3 Cechy eksploatacyjne statku powietrznegox

Cechy eksploatacyjne statku
powietrznego
Dr inż. Robert Jakubowski
Własności i właściwości SP
• Cechy statku technicznego, które są sformułowane w
wymaganiach taktyczno-technicznych, konkretyzują
się w jego własnościach i właściwościach
Własność – cecha wspólna dla klasy, grupy SP
wyrażająca się głównie w postaci wielkości fizycznej
Właściwość – cecha która pozwala rozróżnić SP w
grupie. Jest to na ogół cecha względna i może ulegać
zmianie pod wpływem oddziaływań na SP.
Własności i właściwości SP
• Własności i właściwości przypisuje się statkom
powietrznym jako całości, ale także
poszczególnym jego zespołom i stąd decydują
o cechach statku powietrznego jako całości
Główne własności statku powietrznego
• Funkcja lotna – zespół cech decydujących o
możliwościach lotnych SP np.: charakterystyki
lotno-techniczne, charakterystyki w zakresie
stateczności i sterowności itp.
• Potencjał użytkowy SP – zespół cech
decydujących o ekonomi i efektywności
eksploatacji: charakterystyki zdolności
przewozowej , promień działania
Właściwości statku powietrznego
•
•
•
•
•
•
Niezawodność
Gotowość
Odpowiedniość SP
Trwałość
Żywotność
Podatność
eksploatacyjna
• Wartość SP
• Ergonomiczność
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Bezpieczność SP
Użytkowalność
Obsługiwalność SP
Diagnostyczność SP
Remontowalność SP
Naprawialność SP
Odnawialność SP
Technologiczność SP
itd
Główne właściwości statku
powietrznego
•
•
•
•
•
•
•
Funkcjonalność
Niezawodność
Gotowość
Odpowiedniość
Trwałość
Żywotność
Podatność eksploatacyjna
Funkcjonalność użytkowa, obsługowa
i naprawcza:
• To właściwość decydująca o sposobie
użytkowania i utrzymania SP m.in. decydująca
o koniecznych czynnościach wykonywanych w
fazie utrzymania i użytkowania oraz czasie ich
trwania , ilości osób wymaganych do obsługi
SP
Niezawodność
• To właściwość SP gwarantująca jego zdatność do
wykonywania określonych zadań w określonym
przedziale czasu i w określonych warunkach
Gotowość
• To właściwość SP gwarantująca jego zdatność
do wykonywania zadania lotniczego
natychmiast lub w określonym czasie
Odpowiedniość
• To właściwość przystosowania SP do
wykonywania określonego zadania lotniczego
Trwałość
• To właściwość rozumiana jako zdolność do
zachowania zasadniczych właściwości SP w
ustalonym przedziale czasu, w określonych
warunkach eksploatacji. Można wyróżnić
trwałość techniczną , ekonomiczną,
godzinową, międzyremontową itp.
Żywotność
• To własność mierzona prawdopodobieństwem
wykonania zadania lotniczego w warunkach
określonego niekorzystnego oddziaływania
środowiska naturalnego (piorun, zapylenie,
burza) lub innych czynników, które należy
uwzględni w procesie eksploatacji (np. walka
powietrzna, atak przeciwnika dla samolotów
bojowych)
Podatność eksploatacyjna
• To właściwość określająca zdolność SP do
racjonalnego wykorzystania potencjału
eksploatacyjnego w oddziaływaniu zmiennego
otoczenia w czasie użytkowania. Decydująco
wpływa na takie cechy jak ergonomiczność i
ekonomiczność eksploatacji SP. W podatności
eksploatacyjnej można wyróżnić: podatność
obsługową i naprawczą
Cechy własności i właściwości SP
• Własności i właściwości mogą mieć cechy
– Mierzalne
– Niemierzalne
• Własności i właściwości mogą być opisane:
– Wartością zdeterminowaną
– Zmienną losową
– Procesem losowym
Ocena właściwości SP
• Właściwości statku powietrznego ocenia się
poprzez system wypracowanych miar np.
miarą niezawodności eksploatacyjnej może
być liczba godzin lotu do chwili nie wykonania
zadania lotniczego, albo liczba niewykonanych
zadań w określonym przedziale czasu
Wymagania techniczne odnośnie SP
• Wymagania techniczne określa się
dopuszczalnymi przedziałami zmienności
determinującymi :
– Górną i dolna wartość przedziału zmienności
określonej cechy
– Górną i dolną wartość zmiennej losowej przy
spełnieniu określonego poziomu ufności
– Przebieg procesu losowego w czasie
CECHY STATKU POWIETRZNEGO I ICH
WPŁYW NA PROCES EKSPLOATACJI
Podatność eksploatacyjna
• Jest to zbiór cech (własności i właściwości)
statku powietrznego decydujących w
największym stopniu o procesie eksploatacji
statku powietrznego. O poziomie podatności
eksploatacyjnej decydują czynniki:
– Konstrukcyjne
– Technologiczno-produkcyjne
– eksploatacyjne
Niezawodność SP
Niezawodność SP – zdolność do realizacji zadań
lotniczych w określonym czasie i w określonych
warunkach.
Z punktu widzenia praktycznej realizacji zadań
lotniczych wymaga się takiego przygotowania SP,
aby była zapewniona całkowita jego
niezawodność.
Niezawodność całkowita (pełna) – to właściwość
polegająca na zdolności SP do realizacji zadań
lotniczych bez niesprawności
Niesprawność i uszkodzenie
• Niesprawność – jest to takie zdarzenie
niepożądane, które pojawia się w systemie
technicznym lub antropotechnicznym, które
uniemożliwia fizyczne lub umowne spełnienie
określonych funkcji
• Uszkodzenie – jest to zdarzenie polegające na
przejściu elementu, zespołu lub statku
powietrznego ze stanu zdatności technicznej do
stanu niezdatności lub częściowej niezdatności
Niezawodność
R ( t ) = P U (τ ) = {W } , 0 ≤ τ ≤ t 
Niezawodność R (reliability) określa
prawdopodobieństwo, że w przedziale czasu od 0 do
t cechy funkcjonalne statku powietrznego U będą się
mieścić w zbiorze dopuszczalnych wartości W
Ri ( t ) = ψ υi (τ ) , 0 ≤ τ ≤ t 
Niezawodność i-tego czynnika jest funkcją ψ opisującą
rozkład i_tego czynnika wymuszającego
niesprawność υi(τ) w czasie od 0 do t.
Kształtowanie własności i właściwości
SP i ich wpływ na jego niezawodność
• Niezawodność SP kształtuje się na różnych
etapach jego istnienia poprzez:
– Określanie wymagań niezawodnościowych na etapie
tworzenia projektu koncepcyjnego
– Określenie metod realizacji SP zapewniających
uzyskanie wymaganej niezawodności na etapie
opracowywania projektu
– Zapewnienie procedur realizacji SP zapewniających
wysoką niezawodność na etapie wytwarzania
– Wyznaczenie rzeczywistej niezawodności SP na etapie
eksploatacji
Stąd można wyróżnić:
• Niezawodność pożądaną elementów i systemu
z uwzględnieniem systemów wymuszających
• Niezawodność modelową – symulowaną
komputerowo
• Niezawodność rzeczywistą – eksploatacyjną SP
Stany niezawodnościowe obiektu
Stan zdatności – to stan niezawodnościowy, w którym
obiekt może wykonywać zadania w sposób zgodny z
wymaganiami
Stan niezdatności – to stan niezawodnościowy, w którym
obiekt nie może wykonywać zadań w sposób zgodny z
wymaganiami
Stany pośrednie: stan częściowej zdatności, stan
częściowej niezdatności
Stan graniczny – to stan fizyczny, w którym dalsza
eksploatacja obiektu jest niewskazania lub niemożliwa.
Kryteria osiągnięcia stanu granicznego powinny być
określone w dokumentacji normatywno-technicznej
Wektor stanów niezawodnościowych
Wektor stanów niezawodnościowych opisuje
system (obiekt techniczny) pod względem
niezawodnościowym
X = X 1 , X 2 , X 3 ,..., X n
Jeśli obiekt składa się z n elementów k-stanowych
to zbiór możliwych reprezentacji omawianego
wektora jest kn
Dla obiektu dwustanowego sześcioelementowego,
gdzie stan zdatności opisuje się 1 a stan
niezdatności 0 wektor stanów
niezawodnościowych wyraża się
X = 1,1,1,1, 0, 0
Zawodność Q
Z
Związek niezawodności SP z czasem
eksploatacji
Q(t)
Na niezawodność istotnie wpływa czas eksploatacji
Q(t) – jest prawdopodobieństwem wystąpienia zawodności
obiektu technicznego. Funkcja niezawodności i zawodności
spełnia równanie
R(t ) + Q(t ) = 1
Wpływ odnowy na niezawodność i
zawodność obiektu technicznego
Intensywność uszkodzeń
• Intensywność uszkodzeń, zwana też funkcją
ryzyka mówi ona o tym jak w każdej chwili
czasu t następuje pogorszenie niezawodności
układu (elementu)
dR ( t )
−
1 dR ( t )
1 dQ ( t )
1 dQ ( t )
dt
λ (t ) =
=−
=
=
1 − Q ( t ) dt
R(t )
R ( t ) dt
R ( t ) dt
Intensywność uszkodzeń elementów
technicznych
Etap I – okres wprowadzania urządzenia technicznego do użytkowania – usuwanie wad
konstrukcyjnych i produkcyjnych
Etap II - okres normalnej eksploatacji
Etap III - okres intensywnego starzenia się urządzenia technicznego
W drugim etapie eksploatacji intensywność uszkodzeń ma stałą wartość
Gęstość prawdopodobieństwa
uszkodzeń f(t)
f (t ) = lim
Q ( t + ∆t ) − Q ( t )
∆t
∆t → 0
gdy ∆ t → 0
f (t ) = −
dR ( t )
dt
=
dQ ( t )
dt
Intensywność uszkodzeń λ(t)
skumulowana funkcja ryzyka uszkodzeń
Λ(t)
dR ( t )
−
f (t )
dt
=
λ (t ) =
R(t )
R(t )
t
Λ ( t ) = ∫ λ (τ )dτ
0
Przykład wyznaczania parametrów
eksploatacyjnych dla wybranych
modeli rozkładu intensywności
uszkodzeń
Intensywność uszkodzeń ma stałą
wartość
λ (t ) = const
Funkcja gęstości prawdopodobieństwa uszkodzeń:
 T

f (t ) = λ ( t ) exp  − ∫ λ ( t ) dt  = λ ⋅ e − λ *T
 0

Funkcja niezawodności:
 T

R(t ) = exp  − ∫ λ ( t ) dt  = e − λ *T
 0

Skumulowana funkcja ryzyka:
T
Λ (t ) = ∫ λ ( t ) dt = λ ⋅ T
0
Oczekiwany czas pracy do uszkodzenia:
∞
∞
0
0
to = ∫ R(t )dt = ∫ e
−λt
dt =
1
λ
Przyczyny wykorzystania modelu
• Prezentowany model dobrze opisuje normalny
okres pracy obiektu nieodnawialnego, gdzie
uszkodzenia są wynikiem oddziaływań głownie z
przyczyn bodźców zewnętrznych, powtarzających
się przypadkowo, ale ze stałą częstotliwością.
• Istnieje poważna grupa obiektów, których czas
zdatności ma rozkład wykładniczy, lub nieistotnie
różniący się od wykładniczego
• Pozwala o wiele łatwiej rozwiązywać zadania, a
niżeli w przypadku innych rozkładów, gdzie
nierzadko nie można znaleźć rozwiązania
Przykład obliczeń dla stałej intensywności
rozkładu uszkodzeń np. λ=4%
λ (t ) = 0, 04
Funkcja gęstości prawdopodobieństwa uszkodzeń:
 T

f (t ) = λ ( t ) exp  − ∫ λ ( t ) dt  = 0, 04 ⋅ e −0,04*T
 0

Skumulowana funkcja ryzyka:
Funkcja niezawodności:
 T

R(t ) = exp  − ∫ λ ( t ) dt  = e −0,04*T
 0

Ilość
miesięcy
Gęstość prawdopodobieństwa
uszkodzeń
T
Λ (t ) = ∫ λ ( t ) dt = 0, 04 ⋅ T
0
Niezawodność
Skumulowana
funkcja ryzyka
1
0,0384
0,961
0,04
10
0,0268
0,67
0,4
48
0,0059
0,15
1,92
Średni czas zdatnej pracy
∞
∞
0
0
tsr = ∫ tf ( t ) dt = ∫ R ( t ) dt
∞
tsr = ∫ e
0
−0,04 t
−1 −0,04⋅∞
1 −0,04⋅0
dt =
e
+
e
= 25
0, 04
0, 04
Skumulowana funkcja ryzyka:
Λ (t = 25) = 0, 04 ⋅ 25 = 1
R(t = 25) = e −0,04*T =
Wykres parametrów eksploatacyjnych
dla stałej intensywności uszkodzeń
Funkcja gęstości prawdopodobieństwa
uszkodzeń ma rozkład normalny (Gaussa)
f (t ) =
1
e
σ 2π
−
( t −T0 )2
2σ 2
T0 – wartość średnia (oczekiwana)
pojawienia się niesprawności
σ – odchylenie standardowe
Niesprawności pojawiają się w czasie To
± 3s. W zakresie poza przedziałem To ±
3s prawdopodobieństwo wystąpienia
uszkodzenia jest znikome (Q(To3σ)=0,0014
Funkcja intensywności uszkodzeń
monotonicznie rośnie praktycznie od 0 w
punkcie To-3σ i zbliża się asymptotycznie
do funkcji y
1
y (t ) =
σ
2
( t − T0 )
Praktyczne rozwiązywanie zagadnień
niezawodnościowych dla funkcji gęstości
uszkodzeń w postaci rozkładu normalnego
U (t ) =
Wprowadza się zmienną U:
T
Zawodność :
Q(t ) = ∫ f (U ) dU
( t − T0 )
σ
0
Gdzie :
f (U ) =
1
2π
e
U2
−
2
f (t ) =
Praktycznie do obliczeń wykorzystuje się dane w TAB T2 str. 542:
f (U )
σ
Wyznaczyć dla stałego rozkładu
gęstości uszkodzeń podstawowe
charakterystyki niezawodnościowe
• Dokonać porównania wyników R, Q, f(t), Λ(t) i
λ(t) dla λ=4%, λ=8% i λ=20% (porównanie na
wykresie)
• Określić oczekiwane czasy pracy urządzenia