм от преобразователя, поэтому на
экране первый сигнал (позиция 3, рис. 5) – от дна стальной пластины. Установленная развертка
дефектоскопа позволяет фиксировать сигнал, дважды отраженный от дна стальной пластины
(позиция 5, рис. 5). Таким образом, обеспечивается контроль наличия акустического контакта
преобразователей и прохождение сигнала в алюминиевую пластину.
Наклонный преобразователь излучает поперечные волны. Отраженные сигналы фиксируются дефектоскопом УД2В-П46 и отображаются на дисплее компьютера при помощи программы UdOscill в режиме TOFD метода (левое изображение на рис. 5). При отсутствии дефекта –
на экране отображается серый фон. Появление на экране сигналов свидетельствует о наличии
дефектов в контролируемой зоне. Первым приходит прямой эхо-сигнал, отраженный от нижней
части прорези в алюминиевом образце. Второй эхо-сигнал, однократно отраженный от дна и
верхней части прорези (позиции 1 и 2, рис. 5).
Исследование возможности ультразвукового контроля узла крепления …
57
Рис. 5. Запись изображений дефекта (на рисунке показаны слева) и донных сигналов (справа)
в режиме TOFD. Дефект - прорезь в алюминиевом образце: 1 – прямой эхо-сигнал от нижней
части прорези в алюминиевом образце; 2 – эхо-сигнал, отраженный от дна и верхней части
прорези; 3 – первое отражение от нижней поверхности стального образца; 4 – эхо-сигнал от
нижней поверхности алюминиевого образца; 5 – двукратно отраженный сигнал в стальном
образце (пояснения на рис. 3)
Выводы
В работе показана возможность выявления УЗ методом дефектов типа сквозных трещин
около отверстий под болт, в нижнем слое двух материалов (сталь и алюминий), соединенных
через слой герметика. Контроль осуществляется с использованием двух ультразвуковых преобразователей:
- прямой совместный К10К, работающий на частоте 10 МГц – для контроля качества соединения герметика с материалом;
- наклонный совместный П121-5.0-35 о – для выявления трещины около болтового соединения в нижнем слое.
ЛИТЕРАТУРА
1. Григорьев М.В., Гребенников В.В. Определение размеров трещин ультразвуковым методом // Дефектоскопия. - 1978. - № 2. - С. 41-46.
2. Иванов В.И., Власов И.Э. О дефектоскопических подходах в ультразвуковом контроле // Дефектоскопия.
– 1998. - № 1. - С. 8-12.
3. Guided to Calibration and Setting of Ultrasonic Time of Flight Diffraction (TOFD) technique for Detection, Location and Sizing of Flaws. BS 7706: 1993.
4. The European TOFD Standard ENV 583-6 Nondestructive Testing Ultrasonic Examination , Part 6: Time of Flight
Diffraction Technique as a Method for Defect Detect and Sizing.
58
Д.В. Амплеев, Ю.А. Миколайчук
RESEARCH OPPORTUNITIES OF ULTRASONIC CHECK ATTACHMENT POINT ANTITORQUE
ROTOR HELICOPTER MI-8 WITH HELP OF VISUALIZATION ECHO SIGNAL BY TOFD
Ampleev D.V, Micolaychuk U.A.
In this article have been looking question about possibility deployment TOFD (Time of Flight Diffraction Technique in
Aviation). One of the example of providing this method is finding cracks in attachment point antitorque rotor helicopter Mi-8.
Key words: nondestructive testing, time of flight diffraction (TOFD) technique for Detection, ultrasonic testing.
Сведения об авторах
Амплеев Дмитрий Викторович, 1984 г.р., окончил МГТУ ГА (2006), заместитель начальника
отдела НМК НЦПЛГ ВС ГосНИИ ГА, автор 3 научных работ, область научных интересов – поддержание летной годности воздушных судов.
Миколайчук Юрий Александрович, 1960 г.р., окончил КИИГА (1983), начальник отдела НМК
НЦПЛГ ВС ГосНИИ ГА, III уровень по акустическому виду НК, автор более 20 научных работ, область
научных интересов – УЗ дефектоскопия АТ.
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА
2012
№ 183
УДК 621.438-226.739.6
ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ РЕМОНТА
ТЕПЛОЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ
Д.А. БАРАНОВ, В.О. ДРЕВНЯК, Г.Т. ПАЩЕНКО
Статья представлена доктором технических наук Самойленко В.М.
В статье рассматривается особенность технологии ремонта теплозащитного покрытия с металлическим смачивающим слоем на лопатках турбины ГТД с целью увеличения их долговечности.
Ключевые слова: ремонт, теплозащитное покрытие, барьерный слой, долговечность, лопатка, турбина.
В процессе эксплуатации газотурбинных двигателей жаростойкие покрытия постепенно теряют свои защитные свойства либо в связи с растрескиванием, обусловленной недостаточной
пластичностью покрытий, либо по причине газовой коррозии и эрозии. Надежная эксплуатация
и увеличение ресурса лопаток газовых турбин возможна при условии своевременной замены
покрытий при ремонте. Поэтому при ремонте ГТД широко используют метод восстановления
жаростойких покрытий, состоящий из удаления старого и нанесения нового покрытия.
В качестве метода нанесения керамического слоя выбран метод электронно-лучевого напыления, который в настоящее время является одним из наиболее перспективных методов получения керамических покрытий, удовлетворяющих предъявляемым требованиям. Структура керамического слоя ТЗП и все его свойства полностью зависят от используемой технологии его нанесения. Структура керамического слоя, полученная после его конденсации, не может изменяться последующими обработками.
Несмотря на все известные и описанные в литературе недостатки керамических ТЗП, электронно-лучевая технология (ЭЛТ) нанесения таких покрытий остаётся пока единственно приемлемой из опробованных методов для рабочих лопаток турбины ГТД боевого применения [1, 3].
Применение ЭЛТ позволяет реализовать в керамическом слое следующие свойства.
1. В керамическом слое, формируемом при конденсации из пара, создается специфическая
столбчатая структура с кристаллитами, ориентированными перпендикулярно поверхности. Такой слой при появлении напряжения, растяжения легко дробится на фрагменты, что уменьшает
напряжение отрыва керамики при теплосменах.
2. В интервале температур, расположенных ниже температуры нагрева лопаток, при нанесении керамического слоя (850…920°С) в нем возникают напряжения сжатия. Их появление
связано с различием коэффициентов линейного расширения керамики и жаропрочного сплава.
Эти напряжения сохраняются при последующих технологических отжигах и эксплуатации.
3. Адгезионная прочность керамического слоя определяется физико-химическими процессами, протекающими между керамикой и металлическим подслоем.
4. Шероховатость поверхности керамических покрытий после их нанесения не превышает
1,5 мкм (не требуется трудоёмкая доводка поверхности).
Метод ЭЛТ основан на испарении материала покрытия в глубоком вакууме с помощью
пучка электронов [2, 3]. Скорость формирования осадка находится в пределах 1-2 мкм/мин.,
при этом детали обычно нагревают до температуры 800-1000 °С, а для равномерного формирования покрытия вращают. Кристаллы покрытия растут в основном в направлении, перпендикулярном покрываемым поверхностям, образуя при этом своеобразную столбчатую структуру
[1, 3, 4]. При нанесении керамических покрытий образуется столбчатая структура кристаллов
керамики, которая должна способствовать образованию микротрещин на границах зерен под-
60
Д.А. Баранов, В.О. Древняк, Г.Т. Пащенко
ложки и затруднять растрескивание в плоскости, перпендикулярной направлению роста столбчатых зерен покрытия [1 - 3]. Для получения столбчатой структуры граница раздела керамики с
металлом должна быть гладкой. Керамическое покрытие состоит из столбчатых сегментов, тесно
связанных с лопаткой [1 – 3]. Отсутствие тесной связи между сегментами позволяет керамическому покрытию расширяться без заметного разрушения. При такой структуре керамики решающее значение приобретает физико-механическая адгезия керамики к металлическому покрытию.
В процессе отработки технологии нанесения усовершенствованного ТЗП на рабочие лопатки турбины на керамический слой тонкой пленки металлического покрытия ПХ25Ю5 установлено влияние технологического процесса на долговечность ТЗП. Модифицированный металлический слой ПХ35Ю5 был нанесен на керамический слой за одну садку при его испарении с
другого катода и на керамический слой, прошедший ТВО. Установлено, что при нанесении металлического слоя на керамический слой, не прошедший ТВО, долговечность ТЗП снижается
примерно на 15%. Это можно объяснить возникающими напряжениями в ТЗП в процессе его
нанесения. После проведения ТВО в керамическом слое снимаются внутренние напряжения, а
также происходит восстановление керамики. При осаждении металлического слоя на керамический слой, не прошедший ТВО, сказываются возникающие в нем напряжения. Это видно на
микроструктуре покрытий с металлическим слоем, нанесенным до проведения ТВО керамики и
после проведения ТВО керамики (рис. 1 а, б). Как видно из микроструктуры, металлический
слой имеет сколы после нанесения его на керамику, не прошедшую термовакуумную обработку. Микроструктура ТЗП с металлическим слоем, нанесенным на керамику после ТВО, имеет
характерную для данного типа покрытия структуру, а также видно, что металлический барьер
имеет проникновение в керамику, тем самым происходит "связывание" столбов керамического
слоя, а значит, позволяет увеличить его долговечность.
В процессе испарения керамического брикета происходит диссоциация ZrО2. В образующихся продуктах диссоциации присутствует кислород, который в вакууме частично удаляется
из зоны испарения. Степень восстановления керамики зависит от технологических параметров температуры ванны, скорости испарения, степени вакуума в установке. Свидетельством частичного восстановления и увеличения количества анионных вакансий является изменение цвета
керамики. После завершения процесса испарения застывшая поверхность ванны, слой толщиной 5…8 мм под ней и слой конденсированной керамики имеют черный цвет, характерный для
диоксида циркония с недостатком кислорода. Суммарные потери керамикой кислорода при испарении составляют 3…3,5%. Для обеспечения стехиометрии после напыления проводят окисление керамики на воздухе.
Для окончательного формирования барьерного связующего слоя между керамическим покрытием и жаростойким подслоем выполняется ТВО при температуре 1080±10 °С в течение
2 часов в вакууме не хуже 100×10-4 Н/м2.
×600
а
б
Рис. 1. Микроструктура ТЗП с металлическим слоем, нанесенным
до проведения ТВО (а) и после проведения ТВО (б) керамического слоя
61
Особенности технологии ремонта теплозащитных покрытий
Для стабилизации керамического покрытия, то есть для перевода частично восстановленной до металлического циркония керамики в оксид ZrO2, проводится отжиг на воздухе при температуре 750 °С в течение 1 часа.
После отжига производится нанесение металлического барьерного слоя ПХ25Ю5 в течение
3 минут толщиной 6-8 мкм и окончательный контроль лопаток: внешний осмотр, разрезка технологических лопаток и металлографический контроль толщины и структуры покрытия. Микроструктуру полученного покрытия контролируют по образцу-«свидетелю». ТВО разработанного покрытия после нанесения металлического слоя не проводится. Она может быть совмещена с процессом ТВО, который проводится для снятия напряжений после шлифовки рабочих
лопаток при сборке в ротор с целью подбора торцевых зазоров.
В дальнейшем проведено исследование жаростойкости нанесенных теплозащитных покрытий с барьерным металлическим слоем на керамике, нанесенным за одну садку и после термовакуумной обработки. Исследования проводили на технологических лопатках при температуре
1100 °С. В процессе исследования установлено, что в процессе окисления меняется характер
разрушения керамического слоя (рис. 2). Как видно, осаждение металлического барьерного
слоя на керамику за одну садку приводит к площадному отслоению керамики. Это еще раз подтверждает сделанный выше вывод, что осаждение металлического слоя на керамический после
проведения термовакуумной обработки позволяет снизить напряжения в керамике и повысить
долговечность рабочих лопаток с таким покрытием.
а
б
Рис. 2. Внешний вид лопаток с металлическим слоем, нанесенным на керамику после ТВО (а)
и без ТВО (б) после изотермической выдержки в течение 270 часов при температуре 1100 °С
Проведенные исследования позволили разработать структурную схему технологического
процесса восстановления керамического слоя с последующим нанесением на керамический слой
металлического барьерного слоя. Данная схема увеличивает технологический цикл восстановления керамического слоя теплозащитного покрытия на одну операцию, однако позволяет увеличить и долговечность рабочих лопаток с полученным по данной схеме покрытием. Структурная
схема технологии восстановления теплозащитного покрытия представлена на рис. 3.
Таким образом, установлено влияние технологического процесса на долговечность ТЗП и
предложены технологические пути устранения этого влияния на свойства получаемого ТЗП,
которые позволили повысить долговечность рабочих лопаток на 15% по сравнению с теплозащитным покрытием, на который нанесли металлический барьерный слой за одну садку с керамическим слоем.
62
Д.А. Баранов, В.О. Древняк, Г.Т. Пащенко
Пескоструйная
обработка
внешней поверхности
пера лопатки
(Рв=3 ×105 Н/м2, t=40 с,)
Контроль качества
покрытия (визуально
и ЛЮМ-1ОВ)
Обдувка
поверхности
лопатки воздухом
Ультразвуковая
промывка в
УЗВ-16М
(Рв= (1.5-2.0)×105 Н/м2)
Нанесение
ZrO2+8%Y2O3
(Т= 900 °С,
t= 80 мин.)
Отжиг лопаток (T=1080±10 0С,
t=2 ч в вакууме,
±10 0
С, t=1 ч на воздухе)
T=750
Нанесение металлического слоя ПХ25Ю5 на
УЭ-175 в течение 3 мин.
Рис. 3. Структурная схема технологии восстановления теплозащитного покрытия
ЛИТЕРАТУРА
1. Абраимов Н.В., Елисеев Ю.С. Химико-термическая обработка жаропрочных сталей и сплавов. - М.: Интермет Инжиниринг, 2001.
2. Тамарин Ю.А., Качанов Е.Б. Свойства теплозащитных покрытий, наносимых электронно-лучевой технологией. - М: ЦИАМ, 2008.
3. Tamarin Y.А. Protective Coatings for Turbine B Cades The Materials information Society. – Ohio. Materials Park,
2002.
4. Жук И.Н., Коломыцев П.Т., Семенов А.П. Исследование долговечности теплозащитных покрытий при
испытаниях газотурбинных двигателей. Защитные покрытия: научно-методические материалы. - М.: ВВИА им.
проф. Н.Е. Жуковского, 1994. - С. 113-119.
FEATURES OF TECHNOLOGY OF REPAIR THERMAL BARRIER COATINGS
Baranov D.A., Drevnyak V.O., Pashchenko G.T.
The article deals with technology of repair feature thermal protection with metal wetting layer on the turbine blades
GTE to increase their durability.
Key words: repair, heatcover coverage, barrier layer, longevity, shoulder- blade, turbine.
Сведения об авторах
Баранов Дмитрий Александрович, 1972 г.р., окончил Красноярскую государственную академию
цветных металлов и золота (1997), кандидат технических наук, заместитель начальника кафедры ВВИА
им. проф. Н.Е. Жуковского, автор более 30 научных работ, область научных интересов – технология
производства и ремонт авиационной техники.
Древняк Виктория Олеговна, студентка МГТУ ГА, область научных интересов – технология производства и ремонт авиационной техники.
Пащенко Геннадий Трофимович, 1971 г.р., окончил ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского (2003), старший инженер НТЦ им. А. Люлька, автор 15 научных работ, область научных интересов – технология производства и ремонт авиационной техники.
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА
2012
№ 183
УДК 629.73:662.75003(075.8)
ВЛИЯНИЕ АЗОТИРОВАННОГО АВИАТОПЛИВА
НА ВОСПЛАМЕНЯЮЩУЮ СПОСОБНОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РАЗРЯДОВ
Н.Е. СЫРОЕДОВ, В.Г. ПЕТУХОВ, С.А. ГАЛКО
Статья представлена доктором технических наук, профессором Коняевым Е.А.
В статье рассматриваются вопросы совершенствования методической базы и результаты исследований влияния азотирования топлива на воспламеняющую способность разрядов статического электричества в емкостях.
Ключевые слова: статическое электричество, воспламеняющая способность разрядов, авиатоплива, испытательные стенды, азотирование топлива.
В работах отечественных и зарубежных авторов [1, 2, 3] показано, что при заправке самолетов авиатопливом существует возможность воспламенения топливо-воздушной смеси от разрядов статического электричества.
Для предотвращения опасного проявления этих разрядов были разработаны различные мероприятия, одним из которых является азотирование топлива при его заправке в баки самолетов.
Исследования по влиянию азотированного топлива на воспламеняющую способность разрядов статического электричества проводились на полномасштабном стенде, принципиальная
схема которого приведена на рис. 1.
Рис. 1. Принципиальная схема полномасштабного стенда: 1 – расходная емкость; 2 – фильтр
тонкой очистки; 3 – центробежный насос; 4 – заправляемый бак; 5 – микроамперметр; 6 – электрод; 7 – баллон; 8 – диффузор; 9 – датчик расхода; 10 – колонка для азотирования топлива;
11 – изолятор; 12 – шланг; 13 – цепочка RC; 14 - осциллограф
Сущность этого метода заключается в снижении концентрации кислорода в надтопливном
пространстве бака до безопасного уровня путем вытеснения воздуха азотом, выделяющимся из
64
Н.Е. Сыроедов, В.Г. Петухов, С.А. Галко
предварительно азотированного топлива, заправляемого в бак. В результате чего в надтопливном
пространстве бака создается обедненная кислородом смесь, не способная к воспламенению.
В качестве агрегата азотирования использовалась специальная колонка, которая включалась в магистраль, имитирующую схему заправки самолета топливом с применением топливозаправщика.
Заправляемый стендовый бак представляет собой один из топливных самолетных баков.
Внутри бака (в месте образования наиболее интенсивных разрядов) располагался электрод, имитирующий один из элементов конструкции бака. Электрод выполнен в виде полого цилиндра с
небольшими отверстиями в нижней (сферической) его части. Из полого электрода через отверстия подавалась горючая смесь. Электрод изолирован от конструкции бака, что позволяло, используя специальную аппаратуру, проводить измерения разрядов статического электричества.
Для обеспечения целостности конструкции бака и безопасности при выполнении эксперимента воспламенение топливо-воздушной смеси осуществлялось не во всем надтопливном пространстве заправляемого бака, а в локальном объеме. Это достигалось тем, что бак заправлялся
топливом Т-8 с малой упругостью паров при температуре 20°С (температура топлива при эксперименте).
В процессе заправки топливо электризовалось, в баке образовывались разряды статического электричества, способные воспламенить топливо-воздушную смесь при общей взрывоопасной концентрации.
Локальные воспламенения в области образования разрядов между поверхностью наэлектризованного топлива и электродом обеспечивались подачей в процессе заправки бензиновоздушной смеси через отверстие в электроде.
Экспериментально подобранные условия приготовления и подачи горючей смеси обеспечивали оптимальный состав смеси в области образования разрядов.
Анализ газовых проб у поверхности топлива показал (рис. 2), что с изменением расхода
азота и топлива в соотношении от 0,5:1 до 1:1 концентрация кислорода снижалась с 18 до 15,4 %
соответственно.
О2 %
w T л/мин
Рис. 2. Зависимость содержания кислорода (объем %), замеренного
в месте установки электрода от скорости заправки ( WТ , л/мин.)
при режимах азотирования: 1) 0,5:1; 2) 0,8:1; 3)1:1
В качестве горючего компонента был выбран бензин Б-70 в связи с тем, что его пары близки по своему составу к легкокипящим компонентам топлива Т-8. Пары бензина и топлива имеют практически одинаковую способность к воспламенению. Бензино-воздушная смесь является
Влияние азотированного авиатоплива …
65
представительной для испытаний в средах второй категории взрывоопасности, к которым относятся и авиационные топлива [4].
Результаты исследований показали, что при заправке бака топливом без применения азотирования минимальное воспламеняющее значение перенесенного заряда составило 0,5 мкКл.
При заполнении бака азотированным топливом воспламенений не зарегистрировано, несмотря
на то, что были зарегистрированы разряды с величиной перенесенного заряда до 1,3 мкКл [5].
В связи с трудоемкостью и сложностью исследований в стендовых условиях эксперименты
по определению влияния концентрации кислорода на воспламеняющую способность разрядов
проводились на лабораторной установке, принципиальная схема которой приведена на рис. 3.
Рис. 3. Принципиальная схема лабораторной установки: 1 – реакционный сосуд; 2 - термостат;
3 – электрод; 4 – газовый смеситель; 5 – мановакуумметр; 6 – бюретка с топливом; 7 - контактор;
8 – киловольтметр; 9 – разрядный конденсатор; 10 – ограничительный резистор; 11 - зарядное
устройство; 12 – ртутный манометр; 13 – датчик давления
Основным элементом установки является реакционный сосуд, внутри которого располагались
два электрода, между которыми происходил разряд предварительно заряженного конденсатора.
Метод измерения перенесенного в разряде заряда не отличался от применявшегося на стенде.
Внутри сосуда создавалась горючая смесь из паров бензина и азото-кислородной смеси необходимого состава. Содержание кислорода изменялось от 15% до 24% по объему. Эксперименты показали, что при любом содержании кислорода в горючей смеси существует оптимальная концентрация паров бензина, т.е. такая, которая может воспламениться при минимальных
значениях перенесенного заряда (рис. 4). С уменьшением концентрации кислорода содержание
бензина, необходимого для получения оптимальной горючей смеси снижается, а минимальное
значение перенесенного заряда возрастает. Зависимость концентрации паров бензина в опти-
66
Н.Е. Сыроедов, В.Г. Петухов, С.А. Галко
мальной горючей смеси ( С Г , %) от содержания кислорода в ней ( СО2 , %) описывается уравнением, полученным на основе экспериментальных данных в этой работе
С Г = 0,143 ⋅ СО2 .
(1)
q мкк
СТ %
Рис. 4. Концентрационные пределы воспламенения бензина Б-70
при содержании кислорода в окислителе: 1) 1-15%; 2) 2-18%; 3) 4-24%; 4) 4-38%
В данных исследованиях была получена зависимость минимального значения перенесенного
заряда, воспламеняющего оптимальную горючую смесь ( qmin , мкКл), от содержания кислорода
в пределах концентраций, соответствующих заданным режимам азотирования, которая описывается уравнением
lg q min = 16,2 − 12,7 ⋅ lgС О2 ,
(2)
где qmin – мкКл; С О2 – в объемах %.
По результатам эксперимента установлено, что по мере разбавления горючей среды азотом
для воспламенения требуется увеличение энергии перенесенного разряда. Это может быть объяснено повышением вероятности гибели активных центров реакции при столкновении с инертными молекулами азота. В окислительной реакции, протекающей по цепному механизму, способствующему обрыву и препятствию разветвления цепи, в результате чего происходит тормо-
67
Влияние азотированного авиатоплива …
жение реакции в возникающем очаге пламени, и она теряет способность к распространению.
Для компенсации этого явления и требуется дополнительная энергия разряда, инициирующая
воспламенение [6].
Как следует из рис. 5, с уменьшением содержания кислорода в смеси от 21% до 13% необходимое для воспламенения значение перенесенного заряда возрастает от 0,2 до 100 мкКл.
q min
mkk
CT/ %
CT/
q
CО2 %
Рис. 5. Зависимость перенесенного заряда в разряде и оптимальной концентрации бензина
от процентного содержания кислорода в окислителе
Таким образом, результатами лабораторных и стендовых исследований показано, что азотирование топлива с соотношением расходов азота и топлива 0,8:1 и 1:1 предотвращает опасность воспламенения в самолетных баках от разрядов статического электричества.
ЛИТЕРАТУРА
1. Малышев В.В. Обобщение исследований электризации авиационных топлив и разработка методов определения искробезопасных режимов заправки самолетов на земле и в полете / Малышев В.В, Петухов В.Г.,
Григорьев В.А., Горелова В.Н., Петухова Г.И., Максимов Б.К. - Отчет № 1166-81-III.
2. Winter E., Roy I. Amer. Soc. № 619, 429, 1962.
3. Bruinseel C., Just Petrol. № 473, 125, 1963.
4. Арнополин А.Г., Шевченко Н.Ф. Взрывозащищенное электрооборудование. - М.: Энергия, 1973.
5. Малышев В.В. Результаты исследований опасности воспламенения топливо-воздушной смеси в самолетных баках от разрядов статического электричества при наземной заправке топливом / Малышев В.В., Петухов В.Г.,
Сыроедов Н.Е., Григорьев В.А., Горелова В.Н., Петухова Г.И. - Отчет № 314-79-III.
6. Семенов Н.Н. Развитие теории цепных реакций и теплового воспламенения. - М.: Знание, 1969.
68
Н.Е. Сыроедов, В.Г. Петухов, С.А. Галко
INFLUENCE OF THE NITRATED AVIATION FUEL ON INFLAMMABLE
ABILITY OF ELECTRIC DISCHARGES
Syrojedov N.E., Petuxov V.G., Galko S.A.
In clause questions of perfection of methodical base and results of researches of influence of nitriding of fuel on inflammable ability of discharge of a static electricity in capacities are considered.
Key words: the static electricity of categories, inflammable ability, aviation fuel, test beds, nitriding of fuel.
Сведения об авторах
Сыроедов Николай Евгеньевич, 1935 г.р., окончил КВИАУ ВВС (1961), кандидат технических
наук, профессор кафедры авиатопливообеспечения МГТУ ГА, доцент, ведущий научный сотрудник
ФАУ «25 ГосНИИ химмотологии Минобороны России», автор более 140 научных работ, область научных интересов – авиатопливообеспечение аэропортов, безопасность системы заправки ВС горючесмазочными материалами.
Петухов Валентин Георгиевич, 1937 г.р., окончил МЭИ (1967), кандидат технических наук, старший научный сотрудник ФАУ «25 ГосНИИ химмотологии Минобороны России», автор 25 научных работ, область научных интересов – электростатическая безопасность системы заправки ВС горючесмазочными материалами.
Галко Сергей Анатольевич, 1972 г.р., окончил Ульяновское ВВТУ им. Б. Хмельницкого (1994),
ВАТТ им. А.В. Хрулева (1999), кандидат технических наук, доцент, начальник отдела ФАУ «25 ГосНИИ
химмотологии Минобороны России», автор 30 научных работ, область научных интересов – авиатопливообеспечение аэропортов, безопасность системы заправки ВС горюче-смазочными материалами.
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА
2012
№ 183
УДК 629.735.015
ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ПРОМЫВКИ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ
СИСТЕМ ВОЗДУШНЫХ СУДОВ
В.А. ЧЕП, Ф.Е. ШАРЫКИН, С.И. ВОЛКОВ
Статья представлена доктором технических наук, профессором Коняевым Е.А.
В статье рассматриваются вопросы совершенствования методической базы по оценке качества промывки гидравлических систем за счет повышения точности подсчета и снижения неопределенности измерения размеров частиц загрязнений.
Ключевые слова: гидравлические системы, подсчет частиц, техническая эксплуатация, снижение неопределенности, загрязнение жидкости.
Одним из основных направлений повышения надежности образцов авиационной техники
является совершенствование системы их технической эксплуатации, важной составной частью
которой являются стратегии технического обслуживания.
Как показала практика эксплуатации воздушных судов, надёжность гидравлической системы в существенной степени определяется постоянством параметров рабочей жидкости (вязкостью, кислотностью, диэлектрической проницаемостью и др.), в том числе и чистотой жидкости [1, 2]. Анализ отказов и нарушений работы гидравлических систем показывает, что до 40 %
из них связано с недопустимым загрязнением рабочей жидкости. Согласно отечественному и
зарубежному опыту [3], повышенная загрязнённость рабочей жидкости приводит к снижению
долговечности агрегатов в 1,5-3 раза и более.
Исследования показали, что проблема обеспечения надёжности и долговечности гидравлических систем в настоящее время существенно связана с проблемой оперативного контроля
чистоты жидкости в условиях эксплуатации воздушных судов, которая может быть решена посредством реализации упреждающих технологий обслуживания гидравлических систем. Установлено, что средние показатели производственной экономии, достигнутые благодаря применению упреждающего подхода, составляют:
- сокращение расходов на обслуживание: 25-30 %,
- уменьшение времени простоя: 35-45%,
- увеличение производительности: 20-25 %.
Известно [3, 4], что наиболее информативным и удобно обрабатываемым параметром, характеризующим состояние элементов гидравлической системы, является загрязнённость рабочей жидкости в виде количества частиц загрязнения N c
N c = N Î + N gi + N BH ,
(1)
где N О – первоначальное количество частиц загрязнения в жидкости; N gi – количество частиц
загрязнений, вносимых в систему в результате приработки, нормального и абразивного износа
gi - компонента системы; N BH – количество частиц загрязнений, поступающих через уплотнения штоков силовых цилиндров системы управления и шасси воздушных судов.
Собранные гидравлические системы воздушных судов перед началом эксплуатации, а также работавшие после ремонта и обслуживания, подвергаются промывке с целью удаления частиц загрязнений, как правило, той жидкостью, на которой в дальнейшем планируется их эксплуатация. Объем расходуемой для промывки жидкости устанавливается в размере двух-трех
полных объемов обслуживаемой гидросистемы [3]. В ходе промывки, периодически на входе в
70
В.А. Чеп, Ф.Е. Шарыкин, С.И. Волков
систему и на ее выходе, а при необходимости, и в промежуточных точках отбираются пробы для
изменения загрязненности жидкости с целью определения готовности системы к эксплуатации.
Система считается промытой и готовой к эксплуатации, когда количество загрязнений в
жидкости на входе в систему, в промежуточных точках и на выходе будет одинаковым. Для определения загрязненности в потоке жидкости допускается в некоторых случаях применение автоматизированных счетчиков частиц [5]. Главным недостатком такого метода является то, что в
настоящее время отсутствуют приборы, позволяющие определять волокна в потоке жидкости.
В соответствии с ГОСТ 17216-2001 для соответствующих классов чистоты жидкости устанавливаются предельные значения содержания в ней частиц по определенным типоразмерам и факультативно по содержанию механических примесей по массе (табл. 1).
Для определения количества частиц загрязнений обычно применяется метод по ГОСТ ИСО
4407-2006, согласно которому проводится подсчет и определение размера частиц с использованием части поверхности мембранного фильтра, где подсчитывают не менее 150 частиц, не менее чем в 10 единичных зонах. При подсчете по этой технологии неопределенность измерений
составляет 8%. При увеличении числа подсчитываемых частиц неопределенность измерений
снижается.
Таблица 1
Зависимость класса чистоты жидкости от числа частиц загрязнителя
Класс
чистоты
жидкостей
00
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
Число частиц загрязнителя в (100 ± 0,5) см жидкости при размере частиц,
мкм не более
св. 1 св. 2 св. 5
св. 10
св. 25
св. 50 св. 100
волокна
от 0,5 до 1
до 2 до 5 до 10
до 25
до 50
до 100 до 200
800
400
32
8
4
1
АО
АО
Отсут1600
800
63
16
8
2
ствие
1600 125
32
16
3
Отсут250
63
32
4
1
ствие
Отсут125
63
8
2
ствие
250
125
12
3
500
250
25
4
1
1000
500
50
6
2
1
2000
1000
100
12
4
2
Не нормируется
4000
2000
200
25
6
3
8000
4000
400
50
12
4
16000
8000
800
100
25
5
31500 16000
1600
200
50
10
63000 31500
3150
400
100
20
63000
6300
800
200
40
125000 12500
1600
400
80
25000
3150
800
160
50000
6300
1600
315
12500
3150
630
3
Масса
загрязнителей,
не более
Не нормируется
0,000032
0,00064
0,000125
0,00025
0,0005
0,001
0,002
0,004
0,008
0,016
0,032
0,064
Примечания:
1. «Отсутствие» означает, что при взятии одной пробы жидкости частицы заданного размера не обнаружены или при взятии нескольких проб общее число обнаруженных частиц меньше числа взятых проб.
2. «АО» - абсолютное отсутствие частиц загрязнителя.
3. Зависимость класса чистоты жидкостей от массы содержащегося в ней загрязнителя с учетом числа частиц загрязнителя в жидкости является справочной. Массы приведены для частиц загрязнителя со
3
3
3
3
средней плотностью 4х10 кг/м и плотностью жидкости 1х10 кг/м .
71
Оценка качества промывки гидравлических систем воздушных судов
Исходя из нормального распределения частиц по размерам, учитывая рекомендуемые увеличения микроскопа для определения размеров частиц (табл. 2) и распределение размеров частиц, получаем закономерность увеличения неопределенности измерений при увеличении минимального размера исследуемых частиц. Так как площадь единичной зоны при этом также
значительно уменьшается, а соотношение исследуемой площади рабочей зоны фильтрации
мембранного фильтра к общей площади рабочей зоны фильтрации увеличивается, соответственно и коэффициент пересчета резко возрастает.
При увеличении в 100 крат с применением цифрового анализатора изображений коэффициент пересчета может варьироваться от 21 до 29, а уже с применением 200-кратного увеличения коэффициент варьируется от 80 до 120. Соответственно попадание каждой частицы в одно
из десяти полей будет увеличивать суммарный результат при 100-кратном увеличении на
21-29 частиц, а при 200-кратном увеличении уже на 80-120 частиц.
Таблица 2
Номинальное увеличение микроскопа и комбинации оптических элементов
Увеличение
(номинальное)
Предполагаемый минимальный размер частиц, мкм
Окуляр
Объектив
х50
х10
х5
20
х100
х10
х10
10
х200
х10
х20
5
х500
х10
х50
2
Таким образом, неравномерность распределения всего лишь в одну частицу размером от 50
до 100 мкм при 100-кратном увеличении может повлечь изменение класса чистоты на три единицы, а при 200-кратном – до пяти единиц. Следовательно, при качественно промытой гидравлической системе может возникнуть значительная погрешность определения, влекущая за собой принятие ошибочного решения о необходимости повторной промывки системы.
Такого несовершенства определения качества промывки в значительной мере можно избежать, используя раздельный способ измерений и подсчета частиц. Крупные частицы и волокна
необходимо считать при малом увеличении, что позволит охватить значительно большую часть
рабочей зоны фильтрации, а частицы малых размеров необходимо считать при большом увеличении, что позволит значительно снизить погрешность измерений. Таким образом, проведя
измерения в 10 единичных зонах при 40-80-кратном увеличении, можно добиться значительного снижения неопределенности определения частиц размером более 50 мкм, и в 10 единичных зонах при увеличении 400-600 крат – повышения точности измерения частиц размером менее 10 мкм.
Технология разделительного по размерным фракциям измерения и подсчета частиц загрязнения апробирована в ФАУ «25 ГосНИИ химмотологии Минобороны России» и принята в качестве основного метода оценки качества промывки систем с применением цифрового анализатора изображения и программного обеспечения «ДИАМОРФ 1,6 УЛЬТРА». По принятой технологии содержание волокон определяется путем просмотра всей поверхности рабочей зоны
фильтрации при меньшем увеличении (х10), а подсчет частиц других размерных фракций по
программе соответственно ГОСТ ИСО 4407-2006.
72
В.А. Чеп, Ф.Е. Шарыкин, С.И. Волков
Указанная технология может быть использована при оценке качества промывки как гидравлических систем воздушных судов, так и трубопроводных коммуникаций систем централизованной заправки топливом аэропортов.
ЛИТЕРАТУРА
1. РТМ 1727.89. Системы гидравлические летательных аппаратов. Методы обеспечения чистоты жидкостей
при гидродинамической промывке. Введ. 1990.01.01. - М.: НИИСУ, 1989.
2. Захаров А.С., Сабельников В.И. Авиационное гидравлическое оборудование: учеб. пособие. - Новосибирск, НГТУ, 2006.
3. Тимиркеев Р.Г. Промышленная чистота и тонкая фильтрация рабочих жидкостей летательных аппаратов /
Р.Г. Тимиркеев, В.М. Сапожников. - М.: Машиностроение, 1986.
4. Рожков Н.Н. Контроль качества при производстве летательных аппаратов: учеб. пособие. - М: Машиностроение, 2007.
5. Никитин Г.А. Влияние загрязнения жидкости на надежность работы гидросистем летательных аппаратов /
Г.А. Никитин, С.В. Чирков. - М.: Транспорт, 1969.
ESTIMATION OF THE QUALITY WASHING OF THE HYDRAULIC
SYSTEM OF THE AIRCRAFTS
Chep V.A., Sharykin F.E., Volkov S.I.
In clause the questions of perfection of methodical base are considered, according to quality washing of hydraulic systems due to increase of accuracy of calculation and decrease of uncertainty of measurement of the sizes of particles pollution.
Key words: hydrolic systems, calculation of particles, technical operation, decrease of uncertainty, pollution of a liquid.
Сведения об авторах
Чеп Владимир Александрович, 1967 г.р., окончил Ульяновское ВВТУ им. Б. Хмельницкого
(1989), ВАТТ им. А.В. Хрулева (2007), начальник лаборатории ФАУ «25 ГосНИИ химмотологии Минобороны России», автор 7 научных работ, область научных интересов – авиатопливообеспечение аэропортов, безопасность системы заправки ВС горюче-смазочными материалами.
Шарыкин Федор Евгеньевич, 1983 г.р., окончил Ульяновское ВВТУ(ВИ) (2006), научный сотрудник ФАУ «25 ГосНИИ химмотологии Минобороны России», автор 10 научных работ, область научных
интересов – нефтепродуктообеспечение, фильтрация рабочих сред систем авиационной техники.
Волков Сергей Иванович, 1985 г.р., окончил МГТУ ГА (2007), аспирант кафедры авиатопливообеспечения и ремонта ЛА МГТУ ГА, ведущий инженер группы контроля качества топлива аэропорта
Домодедово, автор 3 научных работ, область научных интересов – авиатопливообеспечение аэропортов
и воздушных судов, мониторинг и обеспечение чистоты авиатоплив.
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА
2012
№ 183
УДК 621.642.2
ПРИМЕНЕНИЕ ЭЛАСТИЧНЫХ РЕЗЕРВУАРОВ НА ОБЪЕКТАХ
ТОПЛИВОЗАПРАВОЧНОГО КОМПЛЕКСА
АВИАТОПЛИВООБЕСПЕЧЕНИЯ
Ю.Н. РЫБАКОВ, Н.А. ВАНЧУГОВ
Статья представлена доктором технических наук, профессором Коняевым Е.А.
В статье рассматривается возможность применения эластичных резервуаров в качестве резервных средств
хранения нефтепродуктов на топливозаправочном комплексе авиатопливообеспечения.
Ключевые слова: эластичный резервуар, топливостойкий материал, топливозаправочный комплекс, хранение нефтепродуктов.
Топливозаправочный комплекс (ТЗК) авиатопливообеспечения характеризуется наличием
резервуаров большой вместимости. При этом к резервуарным паркам топливозаправочного
комплекса предъявляются повышенные требования к надежной и безаварийной эксплуатации.
В случае выхода аварийного резервуара с нефтепродуктом из эксплуатации необходимо иметь
свободные резервуары для опорожнения емкости. Причем необходимая емкость должна обеспечить качество хранимого нефтепродукта. Отсутствие свободных объемов в резервуарном
парке может привести к аварийным ситуациям и техногенным катастрофам.
Исходя из этого наличие в резервуарном парке ТЗК свободных, мобильных средств хранения может исключить возникновение нежелательных последствий. Особенно это актуально для
небольших аэродромов гражданской авиации, ограниченных в площадях под резервные резервуарные парки.
Выходом из этой ситуации может служить использование эластичных резервуаров (ЭР).
При этом они выгодно отличаются от других средств хранения по денежным затратам на их
приобретение и сокращению необходимых площадок для их хранения. При наличии обученного
персонала развертывание ЭР может быть осуществлено в минимальные сроки.
В настоящее время научными сотрудниками ФАУ «25 ГосНИИ химмотологии Минобороны
России» ведутся работы по созданию ЭР для хранения нефтепродуктов.
Основными характеристиками эластичных резервуаров, отличающими их от существующих аналогов, являются:
- модельный ряд экспериментальных образцов от 2 м³ до 250 м³;
- компактность и малый вес (0.2 - 1 кг/м³);
- прочность на разрыв, раздир и прокол;
- химическая стойкость;
- непроницаемость для паров и газов;
- стойкость к влаге, низкой (до - 60 C°) и высокой (до + 70 C°) температурам.
Эластичный резервуар для хранения нефтепродуктов в ТЗК авиатопливообеспечения должен состоять из поддона, на котором размещена с возможностью фиксации (за счет сил тяжести
и трения) замкнутая оболочка, состоящая из топливостойкого, светозащитного и силового слоев. Все слои, в том числе и светозащитный, соединены в области горловины.
Для апробации предложенной конструкции на первом этапе были изготовлены и испытаны
макетные образцы ЭР (рис. 1).
74
Ю.Н. Рыбаков, Н.А. Ванчугов
Рис. 1. Макетные образцы ЭР
Так, максимальная проницаемость автобензина Премиум-95 при температуре (23±2)0С через внутреннюю оболочку составила 5 г/м2 сут., а при (50±2)0С не превышает 10 г/м2 сут. Испытания по определению среднесуточной проницаемости при повышенной температуре проводились по ГОСТ 27896-88 [1].
На макетных образцах отрабатывалась технология сварки внутренней оболочки из топливостойкой многослойной пленки, сборки внутренней и наружной оболочек, крепления технологического оборудования.
На втором этапе были изготовлены опытные образцы внутреннего топливостойкого вкладыша ЭР вместимостью 4 м3 с наружным силовым слоем из полипропиленовой ткани (рис. 2).
а
б
Рис. 2. Опытный образец ЭР- 4: а - внутренняя топливостойкая оболочка
из многослойной пленки; б - наружная силовая оболочка из полипропиленовой ткани
В качестве топливостойкого слоя была использована пленка полимерная многослойная ТУ
2245-001-52186250-2005, ООО «Технопак», г. Санкт-Петербург, толщиной 80 мкм с массой
0,3 кг/м2, разрывной нагрузкой 405 Н, температурой хрупкости ниже минус 500С, проницаемостью
10 г/м2 сут.
Для силового слоя использовалась фальцованная светостойкая полипропиленовая ткань с
поверхностной плотностью 200±20 г/м2 и количеством нитей на 10 см ткани по основе и по утку 54±2 и 50±2 соответственно.
Выполняя силовой слой как самостоятельный и размещая его снаружи, было достигнуто
снижение материалоемкости за счет использования более тонкого топливостойкого слоя, трудозатрат на изготовление ЭР, повышение прочности, удобство свертывания и развертывания.
Таким образом, в условиях ужесточения требований к снижению загрязнения окружающей
среды, высоким требованиям по пожаробезопасной эксплуатации резервуарных парков, использование эластичных резервуаров в ТЗК аэропортов ГА в качестве резервных средств хранения нефтепродуктов является перспективным.
75
Применение эластичных резервуаров на объектах …
ЛИТЕРАТУРА
1. ГОСТ 27896-88. Резины, полимерные эластичные материалы, прорезиненные ткани и ткани с полимерным
эластичным покрытием. Методы определения топливопроницаемости. - М., 1988.
APPLICATION OF ELASTIC TANKS ON OBJECTS OF FUELLING COMPLEX OF AIR
Rybakov Y.N., Vanchugov N.A.
In clause the opportunity of application of elastic tanks is considered as reserve means of storage of mineral oil for
fuelling complex of air.
Key words: the elastic tank, steady against fuel a material, a fueling complex, storage of mineral oil.
Сведения об авторах
Рыбаков Юрий Николаевич, 1961 г.р., окончил РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина (1983), кандидат технических наук, начальник отдела технологии складов горючего ФАУ «25 ГосНИИ химмотологии
Минобороны России», автор более 160 научных работ, область научных интересов – нефтепродуктообеспечение складов и баз, полимерные материалы.
Ванчугов Николай Александрович, 1981 г.р., окончил Ульяновский филиал ВАТТ (2004), научный сотрудник ФАУ «25 ГосНИИ химмотологии Минобороны России», автор 20 научных работ, область научных интересов – нефтепродуктообеспечение складов и баз, полимерные материалы.
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУГА
2012
№ 183
УДК 629.7.082.6.004.2.(022)
ВЛИЯНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ
СИСТЕМ ЦЕНТРАЛИЗОВАННОЙ ЗАПРАВКИ ТОПЛИВОМ
НА ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОТОКА ТОПЛИВА
Н.Е. СЫРОЕДОВ, Е.В. ТЕРЕЩЕНКОВ, С.И. ВОЛКОВ
Статья представлена доктором технических наук, профессором Коняевым Е.А.
В статье рассматриваются проблемы возникновения гидравлических ударов в системах централизованной заправки топливом воздушных судов и влияния эксплуатационных характеристик оборудования на их появление.
Ключевые слова: авиатопливообеспечение, система централизованной заправки, воздушные суда, пульсация
потока топлива, гидравлический расчет.
При проектировании и эксплуатации трубопроводных систем централизованной заправки
топливом воздушных судов (далее - ЦЗТ) важным этапом гидравлического расчета является
учет влияния гидродинамических процессов при нестационарных режимах движения потока
топлива на трубопроводную сеть и оборудование. В основе методики расчета движения жидкости при нестационарных процессах лежит классическая работа Н.Е. Жуковского «О гидравлическом ударе в водопроводных трубах» [1, 2].
В расчетах учитываются три основных эксплуатационных фактора короткопериодического
воздействия гидроударных процессов на трубопроводную систему и оборудование: момент
пуска и останова насосных агрегатов и закрытие гидрантных клапанов в конце заправки топливом воздушных судов.
При недостаточных прочностных характеристиках трубопроводной системы гидравлический удар способен вызывать образование продольных трещин в трубах и оборудования трубопровода.
Воздействующие факторы, физические и гидродинамические процессы, протекающие в
элементах трубопроводных систем при гидравлическом ударе, в основном изучены. В то же
время в реальных системах ЦЗТ причины возникновения пульсаций потоков топлива и характер
гидравлических ударов могут существенно отличаться в зависимости от конструктивного исполнения и комплектации оборудованием, интенсивности и одновременности включения и выключения гидрантных клапанов и насосов перекачивающих установок. Это усложняет расчеты
и выбор методов снижения воздействия гидродинамических процессов на элементы трубопроводной системы и оборудования. До конца не изучены возможности конструктивных мероприятий предотвращения гидравлических ударов, что вызывает определенные затруднения при
проектировании, строительстве и эксплуатации систем ЦЗТ.
В условиях эксплуатации систем ЦЗТ появление гидравлических ударов, как физическое
явление, связанное с двумя факторами: включением и выключением насосных агрегатов, также
носит характер короткопериодических скачков уплотнения образующих в целом ударную волну в трубопроводных коммуникациях и оборудовании системы ЦЗТ. Влияние обеих факторов
на гидродинамические характеристики потока в системе ЦЗТ носит стохастический характер по
причине неявного времени начала и окончания заправки воздушных судов.
Следует отметить, что пульсирующий поток топлива является воздействующим фактором
на характер миграции частиц механических загрязнений, их накопления в отдельных местах
трубопроводных коммуникаций и в оборудовании системы ЦЗТ. Таким образом, необходимо
учитывать при проектировании систем ЦЗТ специфику гидродинамических процессов, протекающих в элементах трубопроводных систем при гидравлическом ударе, и их воздействие на
Влияние эксплуатационных режимов работы систем …
77
пористую структуру средств фильтрации топлива и на чистоту трубопроводных коммуникаций
и оборудования систем ЦЗТ.
Рассмотрим принцип работы системы ЦЗТ в период штатной эксплуатации при обслуживании полетов воздушных судов. Общая схема штатного включения в работу всех насосов и изменения рабочего давления в напорной магистрали приведена на рис. 1.
Рис. 1. Общая схема штатного включения в работу всех насосов (1-6) и изменения рабочего
давления в напорной магистрали, потерь давления в агрегате системы ЦЗТ, подводящем
трубопроводе, гидрантной колонке и на входе в бортовые штуцера воздушных судов
Насосные агрегаты работают в следующем порядке. При отсутствии расхода топлива на
заправку вся система заполнена топливом и находится под некоторым избыточным давлением,
оставшимся
после
предшествующей
работы
насосов,
которое
поддерживается
гидроаккумуляторами (гидроамортизаторами) или за счет включения подкачивающих насосов,
когда давление в сети станет ниже установленного (6-8 бар.).
При этом для автоматизированных систем ЦЗТ предусматривается следующий порядок
работы. Как только в какой-либо точке раздаточной сети трубопроводов систем ЦЗТ откроют
78
Н.Е. Сыроедов, Е.В.Терещенков, С.И. Волков
клапан для заправки воздушного судна, давление в сети снижается, автоматически включается
один из главных насосов с подачей 4500 л/мин.
При подключении на заправку еще одного самолета расход топлива в сети начнет
снижаться, начинает работать второй насос с подачей 4500 л/мин.
Аналогично срабатывает система автоматизации при подключении других гидрантных
колонок до включения в работу всех насосов. Отметим, что включение и выключение всех
насосов в процессе заправки зависит от начала и окончания заправок воздушных судов. При
этом гидроударные процессы в напорной магистрали системы ЦЗТ могут создавать
пульсационные колебания, особенно опасные при совпадении переходных процессов изменения
оборотов нескольких насосов, выключения гидрантных колонок и срабатывании
гидроамортизаторов системы ЦЗТ.
Дополнительные условия создаются при выключении насоса при резком снижении
оборотов и прекращении подачи топлива в напорную магистраль системы ЦЗТ. По
действующим нормам проектирования [9] расчет напорной магистрали системы ЦЗТ на
гидравлический удар должен выполняться, исходя из условий внезапной остановки насосных
агрегатов при максимальной производительности насосной установки, а также одновременного
отключения не менее двух гидрантных колонок. Максимальное давление, возникающее в
системе ЦЗТ, не должно превышать испытательного давления для технологического
оборудования и специальной арматуры, установленной в системе.
При снижении расхода топлива в распределительной сети по окончании заправок одного
или последовательно всех воздушных судов происходит обратный процесс последовательного
отключения насосов.
В практике выполнения гидравлических расчетов переходные процессы движения
жидкости, связанные с распространением ударных волн гидравлического удара в
трубопроводной системе с учетом их наложения, не принимаются во внимание [7]. Поэтому
гидравлический удар в системах ЦЗТ представляется как многофакторный быстродействующий
короткопериодический процесс, обусловленный изменением скорости потока жидкости, с
учетом модуля упругости топлива и стенок труб трубопроводной системы.
Диаграмма зависимости эксплуатационных характеристик давления и расхода от оборотов
нерегулируемого асинхронного двигателя и появления гидравлических ударов представлена
на рис. 2.
Как видно из диаграммы, в процессе выхода оборотов насоса на максимальный режим
(100%) происходит резкое увеличение расхода, создающее условия для гидроударных колебаний, вызывающих пульсацию потока топлива в трубопроводных коммуникациях системе ЦЗТ
на временном участке 1-4. Также пульсация потока топлива в трубопроводных коммуникациях
системы ЦЗТ отмечается на временном участке 5.
Для защиты трубопроводов, технологического оборудования и специальной арматуры от
повышенных давлений при гидроударных процессах в напорной магистрали системы ЦЗТ рекомендуется применение гидроамортизаторов и максимально возможное кольцевание разводящей сети системы ЦЗТ.
Как показывает отечественный и зарубежный опыт, применение гидроамортизаторов в некоторых случаях приводит даже к дополнительным пульсационным колебаниям. Поэтому наиболее эффективным способом снижения опасного проявления гидроударных процессов в последнее время считается предотвращение условий возникновения гидроударов, например, за
счет применения систем автоматического управления электропривода насосов для плавного
выхода на максимальные обороты.
Такие системы автоматического управления электропривода топливных насосов уже выпускаются промышленностью и находят применение при модернизации действующих систем
ЦЗТ [10].
Влияние эксплуатационных режимов работы систем …
79
Рис. 2. Диаграмма изменения гидродинамических параметров потока в системе ЦЗС
при заправке воздушных судов при нерегулируемых оборотах асинхронного двигателя:
1 – начало заправки воздушного судна – пуск насосного агрегата; 2 – 4 переходные
процессы в системе ЦЗС, связанные с распространением ударной волны; 5 – окончание
заправки воздушного судна – останов насосного агрегата
Исходя из подобия причин возникновения гидравлических ударов, рассмотрим его механизм на примере закрытия автоматического клапана гидрантной колонки за минимальное нормированное время.
Время закрытия автоматических клапанов гидрантных колодцев в соответствии с требованиями API 1584 – 3 [8] составляет 2 – 5 секунд. Эта норма была установлена с целью оптимизации математического ожидания массы заправляемого топлива и его влияния на взлетную массу
воздушного судна [8]. Отсюда вытекает, что за время закрытия клапана ∆t = 2 – 5 секунд будет
происходить формирование первичных слоев скачка давления перед клапаном, и если давление
у клапана до его закрытия было P, то давление после закрытия клапана PЗК будет равно
PЗК = Р + ∆Р,
(1)
где ∆Р – изменение давления.
На основании теоремы количества движения величина ∆P равняется
∆Р = ρсV,
(2)
где ρ – плотность жидкости; с – скорость распространения ударной волны; V – объем жидкости.
Далее формируется второй слой уплотнения, на который давят следующие слои, и т.д. Постепенно повышенное давление, возникшее первоначально непосредственно у клапана, распространяется далее по всему трубопроводу против течения топлива в виде ударной волны со скоростью с.
Скорость распространения ударной волны выражается классической формулой проф.
Н.Е. Жуковского, впервые исследовавшего явление гидравлических ударов в трубопроводах
Московского водопровода [4, 5]. После проведения необходимых преобразований в классической формуле, для случая трубопроводных систем ЦЗС, скорость распространения ударной
волны определяется по формуле
80
Н.Е. Сыроедов, Е.В.Терещенков, С.И. Волков
с=
EF 1
⋅
ρ d EF
1 + ⋅
s ER
,
(3)
где ρ – плотность топлива, кг/м3; d – диаметр трубопровода, м; s – толщина стенок труб, м;
EF – модуль упругости жесткости; ER – модуль упругости труб, в практике прочностных расчетов систем ЦЗС принимаются следующие значения модулей упругости: E F = 1,6 ⋅109 N / м 2 ;
E R = 211 ⋅109 N / м 2 [6].
Для понимания процесса влияния эксплуатационных характеристик систем ЦЗС на возникновения гидравлических ударов рассмотрим некоторые механические характеристики жидкостей. Известно, что одной из основных механических характеристик жидкости является ее
плотность. При этом под плотностью жидкости понимают массу жидкости, заключенную в
единице объема
ρ=
m
.
V
(4)
Удельным весом называют вес единицы объема жидкости, который определяется по формуле
βV = −
1 dV
⋅
.
V dP
(5)
С увеличением температуры удельный вес жидкости уменьшается, следовательно, температура топлива в системе ЦЗС является эксплуатационной характеристикой, влияющей на величину гидравлических ударов в системах ЦЗС.
Под сжимаемостью жидкости понимается свойство жидкости изменять свой объем под воздействием давления. Сжимаемость жидкости характеризуется коэффициентом объемного сжатия, который определяется по формуле
γ=
G
,
V
(6)
где V – первоначальный объем жидкости.
Тогда изменение первоначального объема при увеличении давления на величину dP будет
dV . Величина, обратная βV , называется модулем объемной упругости жидкости и определяется по формуле
K=
1
β
.
(7)
Модуль объемной упругости не постоянен и зависит от давления и температуры. При гидравлических расчетах сжимаемостью жидкости обычно пренебрегают и считают жидкости
практически несжимаемыми. Сжатие жидкостей в основном обусловлено сжатием растворенного в них газа. Растворимость газов в жидкостях характеризуется объемом растворенного газа
в единице объема жидкости и определяется по закону Генри
Vг =V ж⋅k
P
,
Pа
(8)
где Vг – объем растворенного газа; V ж – объем жидкости; k – коэффициент растворимости;
P – давление топлива; Pа – атмосферное давление.
81
Влияние эксплуатационных режимов работы систем …
Закон Генри устанавливает, что при постоянной температуре растворимость газа в данной
жидкости прямо пропорциональна давлению этого газа над раствором.
В более удобной форме закон Генри записывается следующим образом
C = k ⋅P,
(9)
где P – парциальное давление газа над раствором; C – концентрация газа в растворе в долях
моля; k – коэффициент Генри.
При этом коэффициент растворимости k имеет следующие значения при температуре 20 С°:
для воды 0,016, керосина 0,13, топлива для реактивных двигателей ТС-1 0,292, минеральных масел
0,08, жидкости АМГ-10 – 0,1. При понижении давления выделяется растворимый в жидкости газ.
Из вышесказанного следует, что топливо в системах ЦЗТ, имея высокий коэффициент растворимости, содержит в своем составе определенный объем растворенного газа. При закрытии
автоматического клапана происходит сжатие и смещение слоев топлива с образованием ударной волны гидравлического удара, направление распространения которой в начальный период
против направления потока. Дальнейшее развитие переходных процессов зависит от конструктивных особенностей системы ЦЗТ.
Специфика переходных процессов при гидравлических ударах в основном определяется
многократным наложением ударных волн в зависимости от конструктивных особенностей систем ЦЗТ в аэропортах и трансформацией этих волн при их прохождении по всей длине кольцевых трубопроводов [2, 6, 7, 8]. В системах ЦЗТ, как и во многих других инженерных системах,
в конструкциях которых следует учитывать многофакторность и нелинейность гидродинамических процессов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Штернлихт Д.В. Гидравлика. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: КолосС, 2007.
2. Ухин Б.В. Гидравлика: учеб. пособие. - М.: ИД «ФОРУМ»: ИНФРА-М, 2009.
3. Седов Л.И. Методы подобия и размерности в механике. - 7-е изд. - М., 1972.
4. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. - М.: ГИ ТТЛ, 1950.
5. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика: учеб. пособие в 10 т. - Т. VI. Гидродинамика. - М.:
Наука, 1986.
6. HYDRAULIC ANALYSIS OF THE HYDRANT REFUELING SYSTEM Ver. 1.1, 14 January 2002 Prepared by
Hansa Consult Ingenieurgesellschaft mbH Beim Zeugamt 6, D-21509 Glinde.
7. http://www.mfx-systems.de/en/company/organisation-en.
8. API/IP 1584 Four-inch hydrant system components and arrangements http://www.portlandpress.com.
9. Руководство по проектированию объектов авиатопливообеспечения в аэропортах Российской Федерации. М.:ГПИиНИИ ГА «Аэропроект», 2004.
10. Кузьмин С.А. Управление насосами объектов нефтепродуктообеспечения. - М.: НТЖ «Оборудование и
технологии для нефтегазового комплекса», ВНИИОЭНГ, 2008.
INFLUENCE OF OPERATIONAL OOERATING MODES OF HYDRANT SYSTEMS
ON HYDRODYNAMIC CHARACTERISTICS OF A STREAM OF FUEL
Syrojedov N.E., Tereshenkov E.V., Volkov S.I.
Problems of occurrence of hydraulic shocks in Hydrant Systems and influences of operational characteristics on their
occurrence in connection with mechanical characteristics of liquids are considered.
Key words: maintenance with aviation fuel, system of the centralized refueling, air court, a pulsation of a stream of
fuel, hydraulic calculation jet fuels, corrsivity.
82
Н.Е. Сыроедов, Е.В.Терещенков, С.И. Волков
Сведения об авторах
Сыроедов Николай Евгеньевич, 1935 г.р., окончил КВИАУ ВВС (1961), кандидат технических
наук, профессор кафедры авиатопливообеспечения МГТУ ГА, доцент, ведущий научный сотрудник
ФАУ «25 ГосНИИ химмотологии Минобороны России», автор более 140 научных работ, область научных интересов – авиатопливообеспечение аэропортов, безопасность системы заправки ВС горючесмазочными материалами.
Терещенков Евгений Владимирович, 1985 г.р., окончил МГТУ ГА (2007), аспирант кафедры
авиатопливообеспечения и ремонта ЛА МГТУ ГА, инженер центра координации технического обслуживания воздушных судов авикомпании «ВИМ-Авиа», автор 3 научных работ, область научных интересов
– авиатопливообеспечение аэропортов и воздушных судов, безопасность систем заправки топливом ВС.
Волков Сергей Иванович, 1985 г.р., окончил МГТУ ГА (2007), аспирант кафедры авиатопливообеспечения и ремонта ЛА МГТУ ГА, ведущий инженер группы контроля качества топлива аэропорта
Домодедово, автор 3 научных работ, область научных интересов – авиатопливообеспечение аэропортов
и воздушных судов, мониторинг и обеспечение чистоты авиатоплив.
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУГА
2012
№ 183
УДК 629.735.1
МЕТОДИКА ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ БЕЗОТКАЗНОСТИ
(НАДЕЖНОСТИ) СРЕДСТВ ЗАПРАВКИ ТОПЛИВОМ ВОЗДУШНЫХ СУДОВ
Н.Е. СЫРОЕДОВ, К.С. ВОЛКОВ
Статья представлена доктором технических наук, профессором Коняевым Е.А.
В целях обоснования основных характеристик средств заправки воздушных судов топливом предложена методика прогнозирования показателей надежности заправочных модулей топливозаправщиков аэродромных и агрегатов заправки централизованных систем заправки на базе современных подходов теории надежности техники.
Приведен пример формирования структурной схемы надежности оборудования заправочного модуля топливозаправщиков.
Ключевые слова: авиатопливообеспечение, прогнозирование, средства заправки, безотказность, надежность,
воздушные суда.
Проблема обеспечения надежности авиационной техники и средств их наземного обслуживания относится к важнейшим задачам производства и эксплуатации в гражданской авиации.
Изготовление и поставка технических средств ненадлежащего качества может привести к снижению уровня безопасности полетов воздушных судов с серьезными последствиями. Важность
проблемы надежности средств заправки воздушных судов (ВС) топливом становится еще более
актуальной для гражданской авиации РФ в связи с сокращением сроков подготовки к повторным вылетам воздушных судов зарубежного производства и повышением скоростей их нижней
заправки топливом по сравнению с отечественными образцами. Поэтому топливозаправочные
средства для современного парка ВС должны обладать повышенными характеристиками, иметь
достаточный уровень автоматизации технологического процесса заправки топливом, адекватный уровню автоматизации топливозаправочных устройств ВС, и обеспечивать безопасность
процесса по предотвращению пульсаций потока заправляемого топлива.
Как и для всех видов авиационной техники, надежность топливозаправочных модулей современных технических средств закладывается на этапах разработки опытных образцов, обеспечивается на стадии производства и поддерживается в эксплуатации. Разработчики авиационной техники, в том числе топливозаправочных средств, должны учитывать все планируемые
показатели, характеризующие технический уровень и качества образца. К этим показателям
относятся, прежде всего, показатели назначения (расход раздаточных систем, рабочее давление,
степень очистки топлива от твердых частиц загрязнений и свободной воды, уровень предотвращения гидроударов), надежность каждого элемента оборудования топливозаправочных модулей, технологичность образца при производстве и в ходе эксплуатации, эргономические показатели и уровень технической эстетики.
Формирование требований к надежности топливозаправочных модулей и топливозаправочного средства как изделия во многом зависит от правильного подбора комплектующих элементов, своевременного учета показателей их надежности. Поэтому задача прогнозирования показателей надежности на стадии проектирования изделия с высоким уровнем надежности является приоритетной, а решение определяет выбор сборочных единиц и деталей с учетом конкретики мероприятий по обеспечению надежности и поддержанию показателей надежности при эксплуатации. Кроме того, важным аспектом для изготовителей технических средств заправки и
эксплуатантов является планирование объемов запасных частей на жизненный цикл образца.
Прогнозирование показателей надежности необходимо также для определения экономических затрат на обеспечение заданных показателей надежности и состав запасных частей.
84
Н.Е. Сыроедов, К.С. Волков
Основными этапами прогнозирования надежности на этапе проектирования средства заправки ВС топливом является:
- составление структурной схемы надежности, исходя из анализа функциональной схемы
раздаточных систем модуля, условий и продолжительности работы входящих в него элементов
при выполнении основных рабочих операций;
- выбор и обоснование наиболее рациональной схемы сборочных единиц топливозаправочного модуля, обеспечивающих безопасность применения и выполнение заданных количественных требований надежности;
- установление условий и режимов работы элементов и заправочного модуля в целом;
- выбор и обоснование критериев надежности.
Как основной пример, нами рассматривается технологический процесс непосредственной
заправки воздушного судна топливом. Аналогично могут разрабатываться структурные схемы
вспомогательных технологических операций, например, по наполнению цистерны автотопливозаправщика топливом на складе ГСМ, транспортирование топлива к месту заправки ВС и прочие операции, необходимые для прогнозирования обобщенных показателей надежности образца в целом.
Структурная схема надежности оборудования заправочного модуля средства при выполнении операции по заправке ВС топливом приведена на рис. 1.
Рис. 1. Структурная схема надежности оборудования заправочного модуля
Приведенная в примере структурная схема адекватна функциональной схеме раздаточной
системы топливозаправщика аэродромного ТЗА-22-FE производства ЗАО НПО "Авиатехнология" и включает основные сборочные единицы, обеспечивающие в комплексе безопасность заправки ВС в соответствии с международными требованиями. Как видно из рис. 1, структурная
схема надежности представляет последовательное соединение элементов, вероятность безотказной работы такой системы определяется как произведение значений вероятностей безотказной работы отдельных сборочных элементов P1 (t ) , [1]
P з . м (t ) =
k
P1 (t ) ⋅ P 2 (t ) ⋅ P 3 (t ) K P (t )K P k (t ) = ∏ P i (t ),
i
(1)
i =1
В качестве нормированных условий и режимов работы оборудования заправочного модуля
должны рассматриваться международные требования выполнения топливозаправочного процесса современного ВС. При этом рассматриваются реальные условия заправки закрытым способом под давлением одного из типов ВС с заданными топливозаправочными характеристиками и автоматизированной системой приема и перераспределения потока топлива по бакам, а
также отключения приема топлива в баки и завершения общего приема заданного объема топлива в топливную систему ВС.
Методика прогнозирования показателей …
85
Поскольку рассматриваемая схема работает в комплексе с топливозаправочным оборудованием системы ВС, технологическое оборудование заправочного модуля должно адекватно в
автоматическом режиме отрабатывать режимы подачи топлива через бортовые штуцеры без
превышения заданных норм по объемной скорости потока (расхода) раздаточной системы, рабочему давлению допустимых пульсаций давления потока, в том числе в конце заправки, а также объему подачи топлива на борт в случае штатного прекращения заправки автоматикой заправочного модуля.
Указанные условия и режимы выполнения топливозаправочного процесса являются исходными при выборе (обосновании) критериев надежности оборудования заправочного модуля.
В соответствии с ГОСТ Р 52906-2008 для подвижных и передвижных топливозаправочных
средств обязательным является нормирование следующих показателей надежности по безотказности: То – средняя наработка на отказ (не более 500 моточасов); Р(t) – вероятность безотказной работы, задаваемая в техническом задании заказчика на разработку образца.
В технических заданиях заказчиков и в технических условиях разработчиков задаются также другие показатели надежности, например, показатель ремонтопригодности в формате среднего времени восстановления, показатели долговечности в формате среднего ресурса до капитального ремонта, среднего срока службы до списания и показатель среднего срока сохраняемости. Оценка ремонтопригодности, долговечности, сохраняемости и комплексный показатель
надежности определяется, как правило, на последующих этапах жизненного цикла образца и в
статье методики определения не рассматриваются.
При прогнозировании показателей безотказности топливозаправочных средств во внимание
принимаются следующие предположения:
- функциональные системы образца рассматриваются как сложные системы, состоящие по
факту из большого числа элементов различного типа (механических, гидравлических, пневматических, электрических и т.п.);
- под потоком отказов элементов принимаются последовательность отказов, происходящих
один за другим в случайные моменты времени;
- вид потока отказов принимается по данным ранее выпускаемых образцов – экспоненциальный;
- поток отказов, возникающий при выполнении перечисленных технологических операций,
простейший с присущими ему свойствами стационарности, ординарности и не имеющий последствий;
- отказы носят внезапный характер, процесс эксплуатации стабилен во времени.
По опыту аналогов под отказом технического средства заправки принимается выход из
строя его сборочных единиц или отклонение эксплуатационных показателей за допустимые
пределы, которые приводят к невыполнению заданных функций в заданное время. Для заправочных модулей под технически исправным состоянием принимается нахождение его эксплуатационных показателей (выходных параметров процесса заправки) в допустимых пределах, определенных в нормативной документации при заданных условиях эксплуатации.
Так, например, превышение рабочего давления потока топлива на выходе из раздаточной
линии после наконечника нижней заправки и бортового штуцера ВС свыше 0,35 МПа считается
отказом и приводит заправочный модуль в неисправное состояние, заправка с таким нарушением параметра потока заправляемого топлива запрещается, классифицируется как предпосылка к
происшествию, поскольку не исключает вероятность работы трубопроводных коммуникаций
топливной системы ВС на недопустимом режиме. Аналогично, отказами оборудования заправочного модуля по предотвращению гидроударов является превышение значения давления 0,83 МПа,
а также закрытие устройств автоматического прекращения заправки за время от 2 до 5 с и подачей более 200 л после их закрытия.
86
Н.Е. Сыроедов, К.С. Волков
Для прогнозирования по документации сборочных единиц, входящих в структурную схему
выполнения конкретной технологической операции, например, по схеме рис. 1 или по статистическим данным аналогов собираются данные по показателям безотказности.
Исходные данные заносятся в таблицу по приведенной форме.
Таблица 1
Исходные данные об элементах, включенных в структурную схему надежности средства заправки
Наименование элемента
Насос
Донный клапан
Дыхательный клапан
Регулятор давления в линии
Счетчик жидкости
Фильтр-водоотделитель
Раздаточный рукав
Наконечник нижней заправки
Кол-во в
средстве
заправки
1
2
2
1
1
1
2
2
Вероятность безотказной работы
Закон
Параметр
Экспоненциальный
-“-“-“-“-“-“-“-
λ = 350 ⋅10-5
λ = 30 ⋅10-5
λ = 0,3 ⋅10-5
λ = 20 ⋅10-5
λ = 200 ⋅10-5
λ = 45 ⋅10-5
λ = 50 ⋅10-5
λ = 80 ⋅10-5
По исходным данным показателей интенсивности потока отказов элементов λi рассчитывается безотказность работы раздаточной системы заправочного модуля
−
(2)
Pi (t ) = e λ t ,
где tз – время работы оборудования.
По статистике для каждого технологического процесса уточняется время функционирования схемы. В нашем примере tз – время работы оборудования при заправке ВС топливом или
рассчитанная по формуле
Vц
,
(3)
tЗ =
qп
З
где Vц – вместимость цистерны ТЗА, л; qп – номинальная подача топливного насоса ТЗА, л/мин.
Затем по формуле 1 определяется вероятность безотказной работы заправочного модуля в
рассматриваемой схеме (рис. 1).
Аналогично проводится расчет прогнозируемых показателей безотказности оборудования в
других технологических операциях цикла функционирования ТЗА с учетом статистики времени
их выполнения и общего времени цикла.
Вероятность безотказной работы ТЗА по данным вероятности безотказной работы всех
технологических операций определяется по формуле
Р( t ) = П ⋅ Р ( t ) .
(4)
ц
i i i
По прогнозируемым данным вероятности безотказной работы ТЗА при выполнении рабочего цикла P(tз) определяется средняя наработка на отказ по формуле
tз
.
(5)
То =
ln P( t З )
Полученные результаты сравнения с заданными показателями безотказности работы по
техническому заданию (техническим условиям) и при необходимости разрабатываются мероприятия по подбору комплектующих изделий.
87
Методика прогнозирования показателей …
ЛИТЕРАТУРА
1. Безовский Т. Надежность. Теория и практика / пер. с англ. / под ред. Б.Р. Левина. - М.: Мир, 1965.
2. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. - М.: Наука.
3. Гнеденко Б.В., Беляев Ю.К., Соловьев А.Д. Математические методы в теории надежности. - М.: Наука, 1965.
4. ГОСТ 27.001-81. Система стандартов «Надежность в технике». Основные положения.
5. ГОСТ 27.001-81. Система стандартов «Надежность в технике». Термины и определения.
6. ГОСТ Р 52906-2008. Оборудование авиатопливообеспечения. Общие технические требования.
PREDICTION TECHNIQUE OF FAILURE-FREE (RELIABILITY)
FACTORS FOR AIRCRAFT REFUELLING VEHICLES
Syroedov N.E., Volkov K.S.
In order to substantiate main characteristics of aircraft refueling vehicles it is offered the prediction technique of
reliability factors for refuelling units of aircraft refuellers and hydrant dispensers based on up-to-date approach of
machinery reliability theory. The article gives example for formation of reliability structure diagram for refuelling
equipment of aircraft refuellers.
Key words: maintenance with aviation fuel, forecasting of refueling, non-failure operation, reliability, air court.
Сведения об авторах
Сыроедов Николай Евгеньевич, 1935 г.р., окончил КВИАУ ВВС (1961), кандидат технических
наук, профессор кафедры авиатопливообеспечения МГТУ ГА, доцент. ведущий научный сотрудник
ФАУ «25 ГосНИИ химмотологии Минобороны России», автор более 140 научных работ, область научных интересов – авиатопливообеспечение аэропортов, безопасность системы заправки ВС горючесмазочными материалами.
Волков Константин Сергеевич, 1971 г.р., окончил МАДИ (1994), заместитель генерального директора по качеству ЗАО НПО "Авиатехнология", автор 10 научных работ, область научных интересов –
авиатопливообеспечение аэропортов гражданской авиации, совершенствование системы технического
обслуживания оборудования авиатопливообеспечения.
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА
2012
№ 183
УДК 629.735.015
МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ
НЕФТЕПРОДУКТОВ ПРИ ПРИЕМЕ В РЕЗЕРВУАРЫ
О.В. МОЛЧАНОВ, С.В. СТАРЫЙ, М.В. НОВИКОВ
Статья представлена доктором технических наук, профессором Коняевым Е.А.
В целях совершенствования методов определения потерь от испарения нефтепродуктов при естественной
убыли и при технологических операциях предложен метод определения потерь нефтепродуктов от испарения в
вертикальных стальных резервуарах, повышающий достоверность определения потерь.
Ключевые слова: метод определения, технологические потери, потери нефти и нефтепродуктов, резервуары.
Нефть и нефтепродукты на пути от пунктов сбора нефти и нефтеперерабатывающих заводов до непосредственного потребителя подвергаются большому количеству технологических
операций: транспортировка, хранение и сливно-наливные операции, в результате которых около 2% от их количества безвозвратно теряется в окружающую природную среду, в большей
части по причине испарения.
Потери от испарений нефти и нефтепродуктов из резервуаров определяются [1] тремя способами - непосредственным измерением, расчетно-экспериментальным и расчётным методами.
В первом случае фактические потери продукта определяют по количеству паров углеводородов, выходящих из резервуара или цистерны при дыханиях. Для их определения [2] необходимо измерение объема паровоздушной смеси, выходящей из емкости, с использованием расходомерного устройства, а также приборов измерения массовой концентрации паров в потоке,
которые позволяют получить фактическое количественное значение потерь нефти и нефтепродуктов с погрешностью, определяемой только погрешностью применяемых приборов.
При применении расчетно-экспериментального метода значение объема выброса определяется расчетным путем с использованием характеристик объекта, технологической схемы приема-выдачи продукта, среднестатистических данных и результатов измерений отдельных параметров. Величина массовой концентрации определяется для рассматриваемого объекта с учетом физико-химических свойств нефти или нефтепродукта, климатических и температурных
условий эксплуатации, оборачиваемости резервуара или цистерны, среднестатистических данных или результатов экспериментальных измерений концентрации во время выбросов.
При использовании расчетных методов резервуар с продуктом рассматривается как замкнутая система, в которой за счет измерения одних показателей, прогнозируется изменение других.
Так величина выбросов паров из резервуаров, сообщающихся с атмосферой через дыхательные
клапаны, может определяться по различным методикам, которые применимы для определённых
ситуаций (расчёт потерь от «малых», «больших дыханий»), либо использующие средние значения некоторых параметров, входящих в расчетные зависимости.
Проведенный анализ методов определения потерь нефтепродуктов от испарения показал,
что наиболее подходящими методами для определения потерь от испарения при хранении и
транспортировке являются расчетно-экспериментальные методы.
В настоящее время используется метод определения потерь нефти и нефтепродуктов от испарения по концентрации паров углеводородов, вытесняемых из резервуаров (РД 153-39-019),
основанный на теории потерь Черникина В.И. [3]:
[
]
M
,
i
i +1
R
где G – масса углеводородов, вышедших из резервуара; Vi, Vi+1 – объемы газового пространства
в моменты времени i, i+1; Ci, Ci+1 – объемные концентрации углеводородов в газовом проG = Vi (1 − Ci ) Ti − Vi +1 (1 − Ci +1 ) Ti+1
P
P
C cp
1− C cp
⋅
Метод определения технологических потерь нефтепродуктов …
89
странстве резервуара в моменты времени i, i+1; Ti, Ti+1, Pi, Pi+1 – температура и давление газового пространства в моменты времени i, i+1; Ccp,– средняя объемная концентрации углеводородов в газовом пространстве резервуара; М – молекулярный вес паров углеводородов; R - универсальная газовая постоянная.
Данный метод в целом решает задачу определения потерь нефтепродуктов, дает достаточно
объективную картину, однако имеет существенную погрешность в связи с тем, что он не учитывает
неравномерность распределения концентрации паров нефтепродуктов по высоте газового пространства и не учитывает дополнительный объем потерь, связанный с интенсивным испарением
нефтепродуктов с высоким давлением паров, происходящим в процессе заполнения емкости.
Основываясь на теории потерь Черникина В.И., разработан метод определения потерь нефти и нефтепродуктов от испарения, при реализации которого значение объема выбросов углеводородов в результате вытеснения паровоздушной смеси в процессе заполнения емкости нефтепродуктом («большого дыхания») или изменения термодинамического состояния паровоздушной смеси в емкости («малого дыхания») определяется расчетным путем, а значения концентрации паров углеводородов, давления и температуры паровоздушной смеси в емкости по
результатам их измерений в газовом пространстве отличаются тем, что объем потерь Vп, связанный с испарением углеводородов и изменением термодинамического состояния паровоздушной смеси в процессе «большого» или «малого» дыхания, определяют по выражению
Vп = VГП ⋅
C 0 М R 0T0 C1М T1 (Pа M П − С0 М R 0T0 ) − 1,
⋅
Pа M П C0 М T0 (Pа M П − C1M R 0T1 ) где VГП - объем газового пространства емкости, м3; С0М, С1М - массовая концентрация углеводородов в парах до и после дыхания, кг/м3; R0 – универсальная газовая постоянная, Дж/(моль·К);
МП – молекулярная масса паров углеводородов, кг/моль; Ра, – атмосферное давление, кПа; Т0, Т1
– температура паров углеводородов до и после дыхания, К.
Для оценки точности разработанного метода проведен эксперимент, заключающийся в моделировании процесса «большого дыхания» в вертикальном резервуаре и улавливании вышедших паров нефтепродукта. На рис. 1 представлена схема экспериментальной установки для определения массы потерь нефтепродукта при испарении. Нефтепродукт из емкости 1 поступает в
емкость 2 и выдавливает паровоздушную смесь в пластиковую емкость 3. Эксперимент проводился на следующих продуктах - пентан, гексан, которые составляют основную часть паровоздушной смеси бензинов. Масса вышедших паров определялась тремя методами - разработанным методом, методом, основанным на теории Черникина В.И., и методом статического взвешивания. Результаты проведенного эксперимента представлены в табл. 1, 2.
Рис. 1. Схема установки для определения массы потерь нефтепродукта при испарении:
1 - емкость с нефтепродуктом; 2 - емкость, моделирующая вертикальный стальной резервуар;
3 - пластиковая емкость для улавливания паров; 4, 5 - краны; 6, 7, 8 - отверстия с клапанами для
забора газовых проб хроматографическим шприцом; 9 - трубка для отвода паров
90
О.В. Молчанов, С.В. Старый, М.В. Новиков
Таблица 1
Результаты проведенного эксперимента
№ п/п
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Масса паров гексана, вышедшая из резервуара, гр
Разработанный метод
По Черникину
Взвешивание
0,0989
0,0325
0,0757
0,0803
0,0267
0,0857
0,0747
0,0241
0,0720
0,0393
0,0128
0,0410
0,0355
0,0116
0,0240
0,1366
0,0444
0,1262
0,1366
0,0444
0,1262
0,1462
0,0470
0,1216
0,1242
0,0401
0,1192
Время заполнения
емкости, мин.
10
10
10
10
10
20
20
20
20
Таблица 2
Результаты проведенного эксперимента
№ п/п
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Масса паров пентана, вышедшая из резервуара, гр
Разработанный метод
По Черникину
Взвешивание
0,4326
0,9354
0,9725
1,1518
1,2580
0,9482
1,0038
1,3395
1,1252
0,0393
0,0355
0,5265
0,5711
0,0128
0,0116
0,4401
0,4672
0,6088
0,3526
Время заполнения
емкости, мин.
20
1,1417
1,2517
0,9925
1,0117
1,2282
1,1410
0,0410
0,0240
20
20
20
20
20
20
10
10
Результаты проведенного эксперимента показывают высокую сходимость разработанного
расчетно-экспериментального метода определения массы выброса паров углеводородов из резервуаров при большом «дыхании» с методами прямых измерений массы выброса, что говорит
о большей точности разработанного метода, в сравнении с прототипом – методом Черникина.
ЛИТЕРАТУРА
1. Молчанов О.В., Навмятуллин А.З., Дмитриев С.В. Определение потерь нефтепродуктов из резервуаров в
результате испарений // Научно-технический сб. - 2000. - № 32. - С.70-86.
2. РД 153-39-019-97. Методические указания по определению технологических потерь нефти на предприятиях
нефтяных компаний Российской Федерации.
3. Черникин В.И. Сооружение и эксплуатация нефтебаз. - М.: Гостоптехиздат, 1955.
METHOD FOR DETERMINING THE LOSS OF PETROLEUM
PROCESS FOR ADMISSION TO THE TANKS
Molchanov O.V., Starii S.V., Novikov M.V.
In order to improve methods for determining the loss from evaporation of petroleum products by natural wastage and
technological operations, a method for determining loss of oil from the evaporation of vertical steel tanks, which increases
the reliability of the losses.
Метод определения технологических потерь нефтепродуктов …
91
Key words: method for determining, technological losses, loss of oil and petroleum products, tancs.
Сведения об авторах
Молчанов Олег Владиславович, 1966 г.р., окончил УВВТУ (1988), кандидат технических наук,
доцент, заместитель начальника управления ФАУ «25 ГосНИИ химмотологии МО РФ», автор более 100
научных работ, область научных интересов – учет и сокращение потерь нефти и нефтепродуктов.
Старый Сергей Викторович, 1980 г.р., окончил УФВАТТ (2002), кандидат технических наук,
старший научный сотрудник отдела эксплуатации технических средств и объектов службы горючего
ФАУ «25 ГосНИИ химмотологии МО РФ», автор 10 научных работ, область научных интересов – методы неразрушающего контроля технических средств объектов нефтепродуктообеспечения, учет и сокращение потерь нефти и нефтепродуктов.
Новиков Максим Валерьевич, 1984 г.р., окончил УВВТУ (ВИ) (2006), младший научный сотрудник отдела эксплуатации технических средств и объектов службы горючего ФАУ «25 ГосНИИ химмотологии МО РФ», область научных интересов – учет и сокращение потерь нефти и нефтепродуктов.
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА
2012
№ 183
УДК 621.624.004.2
РАЗРАБОТКА МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОГО СТЕНДА,
МОДЕЛИРУЮЩЕГО УСЛОВИЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ РЕАЛЬНЫХ
ФИЛЬТРОЭЛЕМЕНТОВ В ТОПЛИВОЗАПРАВЩИКАХ И АГРЕГАТОВ
ФИЛЬТРАЦИИ ТОПЛИВА
А.О. ОСИПОВ
Статья представлена доктором технических наук, профессором Коняевым Е.А.
Представлена техническая характеристика многофункционального стенда для испытаний фильтроэлементов
авиатоплива, установленных в ТЗ в условиях различных температур.
Ключевые слова: авиационное топливо, фильтроэлементы, модельные испытания, различные температуры,
испытательная установка.
1. Назначение стенда
Изучение причин отказов фильтрующих бортовых элементов ВС потребовало разработки и
создания многофункционального испытательного комплекса, позволяющего проводить исследования процессов очистки реактивных топлив в условиях, моделирующих реальные условия
аэродромных складов ГСМ. Многофункциональный испытательный комплекс СИФ-2 (далее по
тексту СИФ-2) предназначен для изучения процессов коагуляции и сепарации водотопливных
эмульсий, при изменении внешней температуры от 50ºС до минус 50ºС и разной степени обводнённости реактивных топлив. При этом испытания можно проводить как в присутствии
ПВКЖ в топливе, так и без них. Кроме того, на стенде СИФ-2 возможно осуществлять испытания материалов (фильтрующие бумаги, сетки, клеи, резины, нетканые материалы), применяемых при изготовлении фильтроэлементов. Тестирование различных материалов необходимо
выполнять в соответствии с действующей НТД.
2. Теоретические аспекты коагуляции и сепарации микроэмульсий ПВКЖ в топливе
Изучение влияния внешних условий на образование микроэмульсий жидкости «И-М», ее
коагуляции и сепарации в фильтроэлементах топливозаправщика практически не отличается от
ранее проведенных исследований для систем реактивное топливо-вода. Понижение температуры воздуха, изменение его влажности и атмосферного давления сразу после введения ПВКЖ
в очищенное от механических примесей и воды топливо не оказывает влияния на процессы
фильтрации топлива через фильтроэлементы топливозаправщика. Это обусловлено общей низкой концентрацией влаги в системе топливо-ПВКЖ.
Хранение топлива с ПВКЖ в течение нескольких суток приводит к обводнению данной
системы и увеличению общей концентрации влаги. Применение равнообъемной смеси этилцеллозольва с метанолом (ИМ) вместо чистого этилцеллозольва способствует повышению гигроскопичности системы и повышению вымываемости ПВКЖ из топлива. Ухудшение этих эксплуатационных свойств связано со свойствами метанола. Растворимость воды в топливе ТС-1,
содержащем 0,3% метанола, составляет при 20ºС 0,0163% против 0,0148% для этилцеллозольва
в той же концентрации. Повышение чувствительности системы топливо-ПВКЖ к изменению
внешних условий отрицательно влияет на образование и характеристики микроэмульсий
ПВКЖ в топливе. Рассмотрим процесс отделения микроэмульсии И-М от реактивного топлива
в фильтроэлементе ТЗ. Современные фильтроэлементы содержат коагулирующие и сепарирующие перегородки. Процесс взаимодействия капель эмульсии ИМ-вода состоит из приближения капли к перегородке, контакта с ней, вытеснения топлива с поверхности перегородки,
Разработка многофункционального стенда …
93
адгезии на поверхности, коалесценции каплей с последующим прохождением концентрированной эмульсии через коагулирующую перегородку. Далее на гидрофобной перегородке происходит отделение скоагулировавшихся капель от топлива и осаждение их в отстойник. В отличие от
водотопливных эмульсий эмульсии ПВКЖ при охлаждении не образуют кристаллов льда (рис. 1).
Рис. 1. Процесс коагуляции мелкодисперсной эмульсии И-М в ТС1 на элементе,
фильтрующем коагулирующем с последующим осаждением на дно отстойника
по закону Стокса. Топливо ТС-1 t= -100
Известно, что поверхностные свойства перегородки характеризуются краевым углом смачивания, который определяется значением угла между поверхностью твердого тела и касательной к точке ее контакта с жидкостью и отсчитывается в сторону жидкой фазы (рис. 2, 3).
Рис. 2. Раствор И-М с водой при температуре -100С
94
А.О. Осипов
Рис. 3. Схема взаимодействия капли эмульсии и фильтрующей перегородки в среде топлива:
Θ – краевой угол смачивания, град; σрим – поверхностное натяжение раствора И-М, Н;
σт – поверхностное натяжение топлива, Н; σримт – межфазовое натяжение на поверхности
раздела фаз раствор И-М – топливо, Н
Процесс смачивания поверхности жидкостью и адгезии капли жидкости к этой поверхности
характеризуется уравнением Юнга, связывающим поверхностные свойства контактирующих
фаз с величиной краевого угла смачивания
σ − σ РИМ
.
(1)
cos Θ = Т
σ РИМТ
Известно, что краевой угол смачивания изменяется от 0º до 180º, а его cosΘ в пределах
-1≤ cosΘ ≤1. При значении краевого угла смачивания, равном 180º, и cosΘ, равном минус 1, поверхность перегородки обладает идеальными гидрофобными свойствами. При условии нулевого значения краевого угла смачивания и cosΘ, равном 1, поверхность перегородки обладает
идеальными гидрофильными свойствами.
Как указано выше, разделение водотопливных эмульсий происходит на выходе из коагулирующей перегородки. Окончательное отделение воды от топлива в современных фильтрах-сепараторах протекает на следующей ступени при прохождении топлива через гидрофобные для
воды и полностью проницаемые для топлива водоотталкивающие перегородки. При этом на
стадии коагуляции может протекать обратный ей процесс – диспергирования.
В соответствии с законом Стокса микрокапли эмульсии размером менее критического уносятся потоком топлива. Критический размер микрокапель эмульсии определяют по формуле
dк =
18µТ ⋅ vOC
,
( ρ Э − ρТ )
(2)
где µт – динамическая вязкость топлива при температуре фильтрации, Н·с/м2; voc – скорость
осаждения капель, м/с; ρэ, ρт – плотность дисперсной фазы и топлива при температуре фильтрации, кг/м3.
Продавливание капель микроэмульсии через пору возможно только при разрушении пленки топлива в порах, которое происходит при достижении критического давления. Последнее
можно определить по формуле
σ
⋅L
(3)
Ркр = РИМТ п ,
Sп
где Ркр – критическое давление, Па; σримт – межфазовое натяжение на поверхности раздела фаз
раствор И-М – топливо, Н; Lп – длина линии контакта на поверхности раздела раствор И-М и
топлива по периметру поры, м; Sп – площадь поперечного диаметра поры, м2.
Разработка многофункционального стенда …
95
Анализ вышеприведенных уравнений показывает, что входящие в уравнения 1-3 величины
зависят от условий окружающей среды.
3. Технологическая схема стенда и его технические характеристики
Стенд позволяет испытывать различные модели фильтров и фильтров-водоотделителей,
используемых в топливных, гидравлических и масляных системах машин и механизмов. Разработка технологической схемы стенда, отдельных его частей и комплектация оборудования проводились с учетом сохранения принципа подобия с реальными системами, включая условия
эксплуатации. Моделирование осуществляли в соответствии с СТП 01-00529144-2000 «Комплексная система управления качеством продукции. Контроль и испытания. Входной контроль». Основной задачей, решаемой при разработке схемы стенда, являлась конструкция герметичной камеры испытаний. Эта камера должна была позволить проводить испытания при изменении температуры окружающей среды от 40ºС до минус 50ºС.
Внутри камеры размещен сконструированный блок для проведения испытаний различных
моделей фильтроэлементов. Кроме того, схема стенда предусматривает наличие системы подготовки топлива или другого ГСМ путем смешения его с цинковой пылью или кварцевым порошком, или дистиллированной водой. Приготовление суспензий и эмульсий позволяет тестировать модели фильтроэлементов по их основным эксплуатационным свойствам. Перемешивание компонентов осуществляется насосом через систему трубопроводов «на кольцо». Регулирование скорости потоков предложено осуществлять с помощью изменения частоты вращения
асинхронного электродвигателя насоса. Объем расходного и приемного резервуаров выбирался
с учетом времени, необходимого для вывода на стабильный режим испытуемого фильтроэлемента. Рабочий объем расходного резервуара при этом составил 80 дм3, а приемного резервуара
– 70 дм3. Максимальная производительность выбранной насосной установки составляет
80 дм3/мин. (5,0 м3/ч); а минимальная - 1 дм3/мин. (0,06 м3/ч). Давление, создаваемое насосной
установкой, не превышает 2,0 кГс/м2 или 0,25 МПа. Средняя производительность стенда равна
2м3/ч. Габаритные размеры стенда 1350 × 650 × 2200 мм, а потребляемая мощность – 0,6 кВт.
Контроль за производительностью стенда осуществляется с помощью счетчика жидкости
ППО-25-1,6 СУ №06386. Давление контролируется с помощью манометров образцового типа.
Расходный резервуар, трубопроводы и отдельные элементы узлов и агрегатов стенда изготавливались из нержавеющей стали 12Х18Н10Т. Приемный резервуар изготовлен из стекла, а
его днище и крышка выполнены из нержавеющей стали. Крышка приемного резервуара плоская с полудюймовым краном в верхней точке для сброса давления; днище выполнено в виде
конуса для слива отстоя.
Система отбора проб, установленная на стенде, предназначена для взятия проб топлива из
определенных точек трубопровода стенда при его работе до и после всех фильтроэлементов и
из зон отстоя блока. Она состоит из четырех последовательно установленных на одном коллекторе пробоотборников, представляющих собой трубки с шаровым краном. При использовании
пробоотборников необходимо открыть соответствующий шаровой кран и топливо под давлением в трубопроводе сливается в емкость для отбора проб.
Стенд оборудован системой подсветки для визуального наблюдения за ходом протекающих
процессов и фиксации их с помощью видео- и фотосъемки.
Общий вид и гидравлическая схема разработанного стенда представлен на рис. 4, 5.
Стенд СИФ-2М. Предназначен для испытания фильтроэлементов при температурах от
плюс 50˚С до минус 50˚С. Работает на всех видах топлива с присадками.
Основным рабочим элементом многофункционального стенда является сконструированный
испытательный блок. Этот блок помещен в холодильную камеру марки КТХ-1000 для проведения исследований и испытаний при отрицательных температурах. Испытательный блок выполнен из прозрачного материала с металлическими торцами.
96
А.О. Осипов
Рис. 4. Общий вид стенда СИФ-2
Рис. 5. Гидравлическая схема стенда СИФ-2:
ЭНА-1 - насос; Р1-2 - расходный резервуар; Р2-3 - приемный резервуар; СЖ-4 - счетчик жидкости; Б-5 - блок для исследований фильтра и фильтра-водоотделителя; ИП-6 - индикатор потока;
В-7 - трубка заполнения блока; Ф-8 - модель фильтрующего или коагулирующего элемента;
СЭ-9 - модель сепарирующего элемента; МН1-10 - манометр на входе; МН2-11 - манометр на
выходе; КШ1-12 - кран регулирования потока; ФГ-13 - фильтр гидравлический; КШ 6, КШ7,
97
Разработка многофункционального стенда …
КШ8, КШ9, КШ10 - краны пробоотборники; КШ2, КШ3, КШ4, КШ5 - краны регулирования
направления потока; КШ11 - кран сброса воздуха; КШ12, КШ13 - краны барботажа; КШ15 –
кран слива рабочей жидкости из Р2; КШ14 – кран подачи рабочей жидкости из приемного резервуара в расходный.
В торце имеется специальная оправка для крепления коагулирующей, фильтрующей и сепарирующей перегородки. Днище цилиндра испытательного блока выполнено в виде конуса
для сбора и слива отстоя. Исследования процессов очистки реактивного топлива на многофункциональном стенде проводятся как при положительных, так и при отрицательных температурах. Исходное предварительно подготовленное топливо (рис. 5) из расходного бака Р1-2 насосом ЭНА-1 подается в блок Б-5 через трубку В-7. В рабочем блоке Б-5 перед началом опыта установлены модели фильтрующих, коагулирующих перегородок Ф-8, СЭ-9. Все элементы стенда
перед началом испытаний имеют температуру окружающей среды. После заполнения рабочего
блока Б-5 топливом включают холодильную камеру КТХ-1000. Охлаждение топлива проводится со скоростью 2˚С/ч. Температуру и скорость ее изменения при охлаждении расходного бака,
рабочего блока, трубопроводов, верхней и нижней части морозильной камеры регистрируют с
помощью температурных датчиков. По завершении процесса нагрева или охлаждения топливо
насосом прокачивают через испытуемый элемент с заранее установленным расходом в приемный резервуар. Морозильная камера во время эксперимента находится в закрытом состоянии,
поэтому все органы управления, а именно: кнопка старт-стоп, позволяющая включать и выключать насос, коллектор отбора проб, позволяющий отбирать пробы из разных точек трубопроводной системы стенда, информационное табло, отражающее температуру в разных точках
стенда, вынесены на ее внешнюю стенку. Стенд позволяет также проводить исследование работоспособности моделей фильтрующих, сепарирующих, коагулирующих и фильтрующекоагулирующих элементов в их реальной компоновке в условиях, близких к условиям эксплуатации, исследовать совместимость реактивных топлив, содержащих рабочие концентрации
ПВКЖ, с полимерными пропитками фильтрующих перегородок.
ЛИТЕРАТУРА
1. Дубровкин Н.Ф., Маланичева В.Г. и др. Физико-химические и эксплуатационные свойства реактивных
топлив.- М.: Химия, 1985.
2. Коняев Е.А., Осипов О.П., Осипов А.О. Обоснование изменения технологии ввода антикристаллизационных присадок в топливо при заправке ВС // Научный Вестник МГТУ ГА. - 2009. - № 147.
CONSTRUCTION JF MULTIFUNCTIONAL MOUNTING
FOR MODEL TESTING REAL FUEL FILTER ELEMENTS
Osipov A.O.
The article presents technical characteristics of multifunctional mounting for fuel filter elements testing, installed on
fuel tankers in the case of different temperatures.
Key words: aviation fule, filter elements, model testing, different temperatures, testing mounting.
Сведения об авторе
Осипов Артем Олегович, 1981 г.р., окончил Московский государственный агроинженерный университет им. Горячкина В.П. (2003), аспирант кафедры авиатопливообеспечения и ремонта ЛА МГТУ ГА,
автор 8 научных работ, область научных интересов – обеспечение качества авиационных топлив физикохимическими методами.
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА
2012
№ 183
УДК 629.735
ПОДХОД К ОПРЕДЕЛЕНИЮ ОПТИМАЛЬНОГО ОБЛИКА
ВОЕННО-ТРАНСПОРТНОГО САМОЛЕТА ДВОЙНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
С УЧЕТОМ НАДЕЖНОСТИ И БОЕВОЙ ЖИВУЧЕСТИ
Л.В. МЫШКИН, С.И. БЕЛЯЕВ
Излагается новый подход к определению оптимального облика военно-транспортного самолета (ВТС). Он
учитывает двойное назначение ВТС, динамику изменения количества и надежности ВТС в мирное время, а также
его боевую живучесть в военное время. Приводятся результаты расчетов оптимальных параметров и летнотехнических данных легкого ВТС.
Ключевые слова: военно-транспортный самолет, методика определения оптимального облика, исследование
облика, эффективность функционирования, летно-технические данные.
Военно-транспортный самолет (ВТС) двойного назначения – это летательный аппарат (ЛА),
создаваемый для выполнения транспортных функций в мирное (0 ≤ t < T) и военное время (t ≥ T),
Т– начало военного применения ВТС. В общем случае ВТС в период t ≥ T может применяться
для выполнения, помимо транспортных функций, функции бомбардировщиков, разведчиков,
постановщиков помех и т.п. ЛА, применяемые в мирное и военное время, названы в книге [1]
комбинированными. В этой статье впервые рассматриваются основы динамической математической модели определения оптимального облика ВТС двойного назначения. Обычно при определении облика ЛА используются статические модели, в которых изменение свойств ЛА и
ассигнований на их создание и эксплуатацию не учитываются. Термин "двойного" вместо
"комбинированного" подчеркивает, что ВТС реализует одни и те же транспортные способности
в разных условиях функционирования в мирное и военное время (комбинируются не функции,
а условия функционирования ЛА). Однако разные условия функционирования приводят к разному написанию транспортных критериев эффективности. Поэтому, как и для комбинированных ЛА, задача оптимизации параметров для ЛА двойного назначения формулируется как многокритериальная.
Облик ВТС как комплекса характеризуется составом (номенклатура грузов, экипаж, оборудование, планер, силовая установка, топливо, система управления), аэродинамической, объемно-массовой и конструктивно-силовой компоновкой. При выбранных составе и компоновке облик ВТС определяется параметрами: техническими (нормальная взлетная масса ВТС m0, площадь крыла S, удельная нагрузка на крыло p0, взлетная тяга силовой установки Р0, тяговооруженность µ 0 = p 0 (m 0 g ) , удлинение крыла λ и др.), тактическими (дальность L, число М и высота Н крейсерского полета, масса мероприятий на повышение боевой живучести mбж, масса
полезной нагрузки mпн, и др.), экономическими (стоимость создания ВТС С и эксплуатации за
жизненный цикл Сэ и др.). Технические параметры, состав и компоновка определяют технический облик ВТС, тактико-технические параметры, состав и компоновка – тактико-технический
облик и т.д.
Задача заключается в том, чтобы построить модель, позволяющую определить оптимальный облик ВТС двойного назначения.
В качестве оптимизируемых (варьируемых) параметров выбираем П=(М, Н, mбж, p0, λ), неварьируемых ПНВ=(L, mпн, mэо – масса экипажа и оборудования и др.). Каждый из варьируемых
параметров противоречиво влияет на показатели эффективности функционирования и стоимости ЛА. Двойное назначение ВТС усиливает противоречивое влияние некоторых параметров на
99
Подход к определению оптимального облика военно-транспортного самолета …
его облик. Например, для функционирования ВТС в военное время масса mбж полезна, для мирного нет. Противоречие разрешается оптимизацией. Схема решения задачи поиска оптимального ВТС следующая. Сначала для каждого варианта варьируемых параметров П и одних и тех же
ПНВ определяется технический облик ЛА, и затем с помощью критерия оптимизации К(П; ПНВ)
выявляется наилучший тактико-технический облик. Технический облик ВТС определяется с
помощью комплексной математической модели (КММ), разработанной Луковниковым А.В.
КММ включает частные модели: расчета аэродинамических характеристик для выбранной аэродинамической компоновки (используется методика [2]), объемно-массовой и конструктивносиловой компоновки [3], силовой установки [4], динамики полета [5]. Основой КММ является
уравнение существования ЛА, позволяющее определить массу ВТС и его составных частей
m0= mпл(Ппл; m0)+ mсу(Псу; m0)+ mт(Пт; m0)+ mэо(Пэо)+ mпн(Ппн)+ mбж(Пбж),
где Ппл=(f; nэmax; σр; λ; p0 и др.), Псу=(γдв; µ; М; Н и др.), Пт=( ПL; суд; М; Н и др.), Пэо, Ппн, Пбж те из параметров, которые влияют соответственно на массу планера mпл, силовой установки mсу,
топлива mт, экипажа и оборудования mэо, полезной нагрузки mпн и боевой живучести mбж; f –
коэффициент безопасности; nэmax – максимальная эксплуатационная перегрузка; σр – разрушающее напряжение; γдв – удельная масса двигателей; µ – тяговооруженность самолета;
ПL= 3,6аМК с уд – параметр дальности; а – скорость звука; суд – удельный расход топлива;
К – реализуемое аэродинамическое качество ЛА; m – полетная масса ЛА; с увеличением ПL mт
уменьшается.
Оптимальные параметры Пopt определяются оптимизацией квадратичного критерия [1]
П opt = arg min K (П ; П НВ )
П
при фиксированном законе ассигнований на создание и эксплуатацию системы ВТС (рис. 1)
Сс = С с (t ) , (0 ≤ t < T)
Сс
С сΣ (Т)
и векторном ограничении оптимизируемых паφ
раметров П и неоптимизируемых ПНВ
g(П, П НВ ) ≤ 0 .
С с (t )
&c
tgϕ = C
Примером могут быть ограничения на длину
разбега и пробега, которые не должны превышать заданные значения: L p ≤ Lзp ; L п ≤ Lзп .
Критерий К учитывает эффективность функt
Т t ционирования системы ВТС (СВТС) в мирное и
0
военное время и имеет вид
Рис. 1
2
2
Э см (П ) Э св (П ) + βв 1 − с
К = βм 1 − с
,
(1)
Э м П мopt Э в П вopt мах
мах
где βм, βв – коэффициенты значимости применения СВТС в мирное и военное время, βм+ βв=1;
Э см (П ) , Эсв (П ) – критерии эффективности функционирования СВТС в мирное и военное время;
Э см мах П мopt , Э свмах П вopt – их максимальные (оптимальные) значения.
(
(
)
(
)
(
)
)
Критерии Э см и Эсв и их максимальные значения определяются из соотношений
n
Э см (П ) = ∑ ∆x i (П; t i )Э м (П; t i ) ;
(2)
Э св (П ) = ∑ ∆x i (П; t i )Э в (П; t i ) ;
(3)
i =1
n
i =1
100
Л.В. Мышкин, С.И. Беляев
Эсм
мах
Эсв
мах
( )
= Э (П ) ,
= Эсм П мopt ,
с
в
в
opt
П мopt = arg max Э см (П ) ;
(4)
П вopt = arg max Э св (П ) ;
(5)
П
П
П мopt , П вopt ∈ П .
В формулах: ∆x i = x i (П; t i ) − x i−1 (П; t i−1 ) – изменение количества самолетов за счет производства и гибели за элементарный отрезок времени ∆t i = t i − t i −1 , при этом
n
∑ ∆t i = T , где n –
i =1
число ∆t i , на которые разбит отрезок [0, T] (рис. 2); ∆x i (П; t i ) зависит от t i , т.к. от t i зависит
x (t i ) ; Эм (П; t i ) и Эв (П; t i ) – критерии эффективности каждого самолета из группы ∆х i в мирное и вох
∆x i = x i − x i −1
енное время; критерий Эм зависит от t i , т.к. от t i
хi
зависит время эксплуатации самолета τ = Т − t i
хi-1
(рис. 2); критерий Э в зависит от t i , т.к. от t i зависит надежность (безотказность) Р б (τ = Т − t i ) , с ко∆ti τ = Т − t i
торой самолет функционирует в военное время.
Составим формулы, позволяющие определить
∆x i , Эм , Э в .
ti-1
ti
t1 t2
Т t
0
Функцию x (t ) можно определить интегрироваРис. 2
нием дифференциального уравнения развития системы ВТС, учитывающего изменение количества самолетов в группировке за счет производства
и гибели и предполагающего эксплуатацию по состоянию [1]
dx
+ k 1 (t ) ⋅ x = k 2 (t ) ;
(6)
dt
& c (t )
C
C э (t )
k1 =
+ ω(t ) ; k 2 =
,
C (t )
C (t )
где Сэ и С – стоимость годовой эксплуатации и создания ВТС; ω – интенсивность отказов
& c – интенсивность ассигнований на создание и эксплуатацию СВТС (рис.1). Годовую
ВТС; C
стоимость эксплуатации ВТС определяем по формуле
С
r
С
Сэ = э =
⋅
,
Т жц 1 − r Т жц
где r = С э С жц – доля стоимости эксплуатации С э от стоимости жизненного цикла ВТС
С жц = С э + С продолжительностью Т жц . Опыт эксплуатации самолетов продолжительностью
Т жц = 25…30 и более лет показывает, что r =0,6…0,7. Стоимость создания ВТС С рассчитываем
в функции взлетной массы m 0 , т: C = bm 0 млн. дол., b= (1,5…2) млн. дол./т.
Интенсивность отказов находим по формуле: ω = f (τ ) Pб (τ ≥ T − t ) , где f (τ ) – плотность вероятности случайной величины наработки до отказа τ; Pб (τ ≥ T − t ) – вероятность безотказной
работы. Надежность самолета при длительной эксплуатации в мирное время в конечном счете
определяется усталостной долговечностью планера. Основная причина отказа планера – усталостные повреждения конструкции от действия повторных нагрузок при полете самолета в турбулентной атмосфере, рулении по аэродрому, взлете и посадке и действия на фюзеляж, кроме
того, циклов наддува.
101
Подход к определению оптимального облика военно-транспортного самолета …
Вероятность усталостной безотказности планера равна произведению вероятностей безотказности крыла Р б кр , фюзеляжа Р б ф и оперения Р б оп : Рб = Рб кр ⋅ Рб ф ⋅ Рб оп . Обычно Р б ф и
Р б оп заметно больше Р б кр , поэтому принимаем Р б = Р б кр . Одним из подходящих законов распределения наработки ЛА τ до усталостного отказа является нормальный. Однако для упрощения расчетов выбираем экспоненциальный
T−t
T−t
−
1 − T0
1
f (τ ) =
е
,
Р б (t ) = е T0 и ω =
= const. ,
Т0
Т0
где Т 0 – средняя наработка на отказ (срок службы ВТС в годах); Т 0 зависит от среднего усталостного ресурса Т рес в часах и годового налета самолета t , ч/г: Т 0 = Т рес t . Т рес определяем
по методике и информации о повторных нагрузках при полете ЛА в турбулентной атмосфере и
движении по аэродрому, а также кривой выносливости, приведенной в [6].
Для случая, когда стоимости изменяются во времени по одинаковому закону, например,
линейному
& с = C& с (1 + αt ) ,
С э = С0э (1 + αt ) ,
С = С0 (1 + αt ) ,
С
0
α<1, k1 и k2 от времени не зависят и интегрирование уравнения (6) дает
k
x = 2 1 − е − k1t .
k1
k
Следовательно, ∆x i = 2 е −k1 (t i −∆t i ) − e −k1t i .
k1
(
(
)
)
Для расчета критериев функционирования группировки ВТС Э см и Эсв , кроме ∆x , надо знать
критерии функционирования каждого самолета в мирное Эм и военное Э в время. Критерий эффективности самолета в мирное время характеризует количество вылетов каждого ЛА по перевозке грузов (людей) массой m пн на расстояние L с аэродрома погрузки до пункта назначения
Э м = Р св n рейс ,
где Р св – вероятность своевременного выполнения самолетом полетного задания
−
t дир
t
Р св = 1 − е р ,
L
где t p = t пол + t пасс – время рейса самолета: t пол =
– время полета; t пасс – пассивное время (обMa
служивания, подготовки полета и восстановления работоспособного состояния); t p – это математическое ожидание случайной величины времени рейса t p = М [ t p ]; t диp – директивное время
выполнения полетного задания; n рейс – количество рейсов, n рейс =
(T − t i ) ⋅ t ; (T − t )
i
2t p
– период
эксплуатации самолета (в годах) с момента t i принятия его на вооружение до начала военного
применения Т (рис. 2); t – средний годовой налет самолета, ч.
Критерий эффективности самолета в военное время характеризует количество успешных
вылетов каждого ЛА по перевозке m пн на расстояние L
Э в = Р св Р в Р з Р б n ср ,
где Рв и Р з , Р б (T − t i ) , Р вос – вероятности непоражения самолета в воздухе и на земле, безотказности в военное время, восстановления самолета с боевыми повреждениями;
n ср = 1 1 − Р в2 Р з Р б2 Р вос – среднее число рейсов самолета до гибели. Предполагается, что огневое воздействие по самолету состоялось: на земле и в воздухе при полете на задание и возвра-
(
)
102
Л.В. Мышкин, С.И. Беляев
щении на базу, Рв и Р з определяются по результатам исследований боевой живучести самолета
с использованием методики [7].
Знание Эм и Э в позволяет по формулам (2) – (5) определить Э см и Эсм мах , Эсв и Эсв мах , затем
их отношения
Э с (П )
Э с (П )
Эм = с м м , Эв = с в в ,
Э м мах П opt
Э в мах П opt
(
(
)
)
и далее (с учетом (1)):
К (П ) = βм (1 − Эм (П )) + βв (1 − Эв (П ))
2
и
2
(7)
П opt = arg min K (П ) .
П
Построенная модель – динамическая, она учитывает результаты функционирования ВТС не
только в военный, но и в мирный период, а также изменение в мирный период 0≤t≤T ассигнований на создание и эксплуатацию системы ВТС (СВТС) Сс(t), надежности Рб(t) и количества
ЛА х(t). Самолеты, созданные в разные моменты времени t, обладают разной надежностью, с
которой они начинают выполнять свои функции в военное время t≥T. Так при t=0 Рб=ехр(–
Т/Т0) (если Т=Т0, то Рб=0,37), при t=Т Рб=1.
Полезно установить степень отличия параметров, найденных по динамической и статической (традиционной) моделям. В статической модели не учитывается функционирование ЛА в
мирное время (ЛА однофункциональный) и изменение его свойств и количества ЛА; предполагается мгновенное использование суммарных ассигнований С сΣ (Т ) (рис. 1) на создание и эксплуатацию х ЛА: х= С сΣ / Сжц и средняя надежность в военный период Рб=0,94÷0,98.
В качестве традиционного критерия статической оптимизации выбираем комбинированный, представляющий собой отношение функционального критерия Эсв системы ВТС в количестве х самолетов к стоимости С сΣ
Э св
Э х
Э (П )
= в = в
.
с
СΣ С жц х С жц (П )
Оптимальные параметры определяем из соотношения
П opt = arg mах K Т (П ) .
КТ =
(8)
П
По разработанным методикам были выполнены расчеты по определению оптимального облика легкого ВТС двойного (ЛВТС2) и одинарного (ЛВТС1) назначения.
Исходные данные
Состав и компоновка исследуемого ЛВТС были приняты традиционными для транспортных самолетов: высокоплан классической схемы с верхним расположением горизонтального
оперения и задним грузовым проемом, закрывающимся рампой, с двумя двухконтурными турбореактивными двигателями (ТРДД), расположенными на пилонах под крылом. Крыло с малым
углом стреловидности имеет развитую механизацию передней и задней кромок. Шасси трехопорное с тандемным расположением уширенных колес на основных стойках.
Неварьируемые параметры ПНВ: L=2000 км; mпн =6000 кг, mэо =2570 кг, Т=25 лет,
& с =1500 млн. дол/г, r=0,6, b=1,5, t =1,2 ч, βм= βв=0,5, Р =1; вероятности непораТ жц =Т. С
0
пасс
вос
жения ЛВТС определялись: в воздухе Рв при действии по самолету снарядов пушки М-61
"Вулкан" и на земле Р з при действии по самолету снарядов пушки М-61 "Вулкан" и по ВПП
авиационных бомб БЕТАБ-250.
103
Подход к определению оптимального облика военно-транспортного самолета …
Варьируемые параметры П: М=0,5, 0,6, 0,7, 0,8; Н=6, 7, 8 км; p0=3000, 3200, 3500, 3600,
4000 Па; λ=6, 7, 8, 9, 10; mбж =130, 400, 600, 800, 900, 1000, 1100, 1200, 1400 кг.
Этим параметрам соответствует 2250 варианта ЛВТС. Для сокращения времени расчетов
при оптимизации применялся метод покоординатного спуска.
Результаты расчетов различных характеристик представлены на рис. 3 – 8 и в табл. 1.
Таблица 1
Вероятности непоражения ВТС в воздухе Рв и на земле Р з
Рз
m бж , кг
Рв
р 0 =3000 Па
р 0 =3200 Па
р 0 =3500 Па
р 0 =3600 Па
р 0 =4000 Па
130
0,33
0,314
0,259
0,231
0,22
0,165
400
0,35
0,351
0,289
0,258
0,246
0,185
600
0,385
0,373
0,308
0,275
0,262
0,197
800
0,413
0,39
0,322
0,288
0,274
0,206
900
0,421
0,396
0,327
0,292
0,278
0,083
1000
0,423
0,403
0,332
0,297
0,283
0,212
1100
0,425
0,408
0,336
0,3
0,286
0,215
1200
0,426
0,412
0,34
0,304
0,289
0,217
1400
0,427
0,416
0,343
0,307
0,292
0,219
Результаты оптимизации следующие.
По квадратичному критерию (7) (динамическая модель) ЛВТС2opt имеет:
M opt =0,6, H opt =8 км, m бж opt =800 кг р 0 opt =4000 Па, λ=6.
По традиционному критерию (8) (статическая модель) ЛВТС1opt имеет:
M opt =0,5, H opt =8 км, m бж opt =1200 кг, р 0 opt =3000 Па, λ=6.
Видно, что оптимальные параметры (кроме Н=8 и λopt=6), оптимизированные по двум разным критериям, отличаются (решение не устойчиво по критериям и моделям [1]). Это объясняется учетом в модели оптимизации по квадратичному критерию не только военного, но и мирного времени.
Основные данные оптимизированного ЛВТС2 приведены в табл. 2.
Таблица 2
Параметры
Технические
Взлетная масса m0, кг
Масса экипажа и функционального оборудования mэо, кг
Масса, выделяемая на боевую живучесть mбж, кг
Масса полезной нагрузки mпн, кг
Масса топлива mт, кг
Площадь крыла S, м2
Размах крыла l, м
Удельная нагрузка на крыло p0, Па
Силовая установка включает 2×ТРДД:
Тяга на режиме "максимал" (Н=0, М=0) Р0м кН
Удельный расход топлива (Н=0, М=0) cуд, кг/Нч
Тяговооруженность на режиме "максимал" (Н=0, М=0) µ0
Летно-тактические
Высота крейсерского полета Н, км
Крейсерская скорость Vмах, км/ч и число М полета
Дальность полета с максимальной нагрузкой L, км
э
Максимальная эксплуатационная перегрузка n мах
Скорость отрыва Vотр, км/ч
Скорость посадки Vпос, км/ч
Длина разбега Lр, м
Длина пробега Lпр, м
Значения параметров
25860
2570
800
6000
4060
63,5
19,5
4000
2×51
0,038
0,4
8
665 / 0,6
2000
2,3
250
225
914
510
104
Л.В. Мышкин, С.И. Беляев
34000
Н=8 км
λ=6
m бж=130 кг
m
32000
0, кг
30000
р0=3000 Па
40
40
Р эф ,
Рэф,
35
кН
кН
режим "0,8 максимала"
режим "0,8 максимала"
р =4000 Па
р0=0 4000 Па
30
30
3200
25
25
28000
26000
3500
3600
24000
4000
20
20
Н=0
1
2
15
15
3
10
10
22000
4
5
6
5
0,4
0,5
0,6
0,7
М
0,8
0,9
00
0,1
0,1
Рис. 3. Зависимость m0 от числа М
крейсерского полета
0,2
0,2
0,3
0,3
0,4
0,4
0,5
0,5
0,6
0,6
78
10
0,8
М
М
0,7
0,7
0,9
0,9
Рис. 6. Высотно-скоростные
характеристики силовой установки
130000
34000
Н=8 км
М=0,6
m бж=130 кг
m
32000
0, кг
125000
ПL,
Н120000
км/кг
р0=3000 Па
30000
3200
115000
28000
110000
3500
3600
26000
105000
4000
24000
8
λ=6
р0=4000 Па
m бж=130 кг
100000
95000
22000
7
Н=6 км
90000
5
6
7
8
9
10 λ
11
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
М
0,9
Рис. 7. Зависимость параметра
дальности от числа М и
высоты крейсерского полета
Рис. 4. Зависимость m0
от удлинения крыла и удельной
нагрузки на крыло
15
30000
Н=6
р0=4000 Па
М=0,6
λ=6
m29000
0, кг
28000
7
8
14
К
27000
12
26000
11
25000
10
24000
9
23000
8
0
200
400
600
800
1000
1200 m1400
1600
бж, кг
Рис. 5. Зависимость m0 от массы,
выделяемой на боевую живучесть,
и высоты крейсерского полета
К мах
13
8
λ=6
р0=4000 Па
m бж=130 кг
0,4
0,5
7
Н=6 км
0,6
0,7
0,8
Рис. 8. Располагаемое и
реализуемое качество
М
0,9
Подход к определению оптимального облика военно-транспортного самолета …
105
Предложенная динамическая модель многокритериальной оптимизации параметров ВТС
двойного назначения учитывает изменение свойств ЛА во времени, и поэтому позволяет более
точно прогнозировать его облик.
ЛИТЕРАТУРА
1. Мышкин Л.В. Прогнозирование развития авиационной техники - 2-е изд., перераб. и доп. - М.:
ФИЗМАТЛИТ, 2008.
2. Гриценко Н.А., Икрянников Е.Д. Расчет аэродинамических характеристик ЛА. - М.: ВВИА им. проф.
Н.Е. Жуковского, 1994.
3. Егер С.М., Мишин В.Ф., Лисейцев Н.К. и др. Проектирование самолетов: учебник для вузов. - 3-е изд.,
перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1983.
4. Бутов А.М. Математическое моделирование рабочего процесса авиационных двигателей. - М.: ВВИА
им. проф. Н.Е. Жуковского, 1993.
5. Матвиев Г.Я., Свиридов Н.А. Динамика полета. Расчет летных характеристик самолета. Руководство по
выполнению курсовой работы. - М.: ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, 2004.
6. Прозоров Б.Н. Справочные материалы для практических занятий по дисциплине "Летательные аппараты,
конструкция и эксплуатационные свойства". - М.: ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, 1977.
7. Арбузов И.В., Болховитинов О.В., Вольнов И.И., Мышкин Л.В. и др. Боевые авиационные комплексы и
их эффективность: учеб. для вузов. - М.: ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, 2006.
APPROACH TO DETERMINATION OF THE OPTIMAL SHAPE OF A DUAL PURPOSE MILITARY
TRANSPORT AIRCRAFT IN VIEW OF THE RELIABILITY AND COMBAT SURVIVABILITY
Myshkin L.V., Belyaev S.I.
The article describes a new approach to determining the optimal shape of a Military Transport Aircraft (MTA). The
approach considers the dual purpose of the MTA, the dynamics in quantity and reliability of MTA during the peacetime, as
well as combat survivability during the wartime. The results of calculations of the optimal parameters and aircraft performance data of a light MTA are presented.
Key words: Military Transport Aircraft, methodology of detection of the optimal shape, investigation of the shape,
performance of the functioning, aircraft performance data.
Сведения об авторах
Мышкин Леонид Владимирович, 1924 г.р., окончил ВВИА им. проф. Н.Е.Жуковского (1948),
заслуженный работник высшей школы РФ, доктор технических наук, профессор, почетный профессор
ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, научный сотрудник 4 отдела научно-исследовательского центра
Военного учебно-научного центра "Военно-воздушная академия им. проф. Н.Е. Жуковского и
Ю.А. Гагарина", автор 180 научных работ, область научных интересов - прогнозирование развития
авиационной техники, теория конструкции летательных аппаратов.
Беляев Сергей Иванович, 1973 г.р., окончил Иркутское ВВАИУ (1997), заместитель начальника
4 отдела научно-исследовательского центра Военного учебно-научного центра "Военно-воздушная академия им. проф. Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина", автор 27 научных работ, область научных интересов - прогнозирование развития авиационной техники, теория конструкции летательных аппаратов.
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА
2012
№ 183
УДК 629.7.08
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЕЛИЧИНЫ
ДАВЛЕНИЯ ЛЬДА НА ОБШИВКУ СОТОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ
И.И. ЛЕГЕЗА, Н.П. СМЕТАННИКОВ, М.С. ТОФОРОВ
Статья представлена доктором технических наук Самойленко В.М.
В работе приводятся особенности экспериментального определения величины давления льда на обшивку
сотовых конструкций авиационной техники.
Ключевые слова: авиационная техника, эксперимент, давление льда, обшивка, сотовая конструкция, деформация.
В практике эксплуатации авиационной техники имеются случаи отслоения и отрыва
обшивки от элементов сотовых конструкций, что приводит к существенному снижению
прочности таких агрегатов. Чаще всего отслоения происходят в законцовках агрегатов. Ранее
проведенные исследования показали, что в местах отслоения наблюдаются разрушения клеевых
швов, зоны коррозионных повреждений поверхностей стенок сотового каркаса и появление в
ячейках воды. По нашим предположениям одной из причин разрушения может бать сдавление
льда, образующегося из воды, находящейся в ячейках сот. В связи с этим необходимо знать
величину давления, которое будет оказывать лед на несущие ячейки и стенки сотового
заполнителя в зависимости от начального уровня воды в сотах. Это позволит произвести
прочностные расчеты сотовых конструкций.
Фазовое превращение воды в лед представляет собой сложный физический процесс,
который трудно поддается аналитическому описанию. Поэтому для определения величины
давления льда были проведены экспериментальные исследования.
Целью исследования является определение величины давления льда на боковые и торцевые
стенки герметичной емкости в зависимости от начального уровня воды в ней.
В качестве имитатора одной соты с нижней и верхней обшивками была выбрана
конструкция в виде цилиндрических металлических стаканов со следующими размерами:
высота цилиндра h = 55,5 мм, наружный диаметр D = 51 мм, толщина стенок цилиндра δ = 1 мм,
расчетный диаметр круглого днища d = 49 мм. Каждый цилиндр изготавливался из стали 45.
После дозированного заполнения всех цилиндров водой, производилась их герметизация путем
приваривания верхнего круга-днища. В дальнейшем цилиндры с водой подвергались
замораживанию. Для проведения эксперимента было изготовлено несколько таких цилиндров.
Давление льда рассчитывалось через деформации экспериментальных образцов.
Известно, что при фазовом превращении воды в лед, ее объем увеличивается на 10%. Т.е.
при превращении в лед вода будет расширяться и оказывать давление на дно и стенки емкости.
В эксперименте необходимо определить: во-первых, величину давления льда на дно и стенки
герметичной емкости при полном заполнении ее водой, во-вторых, выяснить, будет ли
оказывать давление льда на дно и стенки герметичной емкости, если изначально цилиндры
заполнены водой не полностью и при фазовом переходе в лед ей есть куда расширяться.
Давление льда на дно цилиндра можно рассчитать по величине остаточных деформаций
после заморозки воды в нем. Остаточные деформации днища цилиндра выражаются через
величину прогиба. Таким образом, давления льда на днище цилиндра определяется через
величину его прогибов по формулам, известным из теории пластин и оболочек [1].
Представим дно цилиндра в виде круглой защемленной по периметру пластины,
нагруженной равномерно распределенным давлением. Считаем, что днище цилиндра после
деформации под действием равномерно распределенного давления р принимает форму
сферической поверхности. Схема сферической поверхности расчетного дна цилиндра после
воздействия льда представлена на рис. 1.
Методика экспериментального определения величины …
107
В таком случае величину действующего давления можно рассчитать по следующей формуле
4σ δζ
p = i2 ,
(1)
d
Рис. 1
где σi = f (ε i ) − интенсивность напряжений для плоского напряженного состояния при работе
днища цилиндра пластической области деформации металла; εi − интенсивность относительных
деформаций для плоского напряженного состояния в днище цилиндра, вызванных внешней
распределенной нагрузкой при работе металла в пластической области
4 ζ2
(2)
εi =
.
3 d2
Величина интенсивности напряжений σ i определяется по значению интенсивности
деформаций εi из диаграммы растяжения материала σ = f (ε ) . В данном случае интенсивность
напряжений σ i определяется из диаграммы растяжения для стали 45.
Для простоты расчетов осуществляется упрощение диаграммы растяжения σ = f (ε ) стали
45. Известно, что при растяжении образцов, изготовленных из пластичных металлов, например,
стали 45, когда в поперечном сечении образца возникают напряжения, равные временному
сопротивлению σв , деформации в этом образце ε в достигают величины, равной 50% от
разрушающей деформации образца, т.е. ε в = 0.5ε10 (где ε10 − относительная деформация после
разрыва образца на длине l 0 = 10d 0 , где d 0 − начальный диаметр образца). Если при этом
образец работает при больших пластических деформациях, то реальную диаграмму растяжения
пластичного металла (сталь 45) можно заменить упрощенной схемой, состоящей из двух
прямых, показанных на рис. 2. Согласно такой схемы зависимость σi = f (ε i ) (аналогично и для
σ = f (ε ) ), пренебрегая упругой деформацией, будет иметь вид
σi = σ 0.2 + K σ ε i ,
(3)
σ − σ 0.2
где K σ = в
.
εв
Рис. 2
108
И.И. Легеза, Н.П. Сметанников, М.С. Тофоров
Для стали 45 σ в = 690 МПа, σ 0.2 = 392 МПа, K σ = 4257.
Так как в формуле (2) ε в в процентах, то для стали 45 ε в = 7%.
В эксперименте использовались четыре колбы. Колба № 1 заполнялась водой полностью,
№ 2 – на 75%, № 3 – на 50% и № 4 – на 25%. Заморозка колб с водой проводилась при
температуре t = –30 0С. После заморозки деформации колб определялись с помощью
микрометра МК50-75. Обмер показал, что деформации возникли только в колбе № 1, которая
изначально была полностью заполнена водой. Максимальный прогиб днища этой колбы
составил ζ = 2,8 мм.
Для получения более точных экспериментальных результатов аналогичные были
проведены с еще двумя цилиндрами, т.е. были полностью заполнены водой и заморожены.
Величина максимального прогиба днища этих колб составила ζ = 2,9 мм и ζ = 2,75 мм
соответственно. Таким образом, в среднем величина максимального прогиба получилась равной
ζ ср = 2,82 мм. После обработки экспериментальных данных с помощью формул (1-3) было
определено давление льда на днище цилиндров, которое оказалось равным Рл= 9 МПа.
Эксперимент с цилиндрами показал, что если у воды, находящейся в герметичном сосуде, в
процессе ее фазового перехода в лед есть пространство для расширения (изначально вода заполняет емкость менее чем на 90%), то вода будет двигаться вдоль свободного канала емкости,
не оказывая существенного давления на ее днище.
ЛИТЕРАТУРА
1. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. – М.: Наука, 1974.
2. Морозов В.И., Новицкий В.В. Сопротивление материалов. – М.: ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, 1994.
THE METHOD OF IDENTIFICATION OF ICE PRESSURE ON THE CASING
OF CELLULAR STRUCTURE IN AN EXPERIMENTAL WAY
Legeza I.I., Smetannikov N.P., Toforov M.S.
In this research some features of identification of ice pressure on the casing of cellular structure of aviation enginery
in an experimental way are substantiated.
Key words: aviation enginery, experiment, pressure ice, casing, cellular structure, deformation.
Сведения об авторах
Легеза Иван Иосифович, 1979 г.р., окончил ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского (2003), старший
научный сотрудник 4 отдела научно-исследовательского ВУНЦ ВВС «ВВА», автор 15 научных работ,
область научных интересов - эксплуатация и восстановление вооружения и военной техники,
техническое обеспечение.
Сметанников Николай Павлович, 1940 г.р., окончил Московский авиационный технологический
институт (1967), кандидат технических наук, старший научный сотрудник 4 отдела научноисследовательского ВУНЦ ВВС «ВВА», автор более 60 научных работ, область научных интересов –
эксплуатация и восстановление вооружения и военной техники, техническое обеспечение.
Тофоров Максим Сергеевич, 1980 г.р., окончил ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского (2002),
кандидат технических наук, начальник лаборатории 4 отдела научно-исследовательского ВУНЦ ВВС
«ВВА», автор 29 научных работ, область научных интересов – эксплуатация и восстановление
вооружения и военной техники, техническое обеспечение.
2012
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА
№ 183
УДК 629.067
ПРОБЛЕМЫ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ СТОЛКНОВЕНИЯ
ГРАЖДАНСКИХ ВОЗДУШНЫХ СУДОВ В УПРАВЛЯЕМОМ ПОЛЁТЕ
В.В. ВОРОБЬЕВ, Е.В. МОЗОЛЯКО
По заказу редакционной коллегии
В данной статье рассматриваются проблемы предотвращения столкновений ВС в управляемом полёте, а
также пути предотвращения столкновений самолётов.
Ключевые слова: предотвращение столкновений, управляемый полет.
1. Введение
К безопасности полётов гражданских воздушных судов и эффективности решения задач,
связанных с её обеспечением в современной авиации, предъявляются чрезвычайно жёсткие
требования. В определённой степени возможности экипажа в решении поставленных задач
обеспечения безопасности ограничены. Человек в контуре управления способен допускать
ошибки, последствия которых могут быть весьма серьёзными. Вместе с тем, полный переход к
беспилотной авиации в настоящее время не только невозможен, но и нецелесообразен в силу
того, что такие достоинства человека, как способность к интуитивным решениям в сложных
заранее непредвиденных ситуациях ещё долгое время не смогут быть в приемлемой степени
заменены автоматическими системами.
Однако решение сложных задач в критической ситуации может быть полностью
переложено на средства автоматического управления, учитывая состав бортового комплекса и
исправность систем в его структуре, этапы полёта, степень опасности траекторного
маневрирования, функциональное состояние лётчика.
Приоритетной задачей обеспечения безопасности полётов является предотвращение
столкновений гражданских самолётов в воздухе при большой плотности движения.
Современные воздушные трассы требуют большой точности самолётовождения, оказывают
колоссальную эмоциональную и физическую нагрузку на экипаж в случае возникновения
экстренной ситуации. Современные системы, применяющиеся для этой задачи, в зависимости
от степени опасности угрозы столкновения с другим воздушным судном, предусматривают
уровень предупреждения и уровень предотвращения столкновения в виде звуковых и
визуальных команд для директорного управления. Автоматический увод самолёта с опасной
траектории движения позволит избежать столкновения самолётов и предотвратить
катастрофическую ситуацию.
2. Анализ авиационных происшествий по причине столкновения ВС
В 2010 году с гражданскими воздушными судами коммерческой авиации Российской
Федерации произошло 12 авиационных происшествий, в том числе 5 катастроф с гибелью 25
человек. Общее количество авиационных происшествий в коммерческой гражданской авиации
и в авиации общего назначения в 2010 году, по сравнению с 2009 годом, при существенном
росте перевозок за год, не увеличилось. Показатели безопасности полетов указывают на то, что
в последние 10 лет в гражданской авиации сохраняется тенденция повышения безопасности
полетов. Вместе с тем, нестабильность показателей по числу погибших в отдельные годы
указывает на существующие проблемы в этой сфере.
Основные причины повышения частоты авиакатастроф известны:
110
В.В. Воробьев, Е.В. Мозоляко
- высокая интенсивность воздушного движения, т.е. большая загруженность воздушного
пространства самолетами и вертолетами различных классов от больших авиалайнеров до
маломестных летательных аппаратов;
- нахождение в воздушном пространстве самолётов, оборудованных различными, а иногда
и устаревшими системами самолётовождения.
- износ наземной и бортовой радиоэлектронной аппаратуры.
В настоящее время безопасность полетов обеспечивается системой управления воздушным
движением (УВД), физический и моральный износ которой составляет 60–70%. Без принятия
кардинальных мер (таких как присутствие на борту автономных систем предотвращения
столкновений) это может привести в ближайшие 5–10 лет к еще большому росту вероятности
авиакатастроф по причинам, связанным с ошибками персонала служб УВД и экипажей или
неблагоприятных погодных условий; столкновений летательных аппаратов друг с другом в
воздухе, а также с летательными аппаратами и транспортными средствами, находящимися на
взлетно-посадочной полосе.
Однако даже наличие современных средств предотвращения столкновений не может
обеспечить заданный уровень безопасности полёта. За последние десять лет произошли десятки
случаев опасного сближения самолётов. Наиболее известной стала катастрофа, произошедшая
над «Боденским озером» 1 июля 2002 года, когда самолёт Ту – 154 М, выполнявший рейс 2937
«Башкирских авиалиний», столкнулся в воздухе с Боингом-757, рейс DHL 611. Расследованием
катастрофы занималась комиссия, созданная немецким Федеральным ведомством по
расследованию авиационных катастроф (BFU). Итоговый отчёт был опубликован в мае
2004 года. Комиссия назвала две непосредственные причины столкновения:
- авиадиспетчер не смог обеспечить безопасное эшелонирование между самолётами;
- инструкция снижаться была передана экипажу Ту-154 слишком поздно;
- экипаж Ту-154 продолжил снижение вопреки рекомендации TCAS набирать высоту.
Эта трагедия доказывает необходимость усовершенствования и разработки новых путей
предотвращения столкновений.
3. Технические средства предотвращения столкновений
Существует несколько версий системы предотвращения столкновений (СПС) TCAS,
которые используются в настоящее время на воздушных судах как отечественной, так и
зарубежной гражданской авиации.
Пассивный. Используют лишь ответы самолетных транспондеров, отвечающих на запросы с
земли или с других систем самолета.
TCAS I. Первое поколение TCAS. Анализируют ситуацию в радиусе около 40 миль вокруг
самолета. Предоставляют приблизительную информацию о направлениях полета и высотах
других самолетов. Могут выдавать предупреждение "Traffic Advisory".
TCAS II. Текущее поколение TCAS используется на большинстве коммерческих самолетов.
В дополнение к информации, выдаваемой TCAS I, эти системы дают пилоту прямые указания о
действиях, необходимых, чтобы избежать столкновения. Указания называются "Resolution
Advisory" и подаются в виде голосовых сообщений "descend, descend", "climb, climb", "Adjust
Vertical Speed Adjust" (более новый вариант последнего сообщения "Level off"). Также могут
выдаваться сообщения "preventive Resolution Advisory", не дающие чёткого указания к
действию, но лишь предупреждающие о необходимости следить за вертикальной скоростью:
"monitor vertical speed" и "maintain vertical speed".
Системы TCAS II разных самолетов согласовывают решение перед тем, как выдадут
указание пилотам, т.е. если система одного самолета даст указание снижаться, то система
другого самолета, скорее всего, даст указание увеличить высоту.
Проблемы предотвращения столкновения гражданских воздушных судов в управляемом полёте
111
После катастрофы над Боденским озером 1 июля 2002 была разработана версия 7.1, которая
также может изменять рекомендации, в случае, если один из самолетов не выполнил
требования TCAS.
TCAS III. Разрабатываемое следующее поколение TCAS. Дополнено горизонтальными
маневрами.
Система TCAS 2000 непрерывно наблюдает за воздушным пространством вокруг самолета
и следит за сигналами ответчиков других самолетов. Путем отслеживания этих ответов
составляется прогноз траектории полета каждого обнаруженного самолета, основанный на
данных отслеживания. При дополнительной установке и использовании прибора сигнализации
тревоги по высоте или другого устройства, подающего входной сигнал по высоте (ARINC 429),
движение оборудованного самолета координируется с большей точностью с целью избежать
потенциальной конфликтной ситуации. При расчете скорости сближения и времени полета до
точки наибольшего сближения система основывается на зависимостях аналитической геометрии.
Если конфликтующий самолет входит в зону предупреждения, то система TCAS 2000
выдает рекомендацию по устранению конфликтной ситуации (RA), которая может быть либо
корректирующей, либо превентивной. Отображаемая на дисплее рекомендация (рис. 1) либо
изменяется на рекомендацию по переходу в набор или снижение с указанием рекомендуемой
вертикальной скорости, либо изменяется на предостережение экипажа о том, чтобы не изменять
текущую вертикальную скорость.
Рис. 1
Системы TCAS 2000 могут быть установлены на самолетах в различной конфигурации.
Конфигурации варьируются в зависимости от количества вычислительных блоков TCAS,
количества ответчиков режима-S, а также количества и типов антенн. Система TCAS 2000
включает в себя, по меньшей мере, один, или обычно два, ответчика режима-S, который
установлен в приборном отсеке для электронной аппаратуры.
112
В.В. Воробьев, Е.В. Мозоляко
Этот ответчик отвечает на запросы, поступающие в режиме-А, режиме-С и режиме-S от
радиолокационных систем службы управления воздушным движением, а также от других
самолетов, оборудованных системой TCAS. Схема взаимодействия системы изображена на рис. 2.
Рис. 2
Каждый самолет, оснащенный ответчиком режима-S, имеет свой собственный уникальный
адрес, который позволяет ему напрямую обмениваться данными с совместимыми системами.
Этот адрес присваивает конкретному самолету ИКАО (Международная организация
гражданской авиации).
4. Формализованное описание алгоритма предотвращения столкновения самолётов
Для того, чтобы исключить роль человеческого фактора на борту самолета, желательно
иметь СПС, алгоритм работы, которой в автоматическом режиме мог бы парировать
сложившуюся опасную ситуацию, связанную с опасным сближением самолетов. В общем виде
алгоритм работы такой СПС заключается в получении сигналов от бортовых систем о
положении самолёта относительно и других объектов в близлежащем пространстве, расчёте
момента времени, при котором доверенные СПС управляющие сигналы позволяют уйти от
столкновения, построении траектории увода.
Другими словами, в определённый момент времени, когда два самолёта находятся на
опасном расстоянии друг от друга, при условии бездействия экипажа, СПС должна автоматически уводить самолёт с опасной траектории.
В результате разрабатываемая модель должна ограничивать деятельность лётчика по управлению ЛА, а также степень его участия в управлении, т.е. последовательно ручное управление ЛА,
автоматизированное, автоматическое управление и, наконец, временное выключение пилота из
контура управления. Далее следует этап вывода самолёта из опасной зоны с помощью
алгоритма увода.
5. Вывод
Существующие средства TCAS полностью удовлетворяют заданным требованиям к
безопасности самолётовождения, однако не исключают возможность возникновения опасной
Проблемы предотвращения столкновения гражданских воздушных судов в управляемом полёте
113
ситуации в случае неправильных действий или бездействии экипажа. Необходима система,
которая во взаимодействии с существующими средствами предотвращения столкновений, могла
автоматически предупреждать возникновение особой ситуации без участия пилота в контуре
управления.
Применение данной системы позволит существенно повысить безопасность полёта при
угрозе столкновения самолётов в управляемом полёте.
ЛИТЕРАТУРА
1. Анодина Т.Г., Кузнецов А.А., Маркович Е.Д. Автоматизация управления воздушным движением. – М.:
Транспорт, 1992.
2. Кумков С.И. Конфликтные ситуации в пространстве, маневр по вертикали. НИТА №39/2001 ИММ УрО
РАН, Екатеринбург, 2002.
3. Кумков С.И. Алгоритмы разрешения конфликтной ситуации. Отчёт о научно – исследовательской работе
НИТА №39/2001 ИММ УрО РАН, Екатеринбург 2002.
4. Beylin M. System approach to weapons production in unmanned aviation systems / Beylin M., Burkovsky S. //
Management systems, navigation and communication. – 2008. – № 6(2). – Pp. 60 – 61.
PROBLEMS PREVENTING CONFLICTS IN CIVIL AIRCRAFT CONTROLLED FLIGHT
Vorobyev V.V., Mozolyaco E.V.
This article discusses the problem of collision avoidance aircraft in controlled flight, as well as ways to prevent the
collision of aircraft.
Key words: prevention of collisions, controlled flight.
Сведения об авторах
Воробьев Вадим Вадимович, 1962 г.р., окончил Харьковское ВВАИУ (1985), доктор технических
наук, профессор, заведующий кафедрой безопасности полетов и жизнедеятельности МГТУ ГА, автор
более 80 научных работ, область научных интересов – активное обеспечение безопасности полетов
воздушных судов.
Мозоляко Евгений Владимирович, 1987 г.р., окончил МГТУ ГА (2011), аспирант кафедры
безопасности полетов и жизнедеятельности МГТУ ГА, область научных интересов – активное
обеспечение безопасности полетов воздушных судов.
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА
2012
№ 183
УДК 629.7.063.6
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ
НАНОВОЛОКНИСТОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ СМЕСИ
ФТОРПОЛИМЕРОВ, ПОЛУЧЕННОГО МЕТОДОМ
ЭЛЕКТРОФОРМОВАНИЯ
М.А. СМУЛЬСКАЯ, Ю.Н. ФИЛАТОВ, И.Ю. ФИЛАТОВ
В статье изложена методика и результаты исследования материала на основе смеси фторполимеров Ф-42 и
СКФ-26, полученного методом электроформования.
Ключевые слова: фильтрация топлива, сепарация эмульсионной воды, нановолокна, электроформование.
В настоящее время в России существует серьезная проблема в обеспечении нужной тонкости очистки различных видов топлив. Реактивные топлива имеют самые жесткие требования к
чистоте, что обусловлено, прежде всего, обеспечением безопасности полетов. Самой частой
причиной отказа топливных систем самолетов является наличие избыточных количеств механических примесей и эмульсионной воды.
Создание фильтрующих композиционных материалов, которые совмещали бы тонкость
фильтрации мембранных фильтров при сохранении производительности на достаточно высоком уровне, является актуальной задачей для тонкой очистки топлив в авиационной и других
областях промышленности. Так как авиационное топливо является многокомпонентной агрессивной средой, содержащей смесь ароматических и олефатических углеводородов и тетрогидрофуран, метанол, этилцеллозольв, в качестве присадок [1], широкое использование таких
фильтрующих материалов возможно лишь при условии их высокой химической стойкости, которому отвечают фторполимеры [2]. При производстве фильтрующих бумаг их хемостойкость
обеспечивается пропитками из различных видов смол [3].
Технология электроформования волокнистых материалов открывает новые области использования фторполимеров: в качестве составляющей нетканого волокнистого фильтра для топлив.
Ранее материалы по этой технологии уже использовались для ультротонкой очистки жидкостей
[4, 5]. Благодаря выбору оптимальной системы полимеров, в качестве которых были предложены Ф-42 и СКФ-26, и растворителей был получен нановолокнистый материал, отвечающий
требованиям хемостойкости, высокой гидрофобности и эффективности фильтрации.
В настоящее время в странах СНГ фильтрация топлив производится в основном целлюлозными фильтровальными бумагами, тогда как за рубежом распространено применение стеклокартонов, содержащих субмикронные волокна, увеличивающие их эксплуатационные характеристики.
Целлюлозные бумаги обладают существенными недостатками, а именно ограниченным ресурсом: при взаимодействии на протяжении некоторого времени с эмульсионной водой и под
воздействием перепада давления поры материала раскрываются, и тонкость фильтрации не соответствует заявленной в паспорте, следовательно, падает и эффективность фильтрации. На
российском рынке примущественно используют продукцию производства Hollingsworth с указанным средним диаметром поры: целлюлозные фильтровальные бумаги марок HW942 (dп = 57 мкм),
HW424 (dп = 30 мкм), HW882 (dп = 21 мкм) и стеклокартоны HW1447 (dп = 5 мкм), HW1388
(dп = 15,5 мкм).
Для изучения процесса очистки топлива от механических примесей и свободной воды, исследования эксплуатационных характеристик материала на основе фторполимеров использовался стенд для испытаний фильтров СИФ-2.
Исследование эксплуатационных свойств …
115
Стенд позволяет испытывать различные модели фильтров и фильтров-водоотделителей,
используемых в топливных, гидравлических и масляных системах. При этом моделирование
объекта испытания осуществляется с учетом сохранения принципа подобия протекающих процессов водоотделения и очистки рабочей жидкости от мехпримесей, максимально приближенных к его реальным физическим процессам в полномасштабном объекте.
В качестве рабочей жидкости использовалось топливо для реактивных двигателей (ГОСТ
10227, ГОСТ 12308) с присадками, добавленными в количествах, установленных нормативной
документацией.
При проведении испытаний нетканого волокнистого материала на основе фторполимеров
на стенде СИФ-2 ставились задачи: снятие его гидравлических характеристик в загрязненном
топливе и сравнение их с характеристиками фильтрующих бумаг, оценка фильтрующей способности материала от механических примесей и эмульсионной воды; установление возможности конструирования коагулирующего и сепарирующего элементов из данного материала.
В процессе работы фильтрующего элемента при заданном расходе снимался перепад давления на нем через равные количества отфильтрованного топлива. В качестве искусственного
загрязнителя выступала кварцевая пыль (ГОСТ 8002-74).
При испытании коагулирующих и сепарирующих свойств материала последовательность
действий была подобна, однако вместо навески пыли готовилась эмульсия воды. Наличие свободной воды в топливе, прошедшем коагулирующий и сепарирующий элементы определялось с
помощью индикатора качества топлива ИКТ с приспособлением ПОЗ-Т по изменению цвета за
счет реакции входящих в его состав желтой и красной кровяной соли с водой.
Чтобы установить основные эксплуатационные характеристики материала, требовалось
оценить дисперсность основных загрязнителей реактивного топлива и исследовать механизм
забивки модельных фильтров. Как отмечалось выше, загрязнителями авиационного топлива являются механические примеси различной природы и свободная (эмульсионная) вода. Механические примеси попадают в топливо обычно на этапе транспортировки и отгрузки с нефтеперерабатывающих заводов и имеют широкий разброс по размерам частиц. Так как фильтрующий
волокнистый материал на основе Ф-42/СКФ-26 предложен на роль мембранного фильтра и способен к высокой тонкости очистки, то следовало ориентироваться на размер частиц, которые
преодолевают использующиеся на практике фильтрующие элементы при прохождении через
них топлива. Размер этих частиц лежит в диапазоне менее 5 мкм. Капли эмульсионной воды
имеют размер 0,5 – 4 мкм.
Однако волокнистый материал должен быть механически прочен и не подвержен раскрытию поры при раздвижении волокон, в случае, если на него попадут крупные частицы механических примесей или возрастет перепад давления на фильтрующем элементе. Поэтому при испытаниях моделей фильтров из волокнистого материала в реактивное топливо добавлялся модельный загрязнитель – кварцевая пыль, образующая в топливе суспензию с распределением
частиц от 0,5 до 50 мкм.
Из различных фильтрующих бумаг марки Hollingsworth, нановолокнистого материала из Ф42/СКФ-26 и композиционного материала (бумага + нановолокнистый материал) делались модельные цилиндрические фильтры, через которые прокачивалось на СИФ-2 около 30 литров
загрязненного топлива с концентрацией загрязнителя 0,033 г/л. При этом снималась динамика
забивки фильтра – зависимость перепада давления на фильтрующем элементе от объема прошедшего через него топлива (рис. 1).
116
М.А .Смульская, Ю.Н. Филатов, И.Ю. Филатов
Рис. 1. Зависимость приведенного перепада давления для постоянной скорости фильтрации
1 см/с от объема прошедшего через фильтр топлива для модельных фильтров из бумаги,
нановолокнистого материала из Ф-42/СКФ-26 и композиционного материала
(бумага + нановолокнистый материал)
Из графика видно, что фильтроэлемент из бумаги HW882, имеющей самый малый средний
диаметр поры (dп = 21 мкм), достигает перепада давления в 1 атм. уже при прохождении через
него 5 литров топлива с заданной концентрацией загрязнителя. Зависимость растет экспоненциально, что является отрицательной характеристикой при эксплуатации фильтра, так как свидетельствует о скорой забивке пор. Для бумаг HW424 (dп = 30 мкм) и HW942 (dп = 57 мкм)
кривые легко делятся на два участка: начальный, который практически совпадает для той и
другой, и конечный, образующийся после перегиба. Чем больше угол этого перегиба, тем медленнее в последующем забивается фильтрующий элемент.
Кривая для нановолокнистого фильтрующего материала из Ф-42/СКФ-26 носит экспоненциальный характер, следовательно, можно судить о том, что на начальном этапе фильтроэлемент забивается интенсивно из-за меньшей по сравнению с бумагами поры (dп ~ 2 мкм), а затем
накапливает на поверхности осадок из частиц, значительно превышающих по размеру диаметр
его пор, который сам начинает работать предфильтром (явление автофильтрации). Это подтверждает тот факт, что хотя начальные участки данной кривой и кривых бумаг HW942 и
HW424 не совпадают, углы перегиба у них очень близки.
При использовании композиционного материала, состоящего из двух слоев (нановолокна +
бумага HW942), кривая ложится между кривыми соответствующей бумаги и нановолокон, но
намного ближе к первой. Сравнивая кривые забивки нановолокнистого материала, используемого одиночно и с бумагой в качестве предфильтра, можно судить о роли грязеёмкости в динамике забивки. Перераспределение осадка по двум слоям с большей и меньшей порой позволяет
увеличить первый участок кривой и угол перегиба, что, следовательно, приводит к более медленному возрастанию перепада давления на фильтроэлементе.
Для качественного определения тонкости фильтрации различных фильтрующих материалов
(бумаг и волокнистых материалов) был собран модельный фильтр из 6 слоев, в котором последовательно были уложены бумаги HW930. HW424, HW882 и волокнистые материалы из
Исследование эксплуатационных свойств …
117
Ф-42/СКФ-26 с различным средним диаметром волокон: 450, 230 и 80 нм соответственно. Таким образом, о размерах частиц загрязнителя проходящих свободно через тот или иной фильтрующий материал стало возможным судить по тому, каков размер частиц, уловленных на следующих слоях. Благодаря оценке среднего оптического диаметра частиц загрязнителя по микрофотографиям было установлено, что бумага HW930 абсолютно задерживает частицы и агломераты частиц кварцевой пыли размером более 25 мкм, поскольку в осадке, отфильтрованном
бумагой HW424, частиц большего размера не обнаруживается. Бумага HW424 полностью отфильтровывает частицы размером более 16 мкм. Волокнистый материал со средним диаметром
волокон 450 нм практически не задержал частиц, что свидетельствует о том, что его фильтрующая способность близка к фильтрующей способности бумаги HW882, и задержание частиц
размером до 6 мкм, прошедших через HW882, осуществлялось исключительно самыми мелкими порами волокнистого материала. Полностью эти частицы садятся на следующий слой нановолокнистого материала с диаметром волокон 270 нм (рис. 2).
Рис. 2. Пятый слой – нановолокна Ф-42/СКФ-26 (80:20), dв=270 нм слева увеличение
Нановолокнистый материал из волокон с диаметром 80 нм способен задерживать частицы в
диапазоне от 0,5 мкм и выше (рис. 3), которые не уловили предыдущие фильтрующие материалы многослойного модельного фильтра.
Рис. 3. Шестой слой – нановолокна Ф-42/СКФ-26 (80:20), dв=80 нм слева увеличение х2500,
справа х5000, размер задержанных частиц 0,5 – 3 мкм
118
М.А .Смульская, Ю.Н. Филатов, И.Ю. Филатов
Для фильтрации загрязненного топлива в реальных системах очистки используется блок из
трех основных элементов – фильтрующего, коагулирующего и сепарирующего. Очищенное от
механических примесей топливо, содержащее эмульсионную воду, поступает на коагулирующий элемент, где капли воды укрупняются в 100-1000 раз. Наиболее крупные капли под действием силы тяжести падают на дно фильтрующей системы, тогда как более мелкие увлекаются
потоком и попадают на поверхность сепарирующего элемента и отделяются от топлива.
Кроме фильтрующего материала для очистки от механических примесей размером более
0,5 мкм были опробованы коагулирующий и сепарирующий элементы, состоящие из нановолокнистого материала из Ф-42 со средним диаметром волокон 80 нм на подложке из полипропиленового спанбонда. В сепарирующем элементе материал был уложен в один слой, так чтобы
коагулированные капли воды попадали на нановолокна. Коагулирующий элемент представлял
собой 12 слоев такого же нановолокнистого материала на подложке, обернутого одним слоем
иглопробивного материала из полиэфирных микроволокон.
После испытания на СИФ-2 был сделан вывод о том, что предложенные модельные коагулирующий и сепарирующий элементы выполняют свои функции, однако требуется оптимизация количества слоев (для коагулирующего элемента), массы ед. площади нановолокнистого
материала в каждом слое и пр.
В результате исследования эксплуатационных характеристик предложенного материала
можно сделать вывод о его преимуществах перед фильтровальными бумагами в таких показателях, как тонкость и эффективность фильтрации и сохранение ресурса фильтра. Волокнистый
материал из Ф-42/СКФ-26 с диаметром волокон 80 – 200 нм может быть использован для
фильтрации топлива от механических примесей размером 0,5 мкм и выше как с фильтровальной бумагой в качестве предфильтра, так и без предфильтрации. Проведенные исследования
выявили перспективу создания сепарирующего и коагулирующего материалов на основе нановолокнистого материала из Ф-42/СКФ-26 с диаметром волокон 80 – 200 нм.
ЛИТЕРАТУРА
1. Гусев А.А., Фукс И.Г., Лашхи В.Л. Химотология. – М.: Химия, 1986.
2. Паншин Ю.А., Малкевич С.Г., Дунаевская Ц.С. Фторопласты. – Л.: Химия, 1978.
3. Григорьев М.А. Очистка масла и топлива. – М.: Машиностроение, 1970.
4. А. с. СССР, № 980313. Способ получения фильтровального нетканого материала / Петрянов-Соколов И.В.;
Гойденко П.П.; Дружини Э.А.; Игнашева А.В.; Верниковский С.А.; Андарало М. - М., 1980.
5. А.с. СССР, № 1444995. Фильтрующий материал для очистки фосфорной кислоты / Володин В.Ф., Филатов
Ю.Н., Шепелев А.Д. - М.,1988.
6. Бродский Г.С. Фильтры и системы фильтрации для мобильных машин. – М.: Горная промышленность, 2003.
THE INVESTIGATION OF RUNNING SERVICE OF ELECTROSPUN NANOFIBROUS
MATERIALS OBTAINED FROM FLUROPOLYMER MIXTURES
Smulskaya M.A., Filatov Yu.N., Filatov I.Yu.
In the article sets out the methodology and results of the investigation of electrospun nanofibrous materials obtained
from fluropolymer mixtures.
Key words: electro spinning, nanofibrous, fuel filtration, separation of the emulsion water.
119
Исследование эксплуатационных свойств …
Сведения об авторах
Смульская Мария Анатольевна, окончила МИТХТ им. М.В. Ломоносова (2011), младший научный сотрудник ФГУП ГНЦ РФ НИФХИ им. Л.Я. Карпова, автор 4 научных работ, область научных интересов – фильтрация жидкостей, электроформование волокнистых материалов.
Филатов Юрий Николаевич, 1950 г.р., окончил МИТХТ им. М.В. Ломоносова (1973), доктор химических наук, профессор, заведующий лабораторией – руководитель научно-технического центра
ФГУП ГНЦ РФ НИФХИ им. Л.Я. Карпова, старший преподаватель МИТХТ им. М.В. Ломоносова, автор
более 120 научных работ, область научных интересов – электроформование волокнистых материалов,
разработка и исследование фильтрующих материалов для фильтрации газов и жидкостей.
Филатов Иван Юрьевич, 1983 г.р., окончил МИТХТ им. М.В. Ломоносова (2006), инженер химии
и технологии, научный сотрудник ФГУП ГНЦ РФ НИФХИ им. Л.Я. Карпова, автор 15 научных работ,
область научных интересов - электроформование волокнистых материалов, разработка и исследование
фильтрующих материалов для фильтрации газов и жидкостей.
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА
2012
№ 183
УДК 662.75
ОЦЕНКА СОВМЕСТИМОСТИ АВИАКЕРОСИНОВ
С МАТЕРИАЛАМИ ТОПЛИВНЫХ СИСТЕМ
ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
Н.А. КЛИМОВ, В.В. СУЗИКОВ, Н.М. ЛИХТЕРОВА
В статье рассмотрены методы оценки коррозионной активности авиакеросинов. Предложен новый метод,
лишенный недостатков существующих методов. Приведена принципиальная схема установки для реализации
предлагаемого метода, рассмотрены предварительные результаты исследования образцов термостабильных и
нетермостабильных топлив.
Ключевые слова: реактивные топлива, коррозионная активность.
Совместимость авиакеросинов с материалами топливных систем и двигателей является
одним из важнейших эксплуатационных свойств топлив. Это свойство неразрывно связано с его
термоокислительной стабильностью.
Известно, что некоторые металлы катализируют процесс деградации (окисления
компонентов) топлив. К ним относят медь и её сплавы, сплавы бериллия, свинец, вольфрам и
его сплавы, цинк, никель, серебро, титано-ванадиевые сплавы, отдельные марки сталей, в том
числе и нержавеющих. Присутствие вышеуказанных металлов способствует накоплению в
топливе коррозионно-активных веществ и повышению скорости коррозии элементов топливной
системы. Коррозионно-активные компоненты топлив взаимодействуют со сплавами и
металлами, из которых изготовлены детали топливной аппаратуры: ротор и шток сервопоршня
топливного насоса, беговая дорожка внутреннего кольца, пальцы корпуса комбинированного
подшипника и другие его детали, контактирующие с топливом. Известны случаи поломки
топливного насоса из-за коррозии и заедания плунжеров.
В стандартах на авиационные топлива коррозионная активность оценивается в основном по
косвенным показателям: по содержанию серы, испытания на медной пластинке и др. В
квалификационном методе по ГОСТ 18598 производится прямое определение коррозионной
активности по изменению массы металлических пластин после нахождения их в топливе.
Квалификационный метод ВНИИ НП (с медной фольгой в качестве образца металла) имеет
ограниченное применение в связи с отсутствием показателя «коррозия бронзы». Данные
методы имеют ряд недостатков: низкую точность; значительную длительность испытания и
недостаточную информативность вследствие дискретности измерения.
В связи с отмеченными недостатками вышеуказанных методов предложен метод оценки
коррозионной активности реактивных топлив, основанный на определении изменения толщины
слоя контрольного металла (сплава) в процессе воздействия на него нагретого до заданной
температуры топлива путем измерения электрического сопротивления этого слоя.
Такой способ позволяет получать кинетические зависимости процесса развития
коррозионного воздействия в среде реактивного топлива.
Метод реализован в виде лабораторного прибора с управлением от персонального
компьютера (рис. 1).
Информация о ходе испытания отображается на его экране и сохраняется в памяти. По
окончании испытания на специальной программе проводится обработка результатов с
определением значений выбранных показателей.
Оценка совместимости авиакеросинов с материалами …
121
Рис. 1. Лабораторный прибор для оценки коррозионной
активности реактивных топлив при повышенных температурах:
1 – твердотельный термостат; 2 – датчик температуры; 3 – реакционная емкость;
4 – блок измерения, управления и коммутации; 5 – персональный компьютер
Прибор (рис. 2) состоит из термостата с гнездом, в который помещена реакционная емкость
(бомба) со стеклянным стаканом, заполненным испытуемым топливом, и блока управления
режимом нагрева термостата и регистрации параметров испытания.
Рис. 2. Прибор для оценки коррозионной активности реактивных топлив:
1 - блок управления; 2 - датчик температуры; 3 - ртутный термометр;
4 - реакционная емкость; 5 - крышка реакционной емкости; 6 - ввод; 7 - стеклянный стакан;
8 - контрольный образец; 9 - приспособление для крепления образца; 10 - термостат
В крышке реакционной емкости закреплены электрически изолированные от нее два ввода,
имеющие в верхней части клеммы для присоединения электропроводов; между нижними
122
Н.А. Климов, В.В. Сузиков, Н.М. Лихтерова
концами вводов установлено приспособление для размещения контрольного образца
конструкционного материала.
Контрольный образец представляет собой пластинку из лабораторного стекла с нанесенным
на нее слоем металла (сплава). Металл или сплав наносится методом вакуумно-плазменного
напыления.
Результаты исследования с помощью разработанного метода выявили особенности
процессов коррозии металлов и окисления компонентов топлива. Установлено, что
сопротивление слоя сплава при термостатировании топлива в течении трёх часов в среде аргона
не меняется. В присутствии окислителя (растворённый кислород воздуха) для
нетермостабильных топлив типа ТС – 1 сопротивление образца сплава увеличивается в 20 – 30
раз. Это свидетельствует об интенсивном разрушении слоя сплава.
Для термостабильных топлив градиент сопротивления слоя сплава увеличивается в 5 - 10 раз.
Полученные предварительные данные хорошо коррелируют с теоретическими представлениями
о мицеллярной структуре реактивных топлив и её влиянии на термоокислительную стабильность.
ЛИТЕРАТУРА
1. Гуреев А.А. Квалификационные методы испытания нефтяных топлив. - М.: Химия, 1984.
2. Большаков Г.Ф. Гетероорганические соединения реактивных топлив. - Л.: Гостоптехиздат, 1962.
EVALUATION OF COMPATIBILITY JET FUELS
WITH MATERIALS OF AIRCRAFT FUEL SYSTEMS
Klimov N.A., Suzikov V.V., Likhterova N.M.
The article deals methods for assessing jet fuel corrosivity. Proposed a new method, devoid of drawbacks of existing
methods. Show the basic scheme for the proposed method, discussed preliminary results on the samples thermally stable
and thermally unstable fuels.
Key words: jet fuels, corrosivity.
Сведения об авторах
Климов Никита Александрович, 1988 г.р., окончил МИТХТ им. М.В. Ломоносова (2011),
младший научный сотрудник 162 лаборатории ФАУ «25 ГосНИИ химмотологии Минобороны России»,
автор 2 научных работ, область научных интересов – квалификационные испытания авиационных
топлив и масел.
Сузиков Владимир Викторович, 1963 г.р., окончил Харьковское ВВАИУ (1986), ВВИА им. проф.
Н.Е. Жуковского (1994), научный сотрудник 162 лаборатории ФАУ «25 ГосНИИ химмотологии
Минобороны России», автор 10 научных работ, область научных интересов – квалификационные
испытания авиа-ционных топлив и масел.
Лихтерова Наталья Михайловна, окончила МИНХ и ГП им. И.М. Губкина (1969), доктор
технических наук, доцент, профессор кафедры технологии нефтехимического синтеза и искусственного
жидкого топлива МИТХТ им. М.В. Ломоносова, автор более 80 научных работ, область научных
интересов – технология получения и химмотология моторных топлив, технология, свойства и
рациональное применение тяжелого нефтяного сырья, коллоидное строение нефти и нефтепродуктов.
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА
2012
№ 183
УДК 662.75:621.45
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ
МЕТОДОВ ОЦЕНКИ ПРОТИВОИЗНОСНЫХ СВОЙСТВ
РЕАКТИВНЫХ ТОПЛИВ
В.В. КОНДРАТЕНКО, В.В. СУЗИКОВ, Н.М. ЛИХТЕРОВА
В статье рассматриваются вопросы направления развития современных методов оценки противоизносных
свойств реактивных топлив.
Ключевые слова: реактивные топлива, противоизносные свойства, плунжерные и шестеренчатые насосы.
В топливных системах авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) для подачи топлива в
камеры сгорания и агрегаты системы управления широко применяются плунжерные и шестеренчатые насосы. Топливо служит для них, в том числе, смазывающей средой, и, таким образом, оказывает существенное влияние на скорость изнашивания пар трения насосов, их надежность и долговечность.
В парах трения как плунжерных, так и шестеренчатых насосов имеет место трение скольжения (в паре «плунжер-цилиндр») и сочетание трения скольжения и трения качения («плунжер-наклонная шайба», «плунжер-подпятник», зубья шестерен). Как правило, более чувствительны к качеству топлива плунжерные насосы вследствие высоких контактных нагрузок в паре
трения «плунжер-наклонная шайба». Причем, детали плунжерной пары изнашиваются в условиях трения качения с проскальзыванием практически на всех режимах работы насосоврегуляторов. Исключение составляет только режим нулевого угла установки наклонной шайбы,
когда качение в зоне контакта отсутствует. На скорость изнашивания деталей такой пары влияют не только нагрузка и свойства материалов, но и соотношение между скоростями скольжения
и качения, т.е. коэффициент скольжения. Скольжение в зоне контакта деталей обусловлено не
только смещением оси вращения наклонной шайбы относительно оси ротора (дезаксаж), но и
геометрическими размерами контактирующих тел (геометрическое скольжение). Скорости этих
двух независимых друг от друга и переменных по величине и направлению скольжений суммируются. Влияние коэффициента скольжения на скорость изнашивания плунжерной пары обуславливается изменением степени участия в процессах трения и изнашивания физических и химических свойств топлива.
Наиболее достоверными методами оценки противоизносных свойств топлив, хорошо коррелирующими с условиями эксплуатации, являются стенды с натурными агрегатами топливных
систем. В качестве примера можно привести стендовый метод ВНИИ НП для оценки противоизносных свойств топлив с насосом-регулятором НР - 21Ф2 двигателя Р11Ф - 300 самолета
МиГ - 21. В настоящее время указанный стенд не функционирует ввиду необходимости значительных материальных и временных затрат на проведение испытаний (например, для одного
цикла испытаний требуется около 120 т топлива и новый насос-регулятор).
Лабораторные методы оценки противоизносных свойств позволяют оперативно и с малым
количеством топлива оценить смазывающие свойства различных образцов топлив и эффективность противоизносных присадок к ним. Однако значительное разнообразие как отечественных,
так и зарубежных лабораторных методов свидетельствует о недостаточном соответствии условий трения и изнашивания их контрольных пар условиям трения и изнашивания плунжерных
пар насосов, вследствие чего результаты испытаний не всегда согласуются с результатами эксплуатации.
124
В.В. Кондратенко, В.В. Сузиков, Н.М. Лихтерова
В табл. 1 приведены основные характеристики отечественных и зарубежных лабораторных
методов оценки противоизносных свойств топлив для реактивных двигателей.
Метод BOCLE стандартизован (ASTM D 5001) и поэтому широко применяется для контроля смазывающей способности авиационных топлив. В процессе испытания неподвижный
стальной шар диаметром 0,5 дюйма прижимается к вращающемуся цилиндру, смазываемому
тонкой пленкой топлива при постоянных условиях нагрузки, скорости скольжения, температуры и влажности. Смазывающие свойства оцениваются по пятну износа на испытуемом шаре.
Достоинствами метода являются хорошие сходимость и воспроизводимость.
В методе Лукаса моделируются рабочие условия в аксиальном поршневом насосе, в котором не обеспечивается нормальная смазка. В процессе испытания стержень из алюминиевой
бронзы трется о диск из инструментальной стали. Испытание проводится при смазке в «режиме голодания». В течение испытательного цикла на вращающемся стальном диске образуется тонкая пленка топлива; к диску прижимается бронзовый стержень и производится замер
фрикционного усилия.
Количество оборотов диска, совершенное для получения заданного уровня фрикционного
усилия, называют «индекс останова» (dwell number). Следует отметить, что «индекс останова»
определяется, главным образом, испаряемостью топлива, и, например, если в топливо добавить
небольшую концентрацию высококипящих н-алканов – «индекс останова» повысится, но на
смазывающие свойства топлива это не окажет существенного влияния.
Метод TAFLE разработан в Торнтонском испытательном центре фирмы «Шелл». В испытании используются два образца, описанные в табл. 1. Верхний образец неподвижен, он устанавливается на нижний, который вращается с частотой 200 об/мин. (при скорости скольжения 0,52 м/с.), что обеспечивает реализацию условий линейного контакта зубьев шестерен
шестеренчатого насоса.
Образцы находятся в камере, через которую непрерывно пропускается топливо, что позволяет избежать протекания в нем процессов окисления. Метод заключается в воспроизведении серии возрастающих нагрузок в пределах от 1 до 200 кГс в течение 15 минут на каждую
ступень нагрузки, при которых измеряется коэффициент трения до тех пор, пока не будут достигнуты максимальный задир или максимально допустимая нагрузка.
При каждой новой ступени нагрузки верхний образец поворачивается на 5o. В конце испытания производится измерение пятна износа и строятся графики в виде зависимостей коэффициента трения и ширины пятна износа от нагрузки. Разрушительная фрикционная нагрузка,
определяемая как нагрузка, при которой коэффициент трения достигает значения 0,4, позволяет хорошо отличать одно топливо от другого.
Однако при добавлении присадок в топливо с низкими смазывающими свойствами увеличение максимальной нагрузки задира не всегда такое значительное, как можно было бы
ожидать. Ширина пятна износа позволяет отличать друг от друга малосернистые топлива с
низкими смазывающими свойствами, а также топлива с присадкой для повышения смазывающих свойств и без нее. Однако некоторые топлива с высокими смазывающими свойствами
тоже характеризуются большим износом верхнего цилиндра.
В методе ВНИИ НП агрегатоносителем является плунжерный насос-регулятор НР - 21Ф2, в
котором в плунжеры, движущиеся по наклонной шайбе, установлены шары. Испытуемое топливо прокачивается через полость контрольного узла трения на проток. Оценочным показателем метода является среднее арифметическое диаметров пятна износа трех контрольных шаров.
Прибор УПС - 01 является дальнейшим развитием хорошо зарекомендовавших себя стендов КИИГА и СИССТ - 1. В качестве пары трения применяется вращающийся плоский диск и
три шара, неподвижно закрепленные в оправке. Пара трения помещена в герметичную топливную камеру. В приборе имеется возможность изменять нагрузку на пару трения. Противоизносные свойства топлив характеризует обобщенный показатель, рассчитываемый по определенной
125
Современное состояние и перспективы развития …
формуле, в которой учитываются диаметр пятна износа шаров, определяемый при заданной нагрузке, и критическая нагрузка перехода к схватыванию.
Таблица 1
Удельная
нагрузка,
МПа
Скорость
скольжения,
м/с
Установка с
модифицированным
насосомрегулятором
НР-21Ф2
шар Ø12,7 мм наклонная шайба
К+С
0,28-0,36
2,40
[1]
Прибор
УПС-01
шар Ø25,4 мм плоский диск
С
830
1,18
[1]
Установка
ПСТ-2
шар Ø40,0 мм –
коническая шайба
К+С
500
0,34
[1]
Метод
BOCLE
шар Ø12,7 мм –
цилиндр Ø44,5
мм
С
565
0,5
[2]
Метод
Лукаса
штифт Ø1 мм –
диск Ø120 мм
С
0,82
0,4
[3]
Метод
TAFLE
цилиндры
Ø50,0 мм шириной 10 мм
С
43-612
0,52
[4]
Метод,
установка
(прибор)
•
Конструкция пары трения
Литературная ссылка
Вид трения
Форма пятна
износа
Основные характеристики лабораторных методов оценки
противоизносных свойств реактивных топлив
- К-трение качения, С-трение скольжения, К+С трение качения с проскальзыванием
Анализ корреляции результатов определения противоизносных свойств образцов реактивных топлив на установке с модифицированным насосом-регулятором НР - 21Ф2 и приборе
УПС - 01 с результатами испытаний этих топлив на серийном насосе-регуляторе свидетельствует о неравномерной чувствительности указанных методов при оценке топлив с разным уровнем противоизносных свойств.
Корреляционная зависимость результатов испытаний на установке ПСТ - 2 и серийном насосе-регуляторе линейная, что хорошо соотносится с высокой чувствительностью метода при
126
В.В. Кондратенко, В.В. Сузиков, Н.М. Лихтерова
испытании образцов топлив с низкими противоизносными свойствами (например, гидроочищенных керосиновых фракций). Метод позволяет дифференцировать топлива по уровню их
смазывающих свойств, а также оценивать как эффективность противоизносных присадок, так и
их оптимальную концентрацию в топливе.
Пара трения в установке ПСТ - 2 (разработанной в 25 ГосНИИ МО РФ) следующая: плунжер (или шар), закрепленный в оправке и вращающаяся коническая шайба. Отличительной
особенностью этой пары трения является возможность вращения оправки относительно своей
оси, расположенной перпендикулярно оси вращения конической шайбы. В установке предусмотрено периодическое притормаживание оправки, обеспечивающее изменение соотношения
между скольжением и качением в зоне контакта деталей пары трения аналогично тому, как это
имеет место в зоне контакта плунжера и наклонной шайбы (или подпятника) насоса-регулятора при смене режимов его работы. Показатель противоизносных свойств в методе (ПИ – показатель износа) определяется как отношение пятна износа плунжера (шара) на испытуемом
топливе к пятну износа на контрольном топливе. Основным недостатком метода является его
недостаточная повторяемость (сходимость) вследствие ряда конструктивных недостатков, связанных в основном со сложностью восстановления заданной геометрии плунжера и конической шайбы после испытания. Кроме того, не обеспечивается необходимая стабильность процесса притормаживания.
Анализ конструкции действующей установки ПСТ - 2 указывает на возможность устранения отмеченных недостатков и создания, таким образом, современного достоверного и надежного метода оценки противоизносных свойств реактивных топлив на базе основных идей, заложенных в конструкцию установки.
ЛИТЕРАТУРА
1. Гуреев А.А. Квалификационные методы испытаний нефтяных топлив / А.А.Гуреев, Е.П.Серегин, В.С.
Азев. - М.: Химия, 1984. - С.154-165.
2. Askwith, T. C. Lubricity of Aviation Turbine Fuels. Second report of the work and findings of the MOD (PE) Fuel
Lubricity Panel, [Ref]: T. C Askwith,. P. J. Hardy, R. A Vere. AX/395/014, January 1976.
3. Hadley, J. W. An appraisal of the ball-on-cylinder technique for measuring aviation turbine fuel lubricity. Shell
Research Ltd., Thornton Research Centre, P.O. Box 1. J. W Hadley, P. Blackhurst., Chester CHI 3SH Paper presented at
the STLE Annual Meeting, May 1990, Denver, Colorado, USA.
4. Hadley, J. W. A method for the evaluation of the boundary lubricating properties of aviation turbine fuels. J. W
Hadley. Paper published in Wear Vol. 101, No.3, pp. 219-253 (1985).
CURRENT STATE AND PROSPECTS DEVELOPMENT OF METHODS
FOR EVALUATION LUBRICITY OF JET FUELS
Kondratenko V.V., Suzikov V.V., Likhterova N.M.
In clause the questions of development of modern methods for evaluate lubricity of jet fuels.
Key words: jet fuel, anti-wear properties, lubricating, piston and gear pamps.
Сведения об авторах
Кондратенко Валерий Викторович, 1977 г.р., окончил Ульяновское ВВТУ им. Б. Хмельницкого
(1994), ВАТТ им. А.В. Хрулева (2008), старший научный сотрудник 162 лаборатории ФАУ «25 ГосНИИ
химмотологии Минобороны России», автор 3 научных работ, область научных интересов – квалификационные испытания авиационных топлив и масел.
Современное состояние и перспективы развития …
127
Сузиков Владимир Викторович, 1963 г.р., окончил Харьковское ВВАИУ (1986), ВВИА им. проф.
Н.Е. Жуковского (1994), научный сотрудник 162 лаборатории ФАУ «25 ГосНИИ химмотологии Минобороны России», автор 10 научных работ, область научных интересов – квалификационные испытания
авиационных топлив и масел.
Лихтерова Наталья Михайловна, окончила МИНХ и ГП им. И.М. Губкина (1969), доктор технических наук, доцент, профессор кафедры технологии нефтехимического синтеза и искусственного жидкого топлива МИТХТ им. М.В. Ломоносова, автор более 80 научных работ, область научных интересов
– технология получения и химмотология моторных топлив, технология, свойства и рациональное применение тяжелого нефтяного сырья, коллоидное строение нефти и нефтепродуктов
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА
2012
№ 183
УДК 621.45 - 62-15:629.1.056
О РАЗВИТИИ ИССЛЕДОВАНИЙ В МГТУ ГА ПО РАЗРАБОТКЕ ОБЩЕЙ
ТЕОРИИ АВИАРЕМОНТНОГО ПРОИЗВОДСТВА
А.М. САВВИНА
Статья представлена доктором технических наук, профессором Макиным Ю.Н.
В статье рассмотрены вопросы исторического приоритета в разработке общей теории авиаремонтного производства.
Ключевые слова: общая теория, ремонт.
В статье [1] был обоснован исторический приоритет МГТУ ГА в осознании проблем авиаремонтного производства, не позволяющих эффективно решать задачи освоения ремонта новой
авиатехники, расширения номенклатуры восстанавливаемых деталей, внедрения новых прогрессивных технологических процессов ремонта, повышения качества и эффективности ремонта. Указано несоответствие требований, предъявляемых к "Руководствам по капитальному ремонту" (РКР) ГОСТами, современным реалиям развития науки, техники и технологии. Показана ретроспектива (с 1980 по 1985 г.г.) решения проблемы в рамках научных исследований
МГТУ ГА по созданию автоматизированной системы управления проектированием технологических процессов ремонта (АСУ ПТР) деталей авиатехники как главнейшей концептуальной
части в разработке теоретических основ авиаремонтного производства. Исторический приоритет подтвержден 27-ю пионерскими публикациями научных сотрудников МИИ ГА – МГТУ ГА.
Как известно, базой любой автоматизированной системы является ее аналитический аппарат. Для АСУ ПТР это блок математических моделей технологических процессов восстановления утраченных в процессе эксплуатации показателей качества. В работе [2] была показана бессмысленность усилий по совершенствованию действовавшей в тот период “Комплексной системы управления качеством ремонта АТ” (КСУКРАТ) при “неоптимальности” самих РКР.
Вопросы математического моделирования технологических процессов наиболее полно исследованы в работах профессора В.П.Фролова.
Таким образом, математическое моделирование технологических процессов стало объективно необходимым. Оно должно рассматриваться как одно из эффективных направлений в
обеспечении технологического превосходства.
Изделия с гарантированной долговечностью и надежностью можно изготовлять тогда, когда технологический процесс исследован во всех его многочисленных внутренних связях. Экспериментальные методы исследования результативны, но трудоемки, сложны и связаны с
большими затратами средств и времени. Аналитические методы отличаются экономичностью и
быстродействием, поскольку основаны на использовании вычислительной техники, но для их
реализации требуется математическое моделирование реальных процессов, в том числе и процесса изготовления изделий.
Технологические процессы в совокупности можно представить как целостную систему.
Существенными ее характеристиками являются системные качества, состав, динамическая
структура и характер взаимодействия с внешними условиями.
Целостная система играет ведущую роль по отношению к своим частям, которые в то же
время обладают относительной самостоятельностью. Упорядочение системы есть не что иное,
как процесс управления системой. Конечная цель управления - обеспечение оптимального процесса производства.
О развитии исследований в МГТУ ГА по разработке общей теории …
129
Одним из наиболее эффективных средств познания системы и управления ею является моделирование, то есть воспроизведение той или иной сложной системы посредством более простой системы - модели. Моделирование основано на изоморфизме (структурном или функциональном сходстве) различных систем. Оно позволяет воспроизводить и изучать сложные системы в математических или физических моделях.
Меняя параметры модели, исследователь получает данные, аналогичные тем, которые имели бы место в действительности при изменении реальных условий. Таким образом, испытывается множество вариантов модели, каждый из которых представляет собой определенное сочетание факторов, и из этого множества выбирается вариант, оптимальный или близкий к оптимальному при заданных реальных условиях.
Характерная особенность математического моделирования состоит в том, что при изучении любого процесса таким методом необходимо в первую очередь построить математическое
описание или математическую модель изучаемого процесса. Наличие математического описания процесса - оригинала позволяет обоснованно выбрать соответствующий технологический
процесс.
Математическая модель реального процесса есть некоторый математический объект, соответствующий данному физическому процессу. Всегда существуют соотношения, которые в виде математических зависимостей выражают реальные физические связи.
Поэтому под математической моделью реального процесса следует понимать совокупность
соотношений (например, формул, уравнений, неравенств, логических условий, операторов и
других), которые связывают характеристики процесса с параметрами соответствующей системы, исходной информацией и начальными условиями.
В данном определении вовсе не предполагается, что математическая модель состоит только из соотношений, выражающих характеристики процесса в виде явных функций от параметров системы, времени, исходной информации и начальных условий. В общем случае этого может и не быть. Однако существенным свойством математической модели является то обстоятельство, что при совместном рассмотрении составляющих ее соотношений характеристики
процесса однозначно (для детерминированных моделей) определяются через параметры системы, исходную информацию и соответствующие начальные условия. Построение модели целостной системы, выбор характеристик ее состояний и параметров, описывающих процесс функционирования системы, является своеобразной и сложной задачей. Указать какие-либо правила
для выбора характеристик состояний и параметров исследуемых реальных систем пока не представляется возможным. Исследователь в этом отношении может руководствоваться лишь собственной интуицией, опирающейся на постановку прикладной задачи и понимание природы
процесса функционирования системы.
Современный уровень развития авиаремонтного производства требует системного подхода,
при котором все объекты и явления, связанные с восстановлением утраченной в процессе эксплуатации работоспособности изделия, рассматриваются в комплексе как производственная
система, в которой реализуется производственный процесс восстановления изделий. Составной
частью этого производственного процесса является, в полной аналогии с процессами производства изделий авиационной техники, технологический процесс, содержащий целенаправленные
действия по определению технического состояния и изменению состояния предмета труда.
Технологический процесс выполняется с помощью средств технологического оснащения, которые включают технологическое оборудование и технологическую оснастку. Важнейшей частью
производственной системы является технологическая система - совокупность функционально
взаимосвязанных элементов производственной системы предприятия, выполняющих в регламентированных условиях технологические процессы ремонта изделия. Основным структурным
элементом технологического процесса является технологическая операция - часть технологического процесса, выполняемая на одном рабочем месте. В состав технологической операции
входят переходы, установы, позиции. При формализованном описании производства, то есть
130
А.М. Саввина
отображении элементов производственного процесса в математической модели производственной системы, все структурные элементы технологического процесса описывают понятием
«технологический оператор», а все конструктивно-технологические свойства изделия и свойства производственной системы - понятием «контур» .
Проектирование оптимальных технологических процессов ремонта изделий авиационной
техники требует трудоемких вычислений. Автоматизация технологического проектирования
способствует повышению качества ремонта. Необходимой предпосылкой автоматизации является всестороннее исследование закономерностей и факторов, влияющих на полноту восстановления изделия. Эти факторы разнообразны и по своей природе, и по типам отношений между ними. При автоматизированном проектировании все это разнообразие факторов и отношений необходимо описывать с помощью математических моделей. В этом случае невозможно
обойтись только методами алгебры, аналитической геометрии, математического анализа. Необходимо использовать и теорию множеств, теорию графов, математическую логику и другие
методы, относящиеся к метаматематике.
Совершенствование проектирования процессов восстановления органически взаимосвязано
с совершенствованием всей производственной системы предприятия. Разработка оптимальных
проектных решений в ходе технологической подготовки производства изделия возможна только при комплексном моделировании изделия, производственной системы и всех процессов ремонта на основе единой системы математического моделирования, обеспечивающей:
• разработку взаимосвязанных моделей разнородных объектов (изделий, технологических
процессов, оборудования, инструмента и т.п.);
• построение взаимосвязанных моделей объектов, соответствующих разному уровню знаний и различной полноте представления данных;
• прозрачность моделей, смысловую ясность и понятность всех данных, отношений и связей в моделях для пользователя системы;
• адаптацию математических моделей к различным видам вычислительной техники;
• адаптацию других методов моделирования, моделей и алгоритмов с целью включения их
в данную систему моделирования.
Указанным требованиям удовлетворяет иерархическая система математического моделирования объектов на различных уровнях абстрагирования. Проектирование с использованием типовых математических моделей является общепринятым методом технологического проектирования в САПР. В этой системе любой объект моделируют одинаковыми средствами на уровне
теоретико-множественных (методами теории множеств и теории графов), логических (методами математической логики) и количественных свойств и отношений.
Теоретико-множественный и логический уровни моделирования объектов удобны для автоматизации решения задач структурного проектирования, когда определяют состав и взаимосвязь элементов проектируемого технологического процесса, а количественный уровень моделирования используют при решении задач, связанных с расчетом механических, точностных,
технико-экономических и других характеристик и параметров процесса восстановления.
Математическое моделирование производства отражает закономерности и связи между
свойствами изделия и производственной системы с помощью математических отношений. Производственную систему рассматривают как систему средств технологического оснащения,
включающую оборудование, инструмент, оснастку и другие элементы, и как систему технологических операторов, отображающих процессы производства. Технологический оператор характеризует часть технологического процесса, при реализации которой объект производства
приобретает какие-либо заданные свойства. Состав операторов есть часть множества операторов всей производственной системы. Средства технологического оснащения образуют множество полного состава элементов производственной системы.
О развитии исследований в МГТУ ГА по разработке общей теории …
131
Для моделирования процесса восстановления изделия используют модель, отображающую
взаимосвязь изделия и производственной системы. Процесс ремонта изделия моделируют как
процесс его изменения под воздействием производственной системы. Изменения объекта могут
затрагивать любые его свойства и отношения. На теоретико-множественном уровне описывают
изменения состава элементов и контуров (включение, исключение, замена) или изменение состава отношений и связей между ними. На логическом уровне описывают изменение состава
логических величин и отношений, а на количественном - изменение состава количественных
величин и их значений, а также количественных отношений.
Указанные выше положения, достаточно сформировавшиеся для решения проблем производства летательных аппаратов и авиационных двигателей, находятся в стадии развития для
нужд авиаремонтного производства, хотя начало этих работ относится к 1982 - 1986 гг.
Вопросы моделирования технологических свойств деталей авиационной техники в автоматизированной системе проектирования технологических процессов ремонта отражают положения, показывающие своеобразие технологических процессов восстановления авиационной техники, которые не позволяют использовать основной принцип автоматизированного проектирования процессов производства изделий – метод аналогий.
Многономенклатурность авиаремонтого производства, связанная с разнообразием конструктивного исполнения агрегатов, узлов и деталей авиационной техники, а также с широким
диапазоном физико-химических свойств конструкционных материалов, требует использования
технологических процессов, различных по физической сущности. Однако существуют объективные факторы, которые придают широкомасштабному ремонтному производству свойства
производства единичного, затрудняя выбор конкретных технологических процессов.
При серийном производстве в пределах установленных допусков обеспечивается однозначное соответствие параметров заготовок и деталей, что гарантирует возможность разработки
единой технологии изготовления каждого наименования продукции и описания заготовок и деталей детерминированными моделями.
Заготовками при ремонте являются детали, подвергшиеся случайному воздействию повреждающих факторов, которые могут быть представлены только стохастическими моделями.
Следовательно, разработка единой технологии противоречит изменчивости соотношений между параметрами детали до и после восстановления, не позволяя организовать в полной мере рациональный процесс ремонта.
В рамках автоматизированной системы проектирования технологии ремонта совокупность
процессов восстановления должна выбираться в зависимости от характера и степени нарушения
параметров деталей, а также с учетом работ, выполненных при предшествующих ремонтах. В
связи с возможностью альтернатив, переменной загрузкой оборудования автоматизация проектирования должна стать неотъемлемой частью системы оперативного управления производством.
Для разработки технологии ремонта необходимо содержательное описание свойств технологических процессов и деталей. Например, только на основе характеристик процессов можно
определить, обеспечивается ли при известном уровне изношенности восстановление геометрических параметров лопатки компрессора путем плазменного напыления или необходима приварка пластины вместо удаленного участка пера лопатки. Однако круг вопросов, связанных с
созданием таких автоматизированных систем, не ограничивается описанием процессов. В целях
идентификации их характеристик и конструктивно-технологических особенностей деталей объект ремонта следует представить как упорядоченную структуру, каждый элемент которой обладает множеством свойств, имеющих предел значимости для выбора технологии восстановления.
Разделяя (условно) пришедшие в ремонт детали как заготовки и на восстановленные изделия, можно представить их значимые для функционирования свойства соответствующими
множествами, например, набором единичных показателей качества детали. Указанные свойства
всегда можно свести к конечной совокупности. Перечень параметров, определяющих эти свой-
132
А.М. Саввина
ства для изделия конкретного наименования, не изменяется, различны только их количественные уровни. Следовательно, мощности множеств равны.
Пусть существует некоторый процесс, который обеспечивает восстановление свойств. Тогда формально будет существовать отображение исходного множества в конечное. В силу равномощности множеств между ними существует взаимно однозначное соответствие. Каждый
элемент является образом при отображении некоторого и притом единственного элемента.
Физическое содержание отображения соответствует виду и характеристикам технологического процесса, который изменяет свойства восстанавливаемой детали до заданного уровня.
Если же ни один процесс не обеспечивает возможности восстановления детали и необходима ее
замена, отображение отсутствует. Вид отображения объективно выбирается на основе несоответствия между параметрами, характеризующими учитываемые в множествах одноименные
свойства и определяемыми соответственно по техническим условиям на восстановленную деталь по результатам дефектации.
Разработка технологии восстановления детали до уровня, соответствующего техническим условиям, должна предусматривать выбор наиболее аффективных процессов и их рациональной последовательности. Для этого весь процесс ремонта детали следует представить как совокупность
технологических процессов, каждый из которых воздействует на отдельные свойства детали.
Рассмотрим, как пример, ремонт бандажной полки лопатки компрессора двигателя, который сводится к восстановлению ее размеров, утраченных вследствие истирания при контакте с
полкой соседней лопатки. С учетом конструктивных особенностей и прочностных характеристик лопатки для этой цели применимы только теплофизические процессы: напайка пластины на торец полки; наплавка материала; детонационное напыление материала и другие.
Условия нагружения полки устанавливают ограничение на предельное увеличение ее длины с помощью каждого конкретного метода. Жесткие ограничения при этом имеют пайка и детонационное напыление, так как существуют поверхности, по которым возможен сдвиг или
скол при увеличении длины восстановленного участка сверх допустимого значения. Полки,
восстановленные с помощью плазменного напыления, не имеют этого недостатка.
Объем ремонта полки определяется ее износом, который характеризует степень несоответствия размеров, относящихся к основным совокупностям свойств, и по условию, что максимальный износ Lβ max ≥ Ln возможной величины восстановления, можно установить методы,
непригодные для ремонта полки в каждом конкретном случае.
Введение в множество физических свойств, зависящих от температуры, при которой должна обеспечиваться работоспособность лопатки, является дополнительным ограничением, определяющим выбор припоя и возможность напайки пластин на полки лопаток различных ступеней компрессора в зависимости от распределения рабочих температур.
Окончательный выбор процесса как фактора оперативного управления авиаремонтным
производством можно делать с учетом стоимости конкретного ремонта текущей программы
выпуска продукции и занятости соответствующих видов оборудования.
Ремонт обеспечивает последовательное восстановление отдельных свойств деталей, и каждый технологический процесс восстанавливает конкретный перечень свойств. Принятый перечень свойств деталей, а также полнота учета факторов, значимых при определении их количественных характеристик, должны быть достаточными для выявления ограничений, жестко регламентирующих выполнение отдельных этапов технологического процесса. Примером служит
выбор режимов хромирования, которые определяют степень наводораживания материала детали и соответственно изменение его механических характеристик. Это также позволит определять необходимость в дополнительных процессах, устраняющих побочные последствия основного технологического процесса. Для хромирования таким процессом является термическая обработка в соответствующем режиме.
В случаях, подобных указанному, отображение следует рассматривать в виде композиции
нескольких отображений, соответствующих основному технологическому процессу, восстанав-
133
О развитии исследований в МГТУ ГА по разработке общей теории …
ливающему определенные свойства детали, и дополнительных, устраняющих его влияние на
другие свойства. Аналогично можно рассматривать многоступенчатые процессы, состоящие из
разнородных технологических воздействий на деталь.
Предлагаемый подход к описанию структуры технологических свойств деталей авиационной техники позволяет достаточно строго определять требования к зависимостям, разрабатываемым для описания в составе автоматизированных систем проектирования технологических
процессов восстановления. При этом обеспечивается возможность объединения в единый процесс разнородных технологических процессов, основанных на различных принципах их осуществления.
Таким образом, разрешение актуальной проблемы активизации процессов проектирования
технологических процессов ремонта авиационной техники путем перехода от экспериментальных исследований к возможно более широкому модельному эксперименту как основа создания
технологически эффективного предприятия связано с постановкой и решением ранее не исследованных задач:
- выработка общеметодологического принципа проектирования технологии ремонта на базе
системного подхода и кибернетических методов;
- создание математической модели процесса проектирования технологических процессов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Макин Ю.Н. Об историческом приоритете МГТУ ГА в разработке общей теории авиаремонтного производства // Научный Вестник МГТУ ГА, серия История, философия, социология. - 2008. - № 129. - С. 30 - 36.
2. Макин Ю.Н., Ширяев В.П. Методологические аспекты управления качеством ремонта на заводах ГА //
Инженерные методы обеспечения безопасности полетов при ремонте авиационной техники ГА: межвуз. сб. науч.
тр. - М.: МИИГА, 1988. - С. 35-40.
ABOUT A HISTORICAL PRIORITY OF MSTUCA OF HECTARES IN DEVELOPMENT
OF THE GENERAL THEORY OF AIRCRAFT-REPAIR MANUFACTURE
Savvina A.M.
In clause questions of a historical priority in development of the general theory of aircraft-repair manufacture are
considered.
Key words: the general theory, repair.
Сведения об авторах
Саввина Анна Михайловна, окончила МГТУ ГА (2011), аспирантка МГТУ ГА, автор 3 научных
работ, область научных интересов - общая теория авиаремонтного производства, моделирование технологических и производственных процессов ремонта авиационной техники.
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА
2012
№ 183
УДК 629.735
ПРОБЛЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ АВИАЦИОННОЙ ОТРАСЛИ
В ЕВРОПЕЙСКУЮ СИСТЕМУ ТОРГОВЛИ РАЗРЕШЕНИЯМИ
НА ВЫБРОСЫ ПАРНИКОВЫХ ГАЗОВ
О.Г. ФЕОКТИСТОВА
В статье приводится анализ европейской системы торговли разрешениями на выбросы парниковых газов. Предлагаются меры по решению проблем, связанных с полетами над Европой.
Ключевые слова: парниковые газы, квоты.
Концентрации парниковых газов (углекислого газа, метана, оксидов азота) в течение ХХ
века возрастали и сейчас этот рост продолжается со все большей скоростью. Концентрации СО2
возросли с 280 ppm частей на миллион в 1750 г. до 370 ppm. Возможно, что в 2100 г. концентрация данного вещества будет находиться в пределах от 540 до 970 ppm и в основном будет
зависеть от развития энергетики.
Парниковый эффект наблюдался на планете с образования атмосферы, но человечество
усилило этот эффект. Поступление СО2 является химическим толчком по климатической системе. Средняя температура на планете от этого изменяется несильно, меняются колебания
внутри системы.
Парниковые газы достаточно долго “живут” в атмосфере и хорошо там перемешиваются.
Парниковый эффект не зависит от места выброса СО2 или иного газа. Любой локальный выброс
оказывает глобальное действие.
В сводном докладе “Наш будущий климат” (ВМО, 2003) Всемирная метеорологическая организация как установленный факт признает само явление изменения климата и его в основном
антропогенные причины. Однозначно указывается на опасность для человечества грядущих изменений. Они хотя и краткосрочны в геологическом масштабе времени, но за время действия
данного эффекта многим экосистемам может быть нанесен урон, а человечеству придется понести огромные экономические и социальные затраты.
Основное достоверное исследование, проводимое по проблеме роли авиации в глобальном
изменении климата, было проведено Межправительственной группой экспертов по изменению
климата в рамках отчета «Авиация и глобальная атмосфера. Специальный доклад рабочих
групп I и III».
Воздушные суда выбрасывают газы и частицы непосредственно в верхние слои тропосферы
и нижние слои стратосферы, где они оказывают воздействие на состав атмосферы. Основными
компонентами авиационной эмиссии являются: «парниковые» газы, такие как окись углерода,
двуокись углерода, водяной пар (Н2О), а также оксиды азота (NOx), оксид серы (SО2) и сажа.
Доля авиации в общем объеме антропогенной эмиссии СО2 составляет около 2%.
Организация Объединенных Наций практически единогласно признает антропогенное
влияние на изменение климата, вызванное выбросами парниковых газов. В целях разрешения
этой проблемы в 1988 году Всемирная метеорологическая организация (ВМО) и Программа по
окружающей среде ООН (ЮНЕП) учредили Межправительственную группу экспертов по изменению климата (МГЭИК). В 1990 году МГЭИК выпустила свой первый оценочный доклад, в
котором подтвердила угрозу изменения климата и призвала к подготовке специального глобального соглашения по решению данной проблемы.
Проблемы включения авиационной отрасли в Европейскую систему …
135
В ответ на эти запросы, Генеральная Ассамблея ООН в декабре 1990 г. приняла резолюцию
45/212, на основании которой был образован специальный Межправительственный переговорный комитет (МПК) по данной проблеме.
В 1992 г. на пятой сессии МПК правительствами была принята Рамочная конвенция ООН
об изменении климата (РКИК).
В настоящее время Сторонами Конвенции являются более 190 стран, включая Россию, все
промышленно развитые страны, все страны с переходной экономикой, а также большинство
развивающихся стран.
Выбросы, связанные с бункерным топливом, проданным судам и самолетам, являющимся
международными транспортными средствами, не включаются в национальные выбросы. Фактически они исключены из системы ограничения выбросов из-за невозможности достичь консенсуса по вопросу принадлежности выбросов (порт отгрузки топлива, место регистрации судна и т.п.).
Подтверждение со стороны наличия серьезной угрозы для глобальной климатической системы было признано достаточным основанием для разработки Киотского протокола. Эти действия выполнялись, базируясь на положении Статьи 3.1 РКИК: “Там, где существует угроза серьезного или необратимого ущерба, недостаточная научная определенность не должна использоваться в качестве причины для отсрочки принятия таких мер, учитывая, что политика и меры,
направленные на борьбу с изменением климата, должны быть экономически эффективными для
обеспечения глобальных благ при наименьших возможных затратах”.
Отличие Киотского протокола от РКИК состоит в юридически обязывающем характере
принятых Сторонами обязательств по количественному ограничению или сокращению их национальных выбросов парниковых газов. Для России - это не превысить в 2008-2012 гг. уровня
выбросов базового 1990 г. Другие страны получили разрешение на различный уровень выбросов парниковых газов. Парниковые газы, регулируемые Киотским протоколом: диоксид углерода (СО2), метан (СН4), закись азота (N2O), гидрофторуглероды (ГФУ), перфторуглероды
(ПФУ), гексафторид серы (SF4).
Наиболее важными для нас являются следующие положения Киотского протокола:
Статья 2
1. Каждая Сторона, включенная в приложение при выполнении своих определенных количественных обязательств по ограничению и сокращению выбросов в соответствии со Статьей 3,
в целях поощрения устойчивого развития:
а) осуществляет и/или далее разрабатывает в соответствии со своими национальными условиями такие политику и меры, как:
б) меры по ограничению и/или сокращению выбросов парниковых газов не регулируемых
Монреальским протоколом, на транспорте.
2. Стороны, включенные в приложение I стремятся к ограничению или сокращению выбросов парниковых газов, не регулируемых Монреальским протоколом, в результате использования бункерного топлива при воздушных и морских перевозках, действуя соответственно через
Международную организацию гражданской авиации и Международную морскую организацию.
Статья 3
Стороны, включенные в Приложение I по отдельности или совместно обеспечивают, чтобы
их совокупные антропогенные выбросы парниковых газов, перечисленных в Приложении А, в
эквиваленте диоксида углерода не превышали установленных для них количеств, рассчитанных
во исполнение их определенных количественных обязательств по ограничению и сокращению
выбросов, зафиксированных в Приложении В и в соответствии с положениями настоящей статьи, в целях сокращения их общих выбросов таких газов по меньшей мере на пять процентов по
сравнению с уровнями 1990 г. в период действия обязательств с 2008 по 2012 гг.
В Европейском союзе с 2005 г. действует утвержденная директивой 2003/87/ЕС Европейская система торговли выбросами (ЕСТВ). Директива устанавливает обязательные квоты на
выбросы парниковых газов для 15 тыс. крупных предприятий, зарегистрированных в странах
136
О.Г. Феоктистова
ЕС, включая производителей тепла и энергии, нефтеперерабатывающие предприятия, металлургические и целлюлозно-бумажные комбинаты, на долю которых в совокупности приходится
45% выбросов СО2. Мелкие производители исключаются путем установления пороговых значений мощности (не менее 20 МВт). Согласно директиве, предприятия могут свободно продавать неиспользованные квоты и покупать недостающие у других предприятий в пределах ЕС, а
также накапливать такие квоты и переносить их на последующие периоды.
В ноябре 2008 г. принята директива 2008/101/ЕС Европейского Парламента и Совета, дополняющая директиву 2003/87/ЕС и предусматривающая включение деятельности авиации в
схему торговли квотами на эмиссию парниковых газов в пределах ЕС. ЕС решил включить деятельность авиакомпаний в схему торговли квотами на выбросы углекислого газа, схема будет
применяться для всех рейсов, выполняемых в(из) аэропорты Европы. Внедрение схемы начинается с августа 2009 г., торговля квотами - с 2012 г. По данной схеме в 2012 г. общее количество
разрешенных выбросов будет определено в 97% от предыдущих объемов выбросов 2004-2006 гг.,
в 2013 г. «потолок составит 95% объемов выбросов 2004-2006 гг. Исторический объем эмиссии
в рамках ЕС установлен на уровне 221 420 279 тонн СО2. В 2012 г. 85% квот будет распределяться на безвозмездной основе между эксплуатантами ВС, 15% — на основе аукционов.
Внутри ЕС существуют серьезные сомнения в мотивационной эффективности включения
авиации в общую систему торговли квотами по причине различных масштабов выбросов различных отраслей.
Решение ЕС опирается на три основных международных документа, ратифицированных
большинством стран мира:
1. Чикагская конвенция в Статьях 1, 6 и 15 закрепляет суверенитет воздушного пространства каждой страны и право государства определять условия пользования своим воздушным пространством на равных для всех авиакомпаний иных стран условиях.
2. РКИК и Киотский протокол определяют принцип экстерриториальности выбросов парниковых газов (в рамках глобального эффекта) и обязывают страны-участники экономически
воздействовать на все предприятия, действующие в их экономической зоне в целях достижения
заранее определенного количественного эффекта.
3. Рекомендации Киотского протокола о стремлении сторон действовать через ИКАО имеет
результатом очевидное многолетнее отсутствие прогресса в действиях ИКАО. Цели и меры,
декларируемые ИКАО, носят желательный, а не обязательный характер, что также противоречит принципам Киотского протокола. Следовательно, стороны имеют право пренебречь рекомендованной площадкой для достижения глобального консенсуса и действовать самостоятельно, на своей экономической территории.
В связи с распространением действия решения ЕС на все страны, осуществляющие полеты
в аэропорты ЕС, негативных политических последствий для России, к примеру, в виде ущерба
для имиджа, дискриминации, или иного нарушения прав, не отмечается.
Экономически пострадают прежде всего российские пассажиры, оплачивающие все затраты авиакомпаний на приобретение квот в стоимости своих авиабилетов. Вторично пострадает
экономика России, из которой будут изыматься средства и направляться на повышение энергоэффективности стран ЕС.
При выборе ответных мер должно учитываться:
•соответствие национальному и международному законодательству;
•мотивировка российских авиакомпаний к снижению выбросов;
•компенсация пострадавшим сторонам их необоснованные финансовые потери.
Планы Евросоюза с 1 января 2012 г. включить авиаотрасль в европейскую схему торговли
квотами на выбросы парниковых газов и вредных веществ в атмосферу (Emissions Trading
Scheme - ETS) признаны дикриминационными и нарушающими законы международной торговли. Такой вывод сделали участники международной встречи стран - нечленов ЕС с представителями ИКАО, состоявшейся в Дели в сентябре. Результатом встречи стало подписание декларации, разработанной правительством Индии. Подписи поставили 16 стран-членов ICAO (не
Проблемы включения авиационной отрасли в Европейскую систему …
137
входящих в ЕС), включая США и Китай. Официальный протест против новых правил Евросоюза относительно включения авиации в европейскую схему ETS будет подан на следующем заседании совета ИКАО.
Разработанная в Дели декларация не противоречит Рамочной конвенции ООН об изменении
климата и подчеркивает важность Киотского протокола. Кроме того, декларация напоминает о
положениях Чикагской конвенции и необходимости обеспечения полного соблюдения этих положений, подчеркивает важную роль авиации в экономическом прогрессе и указывает на необходимость сотрудничества на национальном, региональном и глобальном уровнях для достижения
взаимного согласия при реализации усилий по уменьшению вредных выбросов в атмосферу.
Американская ассоциация воздушного транспорта при поддержке американских перевозчиков - American Airlines, Continental Airlines, United Airlines - и Международной ассоциации
воздушного транспорта (IATA) обратилась в Лондонский суд с требованием отклонить решение
Евросоюза включить все авиакомпании, совершающие рейсы в Европу, в систему торговли
квотами на выбросы парниковых газов и вредных веществ в атмосферу. Кроме того, Комитет
по транспорту и инфраструктуре Конгресса США законодательно одобрил ряд мер, предоставляющих американским авиакомпаниям легальные основания для отказа от участия в европейской схеме ETS. Меры протеста разрабатывают и в Китайской ассоциации авиаперевозчиков. О
своем недовольстве заявляла также Ассоциация воздушного транспорта стран Латинской Америки и Карибского бассейна.
В результате анализа выявлено, что действия европейской стороны полностью соответствует требованиям международных документов, включая Чикагскую конвенцию, РКИК и Киотский протокол.
Введение ответных мер только в отношении европейских авиакомпаний нарушает статьи
11 и 15 Чикагской конвенции. Исходя из статьи 15 Конституции РФ, Правительство Российской
Федерации не вправе вводить нормы, противоречащие требованиям международных договоров.
Необходимо предлагать меры, которые соответствуют требованиям всех ранее заключенных международных соглашений, а также Конституции и иным законодательным актам Российской Федерации.
Одним из решений может быть создание национальной сертифицированной системы торговли эмиссионными квотами и допуск к ней российских авиаперевозчиков.
Схему торговли квотами применять для всех рейсов, выполняемых в (из) аэропорты РФ.
ЛИТЕРАТУРА
1. Федеральный закон № 128-Ф3 «О ратификации Киотского протокола к Рамочной конвенции Организации
Объединенных Наций об изменении климата» от 4 ноября 2004 г.
PROBLEMS OF INCORPORATION THE AVIATION SECTOR IN THE EUROPIAN EMISSION
ALLOWANCES TRAIDING SYSTEM FOR GREENHAUSE GASES
Feoktistova O.G.
This article provides an analysis of the European emissions trading system for greenhouse gases. Measures for problems solution associated with flights in Europe are proposed.
Key words: greenhouse gases, quotas.
Сведения об авторе
Феоктистова Оксана Геннадьевна, окончила МИИГА (1988), доктор технических наук, профессор кафедры безопасности полетов и жизнедеятельности МГТУ ГА, академик Академии авиации и воздухоплавания, автор более 90 научных работ, область научных интересов – инженерная экология, экологическая безопасность технологических процессов ремонта АТ, математическое моделирование в экологии, экологические последствия аварий (катастроф).
-138-
ББК 05
Н 34
Св. план 2012 г.
Научный Вестник МГТУ ГА
№ 183
ISBN 978-5-86311-835-2
Свидетельство о регистрации в Федеральной службе по надзору в сфере связи,
информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор) ПИ № ФС77-47989
от 27 декабря 2011 г.
Редакторы Т.М. Приорова, И.В. Вилкова
Компьютерная верстка Т.Н. Котиковой
Печать офсетная
17,25 усл. печ. л.
Подписано в печать 14.09.12 г.
Формат 60х90/8
Заказ № 1444/
14,38 уч.-изд. л.
Тираж 100 экз.
Московский государственный технический университет ГА
125993 Москва, Кронштадтский бульвар, д. 20
Редакционно-издательский отдел
125493 Москва, ул. Пулковская, д. 6а
Подписной индекс в каталоге Роспечати 84254
© Московский государственный
технический университет ГА, 2012
Документ
Категория
ГОСТ Р
Просмотров
2 191
Размер файла
7 159 Кб
Теги
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа