51Przegląd WLiOP

Podstawą wiedzy o eksploatacji statkówpowietrznych powinna być gruntowna

znajomość fizyki powstawania niesprawno-ści i uszkodzeń. Znając bowiem uwarunko-wania fizyczne zjawisk, można budowaćmodele niezawodnościowe i decyzyjne, któ-re pozwolą oprzeć eksploatację na zasadachtak zwanej podatności degradacyjnej, czyliodporności na degradację. Budowanie mo-deli niezawodnościowych i decyzyjnych,uwzględniających fizykę powstawaniauszkodzeń, nie jest zadaniem prostym. Wni-kanie w naturę zjawisk fizycznych i che-micznych będących przyczyną uszkodzeńpodyktowane jest także koniecznością opra-cowywania metod � przyspieszonych, skró-conych i uproszczonych � badania trwało-ści elementów i zespołów statków powietrz-nych (SP) oraz wykrycia rzeczywistychprzyczyn wypadków lotniczych, jeśli zosta-ły spowodowane przyczynami techniczny-mi lub eksploatacyjnymi.

NIESPRAWNOŚCI I USZKODZENIASTATKÓW POWIETRZNYCH

Pojęcia podstawowe

Istotą działania lotnictwa jest wykonaniezadania lotniczego (ZL). Techniczną prze-słanką niewykonania ZL, przerwania jegowykonywania albo nawet nierozpoczęciawykonywania (mimo iż zostało ono zapla-nowane) może być ujawniona niesprawność.Niesprawność może dotyczyć zespołu lub

całego statku powietrznego i może być roz-patrywana ze względu na różne kryteria:skutków, czasu, sposobu usunięcia, przy-czyn, rodzaju, miejsca i czasu powstania itp.(tabela 1).

Do podstawowych przyczyn niespraw-ności zalicza się: uszkodzenie, zacięcie,rozregulowanie, niezadziałanie, zakłóceniedziałania, brak zasilań (elektrycznych, pa-liwowych, olejowych, smarnych, gazo-wych), deficyt zdatności potencjalnej (ele-ment jest zdatny, ale wykonanie postawio-nego zadania przekracza zakres cech), wa-dliwe działanie (wykonywanie określonejoperacji w sposób niezgodny z wymagania-mi) itp. Za pierwotną przyczynę niespraw-ności uznaje się uszkodzenie elementu lubrównoczesne uszkodzenie kilku elementówzespołu, urządzenia, agregatu (ogólniestruktury technicznej).

Niesprawność to utrata funkcjonalnej(użytkowej) właściwości struktury tech-nicznej.

Usunięcie niesprawności SP (zespołu, ele-mentu) to przywrócenie jego właściwościfunkcjonalnej, spełniającej określone (nało-żone) warunki techniczne � poprzez usunię-cie uszkodzenia, wyregulowanie elementóww SP � poprzedzone zdiagnozowaniem sta-nu technicznego i prognozą dalszego nieza-wodnego funkcjonowania.

Wśród przyczyn powstawania niespraw-ności podstawową rolę odgrywają uszkodze-nia.

Uszkodzenie to:

TECHNIKA I EKSPLOATACJA

Prof. dr hab. inż. Jerzy LewitowiczInstytut Techniczny Wojsk Lotniczych

FIZYCZNE ASPEKTY NIESPRAWNOŚCII USZKODZEŃ STATKÓW POWIETRZNYCH

52 LUTY 2002

● utrata fizycznych własności i (lub) wła-ściwości elementu konstrukcyjnego;

● zdarzenie polegające na przejściu struk-tury technicznej (ST) (elementu) ze sta-nu zdatności do stanu niezdatności.Podstawowym kryterium zaliczenia dane-

go zdarzenia do zdarzeń zwanych uszkodze-niami jest zmiana (odstępstwo) cechylub zespołu cech, na podstawie których usta-la się zdatność (niezdatność) ST lub elemen-tu. W tabeli 2 wyszczególniono rodzaje i ty-py uszkodzeń, wziąwszy pod uwagę różnekryteria podziału, a w tabeli 3 � przykłado-we rodzaje uszkodzeń (PN-80/N-04000).

Często używa się pojęcia usterka. Przezto pojęcie można rozumieć drobne uszko-dzenia, zacięcia itp., które nie wywołująznaczących następstw operacyjnych, ekono-micznych i których likwidowanie nie jest

pracochłonne. Najczęściej typy i rodzajeusterek wyspecyfikowane są w dokumenta-cji techniczno-eksploatacyjnej statku po-wietrznego.

Niesprawność, uszkodzenie, usterka po-ciągają za sobą zmianę możliwości działa-nia (lotu) SP, powstanie sytuacji jego nie-zadziałania (braku możliwości wykonaniaZL lub przerwania jego wykonywania).

Działanie SP � to wykonywanie � aktu-alnie � przez SP określonej operacji nie-zależnie od tego, czy operacja ta jest zgod-na czy niezgodna z wymaganiami.

Niezadziałanie SP � to zdarzenie pole-gające na nierozpoczęciu przez SP prze-widzianej pracy lub jej przerwanie w wy-niku powstałej niesprawności.

Niezadziałanie to każde uszkodzenie, któ-re powoduje:

Tabela 1Podział niesprawności statku powietrznego według różnych kryteriów

Nazwa kryterium Opis (rodzaj, typ)Przyczyna niesprawności główna – uszkodzenie

– zacięcie– niezadziałanie– wadliwe wskazanie– wyłączenie– zakłócenie działania– deficyt zdatności potencjalnej– wadliwe działanie

Przyczyna niesprawności pośrednia – konstrukcyjna– technologiczna– eksploatacyjna • obsługowa • alimentacyjna • remontowa • normalnego zużycia itp.

Rodzaj niesprawności – pierwotna– wtórna

Sposób usunięcia – wymiana– naprawa doraźna– remont– regulacja

Moment wystąpienia niesprawnościw procesie eksploatacji

– w czasie lotu– w czasie utrzymywania zdatności– w czasie transportu– w czasie odnowy (naprawy, remontu)

Typ niesprawności – stopniowa– nagła od czynników zewnętrznych– nagła od czynników wewnętrznych

Skutek wystąpienia niesprawności – poważny (np. wypadek lotniczy)– bez dużych następstw (operacyjnych, ekonomicznych itp.)– bez następstw (praktycznie)

53Przegląd WLiOP

a) niewykonanie zaplanowanego lotu lubopóźnienie lotu,

b) zaniechanie lub skrócenie lotu po star-cie,

c) konieczność posłużenia się systememzapasowym lub konieczność postępowaniaawaryjnego,

d) wypadek.

Tabela 2Podział uszkodzeń struktur technicznych lub elementów według różnych kryteriów

Nazwa kryterium Opis (rodzaj, typ)Przyczyna uszkodzenia – konstrukcyjna

– technologiczna • wada technologiczna • wada materiałowa– eksploatacyjna • obsługowa • remontowa • magazynowa • normalnego zużycia– warunki zewnętrzne

Rodzaj uszkodzenia – pierwotne– wtórne

Sposób uszkodzenia – nagły– stopniowy– chwilowy

Przyczyna uszkodzenia elementu – zmiana wymiarów geometrycznych– zmiana własności materiału– zmiana własności elektrycznych

Eksploatacja SP służy określonym celom.Z punktu widzenia takich właściwości, jakniezawodność, gotowość i bezpieczeństwolotów najważniejszą właściwością SP jestjego bezawaryjność.

Bezawaryjność SP to właściwość SPcharakteryzująca jego utrzymywanie sięw stanie zdatności.

Rys. 1. Intensywność uszkodzeń samolotów Ił�62 (A) i B�767 (B) mierzona liczbą względną nie-sprawności na 1000 godzin lotu (dane PLL LOT)

54 LUTY 2002

Ilościowo bezawaryjność SP ocenia sięwieloma różnymi wskaźnikami niezawodno-ści, np.: oczekiwanym czasem utrzymaniasię w stanie zdatności w określonym prze-dziale czasu (np. podczas lotu), intensyw-nością prac obsługowych lub odnów, inten-sywnością uszkodzeń. Na rys. 1 i rys. 2 zo-brazowano wyniki eksploatacyjne oraz pra-cochłonność obsług dwóch typów statkówpowietrznych Ił-62 i B-767, eksploatowa-nych w PLL LOT w latach 1987 - 1993.Widoczne są wyraźne różnice wartości zo-brazowanych parametrów, co wynika z fak-tu, iż rozpatrywano statki powietrzne dwóchróżnych generacji � Ił-62 z lat 1950 - 1960i współczesny B-767.

Pojęciem węższym od pojęcia bezawaryj-ności jest pojęcie nieuszkadzalności SP. W

przypadku zaistnienia konieczności odno-wy (wykonania określonego typu naprawy,np. poszycia struktury płatowca) należy po-służyć się pojęciem �naprawialność SP�.

Nieuszkadzalność SP � właściwość cha-rakteryzująca jego zdolność do ciągłegozachowania stanu zdatności podczas wy-konywania zadania (ZL).

Naprawialność (odnawialność) SP �właściwość charakteryzująca jego przy-stosowanie do wykonywania napraw (od-nów) w określonych warunkach eksplo-atacji, z wykorzystaniem odpowiednichmetod, procedur i narzędzi (MPN).

Z punktu widzenia eksploatacji SP moż-na mówić o typowych niesprawnościachi uszkodzeniach, a więc takich, które są jużdostatecznie dobrze zidentyfikowane, opi-

Tabela 3Opis wybranych uszkodzeń

Nazwa niesprawności OpisUszkodzenie wynikające z błędów konstruk-cyjnych

Uszkodzenie powstałe wskutek błędów projektowania

Uszkodzenie wynikające z błędów produk-cyjnych

Uszkodzenie powstałe wskutek błędów i niedokładności procesówtechnologicznych lub wad materiałowych

Uszkodzenie wynikające z błędów eksplo-atacyjnych

Uszkodzenie powstałe wskutek nieprawidłowej eksploatacji

Uszkodzenie pierwotne Uszkodzenie elementu systemu, które ani bezpośrednio, ani pośrednionie zostało spowodowane uszkodzeniem innych elementów systemu

Uszkodzenie wtórne Uszkodzenie elementu systemu, które bezpośrednio lub pośredniozostało spowodowane uszkodzeniem innych elementów systemu

Uszkodzenie nagłe Uszkodzenie występujące nagle i nie dające się przewidzieć na podsta-wie przeglądu lub obsługi profilaktycznej

Uszkodzenie stopniowe Uszkodzenie dające się przewidzieć na podstawie wyników przeglądulub obsługi profilaktycznej

Uszkodzenia tego samego rodzaju Uszkodzenia, które z fizycznego punktu widzenia charakteryzują się tymsamym zespołem cech lub tym samym zespołem przyczyn powodują-cych te uszkodzenia

Uszkodzenie katastroficzne Uszkodzenie, które spowodowało straty znacznie przekraczająceprzeciętną wartość strat związanych z uszkodzeniem

Uszkodzenie nieodwracalne Przejście obiektu ze stanu zdatności do stanu niezdatności, po którymniemożliwe jest naprawienie tego obiektu w określonych warunkach

Uszkodzenie nieprzewidywane Uszkodzenie, którego wystąpienia w trakcie użytkowania nie brano poduwagę podczas projektowania obiektu

Uszkodzenie obiektu wskutek procesuzużycia

Uszkodzenie powstałe w wyniku procesu systematycznych zmianwłaściwości fizycznych tego obiektu

Uszkodzenie odwracalne Przejście obiektu ze stanu niezdatności, po którym możliwe jest dopro-wadzenie tego obiektu do stanu zdatności

Uszkodzenie przewidywane Naturalne uszkodzenie, którego wystąpienie w trakcie użytkowaniabrano pod uwagę podczas projektowania obiektu. W okresie starzeniawstępnego jest to przeważnie uszkodzenie pierwotne

Uszkodzenie wtórne Uszkodzenie, którego istotną przyczyną jest co najmniej jedno z po-wstałych wcześniej uszkodzeń tego obiektu

Uszkodzenie nagłe Uszkodzenie, które występuje skokowo

55Przegląd WLiOP

sane w dokumentacji eksploatacji SP, jakrównież o nowych postaciach (rodzajach)niesprawności i uszkodzeń, tworzącychnowy zbiór, a pojawiających się podczasbieżącej eksploatacji SP. Te nowe postacieniesprawności i uszkodzeń mogą mieć cha-rakter jednostkowy lub systemowy. W dzia-łalności eksploatacyjnej reaguje się na nieodpowiednimi działaniami profilaktyczny-mi.

W różnych systemach eksploatacyjnychstatki powietrzne charakteryzują się róż-ną częstością ich użytkowania. Na przy-kład w cywilnych systemach transporto-wych czas użytkowania SP może stanowić50 - 80% czasu dobowego. W innych sys-temach, np. wojskowych, statek powietrz-ny większość czasu znajduje się w stanieprzechowywania lub w stanie oczekiwa-nia na realizację ZL. W tych stanach napowstawanie niesprawności i uszkodzeńduży wpływ mają czynniki zewnętrzne(oddziaływanie atmosfery), rozwijającesię procesy starzeniowe, korozyjne, naprę-żeniowe (termiczne) itp.

Jedną z istotnych przyczyn powstawanianiesprawności i uszkodzeń są wady elemen-

tów wchodzących w skład struktur technicz-nych.

Wada obiektu to wada wynikająca z nie-spełnienia wymagań przez co najmniej jed-ną z cech obiektu. Wada obiektu nie jestrównoznaczna ze stanem niezdatności, alejej istnienie powoduje zazwyczaj zwiększe-nie prawdopodobieństwa powstania uszko-dzenia. Wady obiektu mogą powstać zarów-no w trakcie jego projektowania (wada kon-strukcyjna), jak i w procesie wytwarzanialub podczas eksploatacji obiektu.

Wada konstrukcyjna obiektu to wadaobiektu powstała na skutek błędu konstruk-cyjnego popełnionego w trakcie projekto-wania tego obiektu.

Wada materiałowa obiektu to wada po-wstała wskutek użycia podczas wytwarza-nia obiektu surowca (materiału) niezgodne-go z wymaganiami.

Wada produkcyjna obiektu to wada po-wstała na skutek błędu produkcyjnego (błę-du w procesie obróbki) w trakcie wytwa-rzania tego obiektu.

Pojęcie uszkodzenia statków powietrz-nych (SP) obejmuje zarówno uszkodzeniastruktury, podstawowych zespołów SP, jak

Rys. 2. Pracochłonność usuwania niesprawności samolotów Ił�62 (A) i B�767 (B) w roboczogo-dzinach na godzinę lotu (dane PLL LOT)

56 LUTY 2002

również uszkodzenia poszczególnych ele-mentów (części) składowych zespołów SP.Uszkodzenia elementów pociągają za sobączęsto uszkodzenia zespołów, w którychskład wchodzą bądź (lub i) uszkodzenia in-nych zespołów SP. Zdarza się, że uszkodze-nie statku powietrznego, jako całości, po-woduje uszkodzenie, a nawet zniszczenie,podstawowych elementów konstrukcyjnych(utrudniając ustalenie przyczyny wypadkulotniczego).

Uszkodzenia są skutkiem bądź świadome-go przekroczenia dopuszczalnych obciążeń(np. przez załogę, operatora czy personelobsługujący SP), bądź oddziaływań i zabu-rzeń zewnętrznych, bądź też normalnychzjawisk fizycznych i chemicznych, będącychimmanentną właściwością realizowania za-dań (pracy), lub czasu. Zalicza się tu naprzykład zużycie węzłów tribologicznych,korozję czy starzenie materiałów.

Problem uszkodzeń elementów SP wystę-puje w całym okresie eksploatowania SP,choć w różnych okresach dominują różneprzyczyny.

W pierwszym okresie eksploatacji, okre-sie tzw. docierania, głównymi przyczynamisą odchyłki technologiczno-montażowe odzałożonych norm oraz wady materiałowe.Wraz z upływem czasu eksploatacji znacze-nia nabierają przyczyny tribologiczne, zmę-czeniowe i korozyjne.

Przez cały okres eksploatacji SP degra-dacji ulegają jego elementy konstrukcyjne.Warunki pracy (wytężenia materiału, od-kształcenia, zużycia itp.) do końca nieprze-widywalne � ekstremalne, warunki oddzia-ływań zewnętrznych o losowym charakte-rze zmienności, wpływają w decydującysposób na obniżenie wytrzymałości własnejstruktury SP i jego elementów w zespołachi podzespołach wykonawczych. Problemyte próbuje rozwiązywać teoria degradacji.Obecnie teoria ta dopiero zaczyna się roz-wijać.

O ile w wielu przypadkach uszkodzenianiektórych elementów i zespołów umożli-wiają jeszcze dokończenie lotu statku po-

wietrznego, o tyle nieuniknione � takie sąprawa przyrody � uszkodzenia strukturystatku powietrznego, a w szczególności jegokadłuba i usterzenia, zwiększają ryzykozniszczenia statku, a to oznacza możliwośćzaistnienia katastrofy lotniczej. Właśnie dla-tego spośród różnych zagadnień eksploata-cyjnych, badanie przyczyn uszkodzeń nabie-ra tak dużego znaczenia.

Uszkodzenia SP, szczególnie w locie,w znaczący sposób wpływają na bezpie-czeństwo, ale także na wszystkie wskaźnikigotowości technicznej SP charakteryzującegotowość do wykonania zadań. Uszkodze-nia, wywołane różnymi przyczynami, dzie-lą się na: a) przewidywalne � rozwijającesię w miejscach łatwo dostępnych i diagno-zowanych (różnymi metodami, z bogategojuż arsenału technik diagnostycznych). Przy-kładem takiego uszkodzenia jest pęknięcieklapy skrzydła na pokryciu zewnętrznymczy zużywanie łożyska w instalacji olejo-wej o cyklu zamkniętym (badanie produk-tów zużycia); b) nieprzewidywalne � jakoprzykład można wskazać katastrofę samo-lotu B-747 spowodowaną pęknięciem zmę-czeniowym tylnej przegrody ciśnieniowej(rys. 16). Uszkodzenia nieprzewidywalnepowstają nagle (uszkodzenia układów elek-tronicznych) albo mogą objawiać się naglepo dłużej lub krócej rozwijającym się pro-cesie destrukcji elementu, najczęściejwmiejscu ukrytym i nie zauważonym przezpersonel obsługujący.

Przed skutkami uszkodzeń zabezpiecza-my się bądź przez zwielokrotnianie zespo-łów, obwodów instalacji, bądź przez odpo-wiednie przewymiarowanie elementówstruktury konstrukcyjnej SP zwane nadmia-rowością.

Jak widać, ważną rolę odgrywa projekto-wanie struktur SP bezpiecznych i ekono-micznych. Dla utrzymania wysokich wskaź-ników niezawodnościowych, bezpieczeń-stwa i gotowości zasadnicze znaczenie ma� po wprowadzeniu SP do eksploatacji �diagnostyka. Odpowiednio wkomponowanaw ogólny system eksploatacji SP (ulegają-

57Przegląd WLiOP

cy w czasie doskonaleniu) umożliwia wy-krycie niesprawności i uszkodzeń.

Na rys. 3 zestawiono udziały procentoweuszkodzeń wojskowych statków powietrz-nych w zbiorze uszkodzeń zaistniałych wciągu jednego roku eksploatacji tych stat-ków i zarejestrowanych przez poszczegól-ne specjalności. Istniejące systemy zbiera-nia informacji o niesprawnościach i uszko-dzeniach SP umożliwiają wykrywanie istot-nych zagrożeń funkcjonowania systemówlotniczych, wskazują bowiem na możliweuszkodzenia, tym samym więc pozwalają napodejmowanie odpowiednich decyzji co dolikwidacji tych zagrożeń.

Do podstawowych obszarów analizy tech-niki lotniczej można zaliczyć udział procen-towy uszkodzeń:� zarejestrowanych przez specjalności w

zbiorze odnotowanych uszkodzeń, zuwzględnieniem podziału na płatowiec,

silnik, osprzęt, uzbrojenie, urządzenia ra-dioelektroniczne (URE);

� zarejestrowanych przez specjalnościw zbiorze uszkodzeń zakwalifikowanychdo grupy wypadków lotniczych,z uwzględnieniem podziału na: płatowiec,silnik, uzbrojenie, osprzęt, URE;

� zakwalifikowanych do grupy przyczyno-wych w zbiorze odnotowanych uszko-dzeń, z uwzględnieniem podziału na:techniczne, eksploatacyjne � użytkowaniew powietrzu, eksploatacyjne � obsługa naziemi, produkcyjne, remontowe;

� zakwalifikowanych do grup przyczyno-wych w zbiorze uszkodzeń zakwalifiko-wanych do grupy wypadków lotniczych:techniczne, eksploatacyjne � użytkowaniew powietrzu, eksploatacyjne � obsługa naziemi, produkcyjne, remontowe.Każde z przytoczonych zestawień pozwa-

la na dalszą, bardziej wnikliwą analizę nie-

Rys. 3. Udziały procentowe uszkodzeń w podziale na specjalności lotnicze i przyczyny wypadkówlotniczych (lotnictwo wojskowe PSP w skali jednego roku)

58LU

TY

2002 Rys. 4. Pierwotne przyczyny powstawania niesprawności i uszkodzeń

59Przegląd WLiOP

tu nazywa się procesem powstawania nie-sprawności (uszkodzenia), a wynik tegoprocesu � niesprawnością (uszkodzeniem).

Ciągłe przejście ze stanu zdatności dostanu niezdatności występuje w przypadkachnarastania skutków procesów fizykoche-micznych, które prowadzą do uszkodzenia.Są to najczęściej następujące procesy: tri-bologiczne, starzeniowe, erozji, korozji,kawitacji, zmiany struktury materiału. Przy-kładem uszkodzenia stopniowego związane-go z procesem tribologicznym może byćstopniowe zużywanie się elementów kon-strukcyjnych łożysk czy zmiana grubościpierścieni uszczelniających w labiryntachinstalacji olejowej silnika turbinowego.Charakterystyczną cechą uszkodzeń stopnio-wych jest to, że są one skorelowane z para-metrem użytkowania (PW) (czas, liczbazadziałań, liczba lądowań, liczba cykli prze-ciążeń itp.).

Nieciągłe przejście od stanu zdatności dostanu niezdatności elementu nazywa sięuszkodzeniem nagłym. Uszkodzenia te sąwynikiem zmiany cech w bardzo krótkimprzedziale parametru użytkowania (PU).Często uszkodzenie nagłe powstaje w wy-niku skumulowania się zmian w obszarzemikro (mikropęknięcia, zmiany korozyjneitp.). Przykładem uszkodzenia nagłego może

sprawności i uszkodzeń. Przykładów przy-czyn niesprawności i uszkodzeń można do-szukiwać się, rozpatrując algorytmy ich pier-wotnych przyczyn (rys. 4).

Modele niesprawności i uszkodzeń

Model powstania niesprawności i wpły-wu uszkodzenia (jako reprezentanta przy-czyn niesprawności) przedstawiony jest narys. 5. Wśród podstawowych stanów, w ja-kich może znaleźć się statek powietrzny, wjakim nastąpiła niesprawność w wynikuuszkodzenia, można wyróżnić stan:● zdatności;● częściowej zdatności;● niezdatności.

Takie czynności, jak wykonanie pracutrzymania zdatności i odnowa (remont,wymiana, naprawa) przywracają stan zdat-ności SP lub częściowej zdatności.

Stan niezawodnościowy elementu (zespo-łu, całego SP) charakteryzuje zbiór (wek-tor, macierz) cech C. Zmiana chociażby jed-nej cechy C poza przedział wartości dopusz-czalnej dolnej lub górnej przenosistan elementu ze stanu zdatności do stanu nie-zdatności. To przejście może być stopniowelub nagłe skokowe. Przejście to w funkcjiparametru procesu użytkowania elemen-

diC g

iC

Rys. 5. Schemat stanów statku powietrznego i wpływ prac uzdatniających na zmianę stanu

60 LUTY 2002

być zerwanie, złamanie, pęknięcie spowo-dowane chwilowym przeciążeniem mecha-nicznym, cieplnym, ciśnieniowym itp. Przy-kład zmian cech powiązanych z tymi uszko-dzeniami, z uwzględnieniem podziału nastopniowe, nagłe i chwilowe, przedstawio-no na rys. 6.

Uszkodzone elementy można zaszerego-wać do jednej z następujących grup:■ elementy mające silnie skorelowane pa-

rametry określające stan zdatności z ilo-ścią parametru funkcjonowania;

■ elementy mające słabo skorelowane pa-rametry stanu zdatności z ilością parame-tru funkcjonowania. Można dla nich wy-znaczyć obszar, w którym istnieje trajek-toria stanu;

■ elementy mające zerową korelację stanuzdatności z ilością parametru funkcjono-wania. Proces uszkodzeń jest bez tzw. pa-mięci. Zespół zawierający takie elemen-ty wymaga stosowania nadmiarów orazaktywnych (w czasie rzeczywistym) ukła-dów diagnozujących.W praktyce eksploatacyjnej wyróżnia się

więcej stanów niezawodnościowych niż dwa

podstawowe � zdatny i niezdatny. Są onepochodną zmiany cech. Związki pomiędzyzmianami cech i stanów zilustrowano narys. 7, na przykładzie śledzenia zmian kon-centracji produktów zużycia wszystkich ele-mentów tribologicznych w instalacji olejo-wej silnika turbinowego C i zmiany grubo-ści pierścienia l uszczelniającego w silnikuturbinowym. Parametrem procesu użytkowa-nia jest tu czas pracy silnika. Koncentracjaproduktów zużycia C rośnie, a grubość pier-ścienia l maleje w funkcji czasu. W wynikuzjawisk tribologicznych może zaistnieć ob-szar ∆, w jakim zarysowuje się początekawaryjnego, a nawet katastroficznego zuży-wania. Ze względu na utrzymanie w prze-działach dopuszczalnych C i l, wyznacza sięstan zdatności i niezdatności w sensie teo-retycznym. W sensie praktycznym przedział∆ ze względu na bezpieczeństwo lotówwyznacza następujące stany:◆ sprawności i niesprawności technicznej,◆ technicznie dopuszczalny i technicznie

niedopuszczalny.Ocena czasu eksploatacji t1, wyznaczają-

cego stan technicznie dopuszczalny, należy

Rys. 6. Typy uszkodzeń i czas ich wystąpienia:a � stopniowe (ta), b � nagłe od czynników zewnętrznych (tb), c � nagłe w wyniku kumulacji mikro-uszkodzeń po zadziałaniu sprzyjającego czynnika zewnętrznego z wcześniejszym uszkadzaniem

się stopniowym (tc)

61Przegląd WLiOP

Rys. 7. Schemat wyznaczania stanów niezawodnościowych z uwzględnieniem tzw. uszkodzeniastopniowego

62 LUTY 2002

do bardzo trudnych zagadnień diagnostykitechnicznej.

Istotą eksploatacji jest także możliwośćreagowania na powstałe niesprawnościi uszkodzenia odnową realizowaną w pod-systemie utrzymania zdatności SP. Odnowaprzywraca stan zdatności w pełnym zakre-sie cech danego elementu, zespołu czy teżcałego SP albo stan częściowej zdatnościz góry założonego parametru użytkowania(PU), np. czasu przelotu SP do bazy remon-

towej. Takie sytuacje schematycznie przed-stawiono na rys. 8. Na rysunku zaznaczonosymbolicznie wykonanie odnowy dla takichprzypadków uszkodzeń, dla jakich ta odno-wa jest możliwa.

Opis oraz badanie niesprawności i uszko-dzeń, wykrycie rzeczywistej (lub rzeczywi-stych) przyczyny ich powstania ma kapital-ne znaczenie dla doskonalenia konstrukcjilotniczych, doskonalenia metod, proceduri narzędzi utrzymania zdatności SP, a także

Tabela 4Zestawienie czynników mających wpływ na zapewnienie odporności SP na powstawanie

niesprawnościCzynniki zapewniające nieuszkadzalność OT

projektowo-konstruktorskie technologiczne eksploatacyjneRacjonalne schematy konstrukcyj-ne

Odpowiednie procesy produkcjii kontroli

Organizacja użytkowania

Obliczenia wytrzymałościowe Przygotowanie produkcji Organizacja prac w zakresie utrzymy-wania zdatności

Odpowiednie materiały Stopień przygotowań kadr Stosowanie odpowiednich:– metod– procedur– narzędzi

Uwzględnienie warunków eksplo-atacji

Odpowiednie oprzyrządowanie Odpowiednia dokumentacja

Uwzględnienie możliwości odnowyLiczba i jakość badań materiałówi podzespołów

Sprawny system zbierania informacjieksploatacyjnych

Odpowiednia diagnostyka Warunki transportowania i magazyno-wania

Profilaktyka

Rys. 8. Schemat uszkodzeń katastroficznych i stopniowych z możliwością odnowy

63Przegląd WLiOP

dla stosowania � odpowiedniej w formie iczasie � profilaktyki lotniczej. W tabeli 4zestawiono główne czynniki zapewniającewysoki stopień nieuszkadzalności SP i jegoczęści składowych. Czynniki te odgrywająistotną rolę w zapewnieniu niezawodnościSP na wymaganym (zakładanym) poziomie.Czynniki te można zgrupować w trzech ob-szarach: projektowania i konstruowania,procesach wytwarzania i warunkach eksplo-atacji.

Uszkodzenia SP i jego zespołów w zde-cydowanej większości objawiają się jakopęknięcia, urwania, wyłamania itp., powstałew wyniku przekroczenia wytrzymałości rze-czywistej elementów składowych, na sku-tek oddziaływań mechanicznych, cieplnychlub elektrycznych. Na rys. 9 przedstawionoschematycznie cztery warianty przyczynuszkodzeń z przekroczeniem wytrzymałościdoraźnej elementu pod wpływem różnychczynników wymuszających.

Na rys. 9a zilustrowano sytuację, w któ-rej rzeczywiste czynniki wymuszające, dzia-łające na obiekt (zmienna losowa), powo-dują powstanie miejsca o mniejszej wytrzy-małości doraźnej Ru niż wymagana dla rze-czywistych warunków eksploatacji Re. Za-kłada się że w procesie projektowania i kon-struowania należy w pełni uwzględniać pro-cesy optymalnych czynników wymuszają-cych. Rzeczywistość eksploatacyjna wery-fikuje te założenia. Uszkodzenia wynikłe ztakiej przyczyny występują szczególnie

w początkowym okresie eksploatacji stat-ków powietrznych.

SP powinien być użytkowany zgodnie zeswym przeznaczeniem, zgodnie z opracowa-ną dokumentacją eksploatacyjną, co ozna-cza oddziaływanie na niego ściśle określo-nych czynników roboczych w określonychprzedziałach obciążeń (mechanicznych,cieplnych i elektrycznych, ogólniej elektro-magnetycznych). Z różnych powodów, czę-sto w ekstremalnych warunkach użytkowa-nia SP, może zaistnieć sytuacja, że wartośćczynników wymuszających, np. obciążeń,przekroczy wartość przewidzianą przez kon-struktora. Oznacza to, że w chwili tu rze-czywiste naprężenia w strukturze przekro-czą jego wytrzymałość i nastąpi uszkodze-nie (urwanie, odkształcenie, deformacjastruktury � rys. 9b). Przykładem takiej sy-tuacji mogą być pęknięcia struktury samo-lotów B-767 podczas lądowania (rys. 13).

Przyczyna uszkodzenia obiektu możetkwić także w procesie technologicznymwytwarzania lub remontu SP. Zmiana geo-metrii elementu, wada materiału, nieodpo-wiedni skład chemiczny oraz niewłaściwastruktura materiału, niedotrzymanie warun-ków obróbki mechanicznej i termicznej �to główne powody uszkodzeń natury tech-nologicznej. Zasadniczym działaniem mają-cym na celu uniknięcie uszkodzeń z przy-czyn technologicznych jest głęboka (wyko-rzystująca badania nieniszczące) oraz kom-pleksowa kontrola elementów i jakości mon-

Rys. 9. Schemat powstawania uszkodzeń wytrzymałościowych: σrz � naprężenia rzeczywiste; σc �naprężenia eksploatacyjne losowo powiększone; σec � naprężenia eksploatacyjne chwilowe po-

naddopuszczalne; Rk � wytrzymałość zakładana przez konstruktora; Ru � wytrzymałość rzeczywi-sta; tu� moment uszkodzenia

64 LUTY 2002

dowa degradacji nagłej może być pominię-ta, a składowa degradacji stopniowej będziezmienna, to krzywa b przybierze kształtkrzywej a.

Zatem dla krzywej typu c (rys. 6) nieza-wodność mierzona prawdopodobieństwemzdatności Ru(t) w czasie t będzie równa ilo-czynowi prawdopodobieństw dwóch możli-wych procesów: nagłej Rn(t) i stopniowejdegradacji Rs(t).

Ru(t) = Rn(t) · Rs(t)

Ponieważ czas zdatności do wystąpieniauszkodzenia podlega prawu rozkładu wy-kładniczego, a czas do uszkodzenia � pra-wu rozkładu normalnego, to Ru(t) opisujenastępujące wyrażenie:

gdzie λ i T są parametrami rozkładów. Rów-nanie (2) pozwala na zobrazowanie zmianniezawodności w funkcji czasu, o ile znanebędą parametry λ i T (rys. 10).

Do czasu t1 niezawodność Ru zmieniasię zgodnie z prawem wykładniczym, boRs (0 < t < t1) = 1. Po osiągnięciu czasu t1niezawodność elementu zaczyna się zmniej-szać intensywniej ze względu na składowąrozkładu normalnego.

Uwzględniając podstawowy związek nie-zawodności R z zawodnością Q (R + Q = 1)i oznaczając intensywność uszkodzeniaprzez λu, można zawodność elementu, któ-ry może ulec uszkodzeniu, wyrazić za po-mocą wzoru:

Dla wielu praktycznych obliczeń wystar-czy wziąć pierwszy wyraz szeregu Taylora,by otrzymać:

(3)

=)(tQu

=

−⋅−=−= ∫−

t

ut

u detR0

11 ττλλ )(exp)(

−−−= ∫

t

u dt0

1 ττλλ )(exp

(4)∫+≈t

uu dttQ0

ττλλ )()(

tażu zespołów, w zasadzie eliminująca z pro-dukcji lotniczej metody statystycznej kon-troli jakości. Na rys. 9c przedstawiono sche-mat zaistnienia uszkodzenia w momencie tu

w wyniku przekroczenia dopuszczalnycheksploatacyjnych obciążeń σe rzeczywistejwytrzymałości, mniejszej od przewidywanejprzez konstruktora, co było następstwemwady technologicznej, która obniżyła tęwartość do Rrz. Klasycznym przykładem ta-kiego uszkodzenia jest uszkodzenie, któredoprowadziło do katastrofy samolotu Ił-62M(rys. 15). Wady technologiczne rzutują naniezawodność początkową obiektu.

Już wcześniej wspomniano o uszkodze-niach powstałych w wyniku ciągłych pro-cesów degradacyjnych, czyli nieodwracal-nych procesów prowadzących do zmianywłasności fizykochemicznych elementów.Procesy te powodują zmniejszenie doraźnejwytrzymałości Ru, wskutek czego w dowol-nej chwili tu przewidywane i dopuszczalneobciążenie eksploatacyjne może przekro-czyć wartość Ru (rys. 9d), doprowadzającdo powstania uszkodzenia. Niedopusz-czaniu do powstawania takich uszkodzeńsłuży dobrze rozwinięta diagnostyka tech-niczna.

Uszkodzenia są w konsekwencji wyni-kiem degradacji elementu lub elementówwchodzących w skład systemu (zespołu,całego SP). Degradacja jest konsekwencjątrwania procesów starzeniowych, obciążeńmechanicznych, cieplnych i innych. Uszko-dzenia powstałe w wyniku degradacji mająbezpośredni wpływ na niezawodność, bez-pieczeństwo, gotowość i efektywność sys-temów lotniczych.

Niezawodność, niesprawnościi uszkodzenia

Pokazany na rys. 6 przykład c jest repre-zentatywny dla dowolnych typów uszkodzeńbędących przyczyną niesprawności. Kiedyskładowa degradacji stopniowej będzie sta-ła, to krzywa c przybierze kształt krzywej bopisującej uszkodzenie nagłe. Kiedy skła-

(1)

(2)τσ

τπσ

λ dTetRt

tu ∫

∞−

−=2

2

22

1 )(exp)(

65Przegląd WLiOP

Celem diagnostyki technicznej jest prze-widywanie stanu technicznego obiektu i nie-dopuszczenie do powstania niesprawnościdla tych wszystkich przypadków, kiedy de-gradacja obiektu nosi znamiona degradacjistopniowej.

Niech obiekt nosi cechę C (np. stopieńzużycia mierzony koncentracją produktówzużycia w instalacji olejowej silnika czy teżinstalacji hydraulicznej systemu sterowaniastatkiem powietrznym) o intensywności zmia-ny γ = dC/dt, a parametrem eksploatacji niechbędzie czas. Jeśli zmiana cechy C jest linio-wa, to γ = const. Niesprawność powstaje poosiągnięciu Cdop., co oznacza przejście obiek-tu w stan niesprawności (uszkodzenia). Stanpoczątkowy i końcowy zbioru obiektów cha-rakteryzują funkcje gęstości � stanu począt-kowego ϕ (C) i stanu końcowego f (t). Jeżelispojrzymy na rys. 11a, to zobaczymy, żeobiekt nr 1 ma najkrótszy resurs (trwałość)T1. Resurs grupy obiektów można oszacowaćjako wartość oczekiwaną To. W rzeczywisto-ści wiele czynników wpływa na to, że funk-cja f (t) nie ma rozkładu normalnego. Naj-istotniejszym pozytywnym czynnikiem jestnajczęściej proces obsługiwania i diagnosty-ki (w skrócie obsług technicznych � OT) �rys. 11b. Łatwo można wyznaczyć wartościśrednie γśr i Tśr.

Tśr = (Cd � Co) /γśrWartość Tśr jest medianą funkcji f (t) dzie-

lącą rozkład na dwa równe pola, gdzie: To �

wartość oczekiwana, σ � odchylenie stan-dardowe Td = To � 3σ wyznacza pole za-wodności.

FIZYCZNE I CHEMICZNE ZJAWISKANIESPRAWNOŚCI I USZKODZEŃ

Zjawiska destrukcjielementów obiektów technicznych

Podstawowym czynnikiem powstawanianiesprawności i uszkodzeń jest destrukcja(degradacja) struktury konstrukcyjnej i ma-teriału elementów SP. Destrukcje inicjujączynniki zewnętrzne lub wewnętrzne po-przez różnego rodzaju zjawiska fizycznei chemiczne.

Zjawiska inicjujące degradację i dopro-wadzające do stanu niesprawności czy teżuszkodzenia można podzielić na:◆ wewnętrzne (wynikające z czynności wy-

konywanych przez obiekt): mechaniczne,cieplne, elektryczne;

◆ zewnętrzne (wynikające z pracy, w zało-żonym, często zmieniającym się otocze-niu): klimatyczne, chemiczne, biologicz-ne, wykonywania prac (np. obsługowych),w wyniku użytkowania (niewłaściwegoużytkowania) itp.W wyniku działania tych czynników roz-

wijają się (lub rozwinąć się mogą) następu-jące procesy fizykochemiczne:● tribologiczne, wywołujące zużywanie po-

wierzchni elementów trących systemówtribologicznych;

(5)

Rys. 10. Niezawodnośćelementu na uszkodzenia.Przykład stopniowej i na-głej degradacji elementu

66 LUTY 2002

● powodujące kruche i zmęczeniowe pęka-nie elementów ST, czego konsekwencjąw praktyce są pęknięcia, urwania, od-kształcenia, złamania itp.;

● korozyjne, erozyjne;● starzeniowe;● powodujące zmianę struktury materiału

(np. w wyniku przegrzania) lub delami-nację (np. kompozytów).

Destrukcyjne czynniki mechaniczne

Praca SP lub otoczenie wywołuje działa-nie różnych sił statycznych lub dynamicz-nych (udary, drgania, wibracje, hałas). Siłystatyczne � opory robocze, siły napędowe,siły bezwładności, siły sprężystości, siłydyspozycyjne (zwane oporami szkodliwymi)� zmieniają swój wektor co do modułu,miejsca przyłożenia czy też czasu ich wy-stąpienia. Często siły statyczne przekształ-cają się w zmienne o zróżnicowanej ampli-tudzie i częstotliwości, powodujące drgania,wibracje i hałas (ogólnie: drgania). Wpływdrgań charakteryzuje się stopniowym dopro-wadzaniem do niszczenia konstrukcji OT,nawet wtedy, gdy poziom drgań jest niski.Rozróżnia się zmęczeniowe pękanie nisko-cykliczne lub wysokocykliczne. Strumieniegazów mogą wywoływać takie zjawiska, jakerozja, kawitacja.

Destrukcyjne czynniki cieplne

Destrukcyjne czynniki cieplne wywołu-ją przemiany energetyczne jednej postacienergii w inną lub wytwarzanie energii(spalanie paliwa). W wyniku nagrzewaniasię elementów � poprzez konwekcję albooddziaływanie strumienia gazów � mogąwystępować natychmiastowe lub stopnio-we zmiany w materiałach (w strukturze lubskładzie chemicznym, przy czym ich szyb-kość zwiększa się ze wzrostem tempera-tury do czwartej potęgi po przekroczeniuwartości temperatury dopuszczalnej). Podwpływem temperatury maleją mechanicz-ne własności tworzyw sztucznych, gumi kompozytów. Destrukcyjne czynnikicieplne powodują starzenie się tych ma-teriałów. To starzenie może być przyspie-szane w wyniku oddziaływania pola elek-tromagnetycznego i obciążeń mechanicz-nych.

Destrukcyjne czynniki chemicznei biologiczne

Destrukcję elementów SP mogą wywoły-wać związki chemiczne i biologiczne po-wstające w czasie pracy obiektu bądź po-chodzące z otoczenia. Czynniki te powodu-ją różne formy korozji.

Rys. 11. Schemat rozkładu degradacji obiektu o stałej intensywności (a) i z uwzględnieniem ob-sług technicznych (b)

67Przegląd WLiOP

Destrukcyjne czynniki eksploatacyjne

Zalicza się do nich niewłaściwe działa-nia personelu w podsystemach użytkowaniai utrzymania zdatności SP. Dużą rolę odgry-wa tu człowiek � jego przygotowanie facho-we, predyspozycje, odpowiedzialność. Pe-wien wpływ na powstawanie tych czynni-ków mają metody, procedury i narzędziastosowane w czasie eksploatacji.

Procesy zużywania tribologicznego

Zużywanie utleniające. Jest to najpow-szechniejszy z procesów chemiczno-mecha-nicznych mających wpływ na procesy zu-życia. Polega na sukcesywnym tworzeniu iusuwaniu warstewki tlenku. Proces ten maprzebieg ustabilizowany jeśli szybkość two-rzenia tlenku równa jest szybkości jego nisz-czenia. Temu procesowi zużycia można za-pobiegać, stosując odpowiednio dobranemateriały bądź też modyfikując własnościwarstwy wierzchniej.

Zużywanie ścierne. Ten rodzaj zużyciazaliczyć można do zużycia mechanicznego(czasami również do procesu chemiczno--mechanicznego). W zależności od twardo-ści ziarna i materiału odkształcanego mówisię bądź o mikroskrawaniu, bądź o bruzdo-waniu.

Zużywanie zmęczeniowe. W procesachtribologicznych zasadniczo wyodrębnia siędwa typy zużycia zmęczeniowego � pittingi spalling. Różnią się one efektami, gdyżich przyczyny są identyczne. Zużycie przezzmęczenie polega na cyklicznym obciąża-niu warstwy wierzchniej. Powoduje toznaczną koncentrację naprężeń tuż pod po-wierzchnią. Im mniejsza powierzchnia sty-ku, tym te naprężenia są wyższe. W wynikuuplastycznienia i innych efektów zmęczenio-wych dochodzi do oddzielenia się bądź gru-dek (pitting), bądź płatków metalu (spal-ling). Zapobieganie efektom zmęczenia war-stwy wierzchniej polega na jej utwardzaniui doborze środka smarnego. Odpowiedniodobrany środek smarny znacznie obniża lo-kalne naprężenie.

Zużywanie odkształceniowe. Zużycieodkształceniowe polega na zużyciu elemen-tów � zmianie ich geometrii � w wynikutarcia i występowania naprężeń przekracza-jących granicę plastyczności. Przeciwdzia-łanie polega na odpowiednim doborze ma-teriałów, a także środka smarnego.

Procesy korozyjne

Konstrukcje SP odporne na korozjęw jednym miejscu mogą być nieodporne nanią w innym. W agresywnych środowiskachmogą występować w elementach konstruk-cyjnych różne postacie korozji, np. korozjawżerowa, korozja międzykrystaliczna czykorozja naprężeniowa.

Korozja wżerowa (elektrochemiczna)niszczy powierzchnię i objętość elementu.Korozja międzykrystaliczna rozprzestrzeniasię wzdłuż granic ziaren metali lub ich sto-pów i nie jest widoczna. Ujawnia ją dopie-ro spadek właściwości mechanicznych ma-teriału lub badanie ich szlifów. Czasamimożna ją wykryć za pomocą defektoskopiikolorowej. Korozja tego rodzaju jest bar-dzo niebezpieczna, ponieważ zachodzi bar-dzo szybko, głęboko niszczy materiał i jesttrudna do wykrycia podczas przeglądów.Podatne na tę korozję są między innymi sto-py aluminium typu dural oraz stale nie-rdzewne.

Korozja naprężeniowa zachodzi podwpływem jednoczesnego oddziaływania śro-dowiska korozyjnego oraz naprężeń rozcią-gających. Jest jedną z najbardziej niebez-piecznych postaci korozji, albowiem w wa-runkach eksploatacji konstrukcji rozwija sięw sposób utajony. Tworzą się liczne i nie-mal niedostrzegalne mikroszczeliny, czylipęknięcia o przebiegu prostopadłym do kie-runku działania naprężeń, rozwijające sięw miarę upływu czasu w głąb materiału,podczas gdy na powierzchni nie obserwujesię żadnych oznak procesu niszczenia. Na-prężenia niszczą ochronną warstwę tlenkóww mikroszczelinach, w związku z czym pro-ces korozji nie może zostać zahamowany.Naprężenia, przy których występuje koro-

68 LUTY 2002

zja naprężeniowa, są znacznie mniejsze odnaprężeń powodujących pękanie części wy-konanych z tego samego materiału, leczobciążonych w warunkach niekorozyjnych.Niejednokrotnie zniszczenie następuje wwarunkach braku obciążenia, jedynie podwpływem naprężeń własnych.

Korozja elementów konstrukcji możeprzyczynić się do obniżenia trwałości zmę-czeniowej konstrukcji, jak również powo-dować pęknięcia jednorazowe.

Destrukcja kompozytów

Pod wpływem działania obciążeń statycz-nych � krótko- i długotrwałych, zmęczenio-wych i cieplnych w strukturze kompozytówmogą rozwijać się różne uszkodzenia struk-turalne, takie jak pęknięcia poprzeczne ży-wicy i włókien czy rozwarstwienia (delami-nacja). Uszkodzenia te wywołują stopnio-wą degradację właściwości mechanicznychkompozytu, co objawia się obniżeniem wła-sności wytrzymałościowych, zmianami gę-stości materiału, wartości współczynnikówtłumienia drgań itp. Zmiany te mogą zacho-dzić czasami w obszarze obciążeń uznawa-nych za dopuszczalne.

Podczas eksploatacji statku powietrzne-go, do którego budowy użyto materiałówkompozytowych, trzeba uwzględniać de-strukcyjne oddziaływanie zmian temperatu-ry. Dla małych zmian pola temperatur ter-miczne zachowanie materiału kompozyto-wego jest zasadniczo takie samo jak dla ma-teriałów jednorodnych, dla silniejszychzmian obserwuje się powstawanie nieciągło-ści lokalnych, efektów krawędziowych izmian mikrostrukturalnych.

Skutek termodynamiczny wywołany przezzmienne pole temperatury powoduje:● zmianę rozszerzalności cieplnej;● zmianę przewodności cieplnej;● zmianę właściwości mechanicznych, rów-

nież sprężystych.W rzeczywistych warunkach eksploatacji

zmiany te występują najczęściej jednocze-śnie.

PRZYKŁADY USZKODZEŃSTATKÓW POWIETRZNYCH

Warunkami koniecznymi zapewnieniabezpiecznych konstrukcji SP i jego zespo-łów są: odpowiednia wytrzymałość na sto-chastycznie zmienne obciążenia oraz stwo-rzenie możliwości wykrywania uszkodzeńpodczas diagnozowania w czasie rzeczywi-stym lub w czasie prac utrzymujących zdat-ność SP.

W strukturze kadłuba, skrzydeł, wlotówsilników i usterzenia SP najwięcej uszko-dzeń odnotowuje się w powłokach. Uszko-dzenia te, typu mechanicznego, będące skut-kiem kolizji z ciałami obcymi podczas star-tów i lądowań (odpryski betonu, gruntu,ptaki), powodują kosztowne przerwyw użytkowaniu statków powietrznych. Wy-krycie takich uszkodzeń podczas przeglą-dów wykonywanych po każdym locie (prze-glądy polotowe) nie sprawia większych trud-ności, natomiast ich niewykrycie może stwa-rzać, w konsekwencji, sytuacje bardzo kło-potliwe.

Uszkodzenie lokalne może w zasadniczysposób zmienić przebieg procesu pękaniazmęczeniowego uszkodzonej konstrukcjii wymuszać przeciwdziałanie niebezpiecz-nym skutkom. Takie uszkodzenie i rozwi-nięcie się pęknięcia zmęczeniowego na ogółznacznie skraca czas użytkowania SP.

Powstawanie uszkodzeniabieżnika opony koła SP

Na rys. 12 pokazano przekrój opony kołaSP (rys. 12a) i zmianę grubości bieżnika hw wyniku naturalnego zużycia (procesówtribologicznych) w czasie startu i lądowa-nia SP oraz wnikania na głębokość g ostrychciał obcych, jakie mogą znaleźć się na pa-sie startowym (mogą to być kamienie, od-pryski betonu, elementy mechaniczne itp.).Różnica grubości ∆ [∆(t) = h(t) � g(t)] dajezapas wytrzymałości protektora. Na przy-kład w momencie th zużycie opony możebyć już na tyle duże, że wartość hp możebyć porównywalna z wartością głębokości

69Przegląd WLiOP

wnikania ciał uszkadzających protektor. Je-żeli zaistnieje warunek ∆p = hp � g ≤ 0 , na-stępuje uszkodzenie nagłe. Wymiana opo-ny przywraca sytuację wyjściową.

Pęknięcie kadłuba SP

Na samolocie pasażerskim B-767 po wy-lądowaniu zaobserwowano wyraźne pęk-nięcie kadłuba (rys. 13a) w okolicy wręgiSTA 654 (rys. 13b). Analiza wykazała, żedo tego zdarzenia eksploatacyjnego doszłodlatego, że dopuszczalna wytrzymałość ele-mentu konstrukcji kadłuba (pomiędzy seg-mentami kadłuba STA 588 i STA 654) oka-zała się niewystarczająca dla naprężeń po-wstałych w momencie tzw. twardego przy-ziemienia przedniego podwozia SP. Twar-de przyziemienie odznaczało się tym, żesiła uderzenia przedniego podwozia dałataki moment siły, iż naprężenia rzeczywi-ste okazały się większe od dopuszczalnych(rys. 13c).

W tym przypadku analiza czynników wy-muszających w rzeczywistych warunkacheksploatacji (lądowania) nie była wystarcza-jąco wnikliwa. Niedoskonałość przeprowa-dzonych obliczeń wytrzymałościowych możewynikać np. ze skomplikowanej geometriielementu, struktury konstrukcji. Prowadzito do tego, że rzeczywista wartość czynni-ków roboczych, np. obciążeń w chwili tu

przekracza przyjętą przez konstruktora zdol-ność do przenoszenia obciążeń, w efekcieczego następuje uszkodzenie.

Przykład ten to niemal klasyczne potwier-dzenie celowości tzw. myślenia eksploata-cyjnego, z jednej strony konstruktorów, któ-rzy muszą przewidzieć możliwe wartościprędkości kątowych opadania przedniej czę-ści kadłuba samolotu po przyziemieniu kółgłównych podwozia, z drugiej strony � za-łogi samolotu, która nie możne przekraczaćzakładanej prędkości i sił przyziemieniasamolotu.

To uszkodzenie jest klasycznym przykła-dem uszkodzenia mechanicznego pokazane-go na rys. 9b.

Uszkodzenie podwozia SP

Modele uszkodzeń SP przedstawione narys. 9d to przykłady uszkodzeń powstałychw wyniku przekroczenia obciążenia powy-żej obniżonej doraźnej wytrzymałości, wy-nikłej z oddziaływania fizycznych procesówdestrukcyjnych, jakimi mogą być korozja,erozja, zużycie tribologiczne czy też rozwi-jające się pęknięcie zmęczeniowe. Ten ostat-ni przypadek ilustruje uszkodzenie podwo-zia jednego z samolotów pasażerskich.W czasie startu pękła (rozczłonowała się) ośjednego z kół podwozia głównego (rys.14b). Przyczyną tego było osłabienie prze-

Rys. 12. Model powstawania uszkodzenia w oponie SP: a � przekrój opony; b � zmiana wartościparametrów geometrycznych

70 LUTY 2002

kroju poprzecznego osi tylnego koła pod-wozia głównego w wyniku rozwijającego sięzmęczeniowego pękania w miejscu zazna-

czonym na rys. 14a. Pękanie to zainicjowa-ne zostało korozją chemiczną (na rys. 14codznaczającą się ciemniejszym, brązowym

Rys. 13. Uszkodzenie SP w postaci pęknięcia kadłuba (rys. ze zbiorów B. Jancelewicza)

71Przegląd WLiOP

Rys. 14. Uszkodzenie podwozia samolotu pasażerskiego w wyniku zmęczeniowego pęknięcia osikoła (rys. ze zbiorów B. Jancelewicza): a � kadłub samolotu z widocznym pęknięciem; b � uszko-

dzone koło; c � miejsca korozji i przekroje pęknięcia zmęczeniowego

72 LUTY 2002

Rys. 15. Uszkodzenia samolotu Ił-62M Kopernik PLL LOT: a � sylwetka samolotu; b � miejsceuszkodzeń silnika, mechanizmów sterowania i dysku turbiny; c � przekrój wału w miejscu uszko-

dzenia

73Przegląd WLiOP

kolorem). Samolot wylądował z uszkodzo-nym podwoziem i został usprawniony po-przez naprawę (wymianę).

Zmęczeniowe pęknięcie wału w silnikuturbinowym

W 1980 r. czterosilnikowy samolot Ił-62M Kopernik uległ katastrofie (pod War-szawą). Zginęło 87 pasażerów i załoga sa-molotu.

Przyczyną katastrofy było przecięcie po-pychaczy sterów wysokości i kierunku orazuszkodzenie trzech silników (rys. 15).Uszkodzenie popychaczy i dwóch silnikówspowodowały fragmenty jednej z tarcz tur-biny silnika nr 2. Do fragmentacji tarczyturbiny doszło w wyniku rozkręcenia tur-biny ponad dopuszczalną wartość prędko-ści obrotowej (nmaks.) w związku z pęknię-ciem wału w tym silniku. Przyczyną pier-wotną katastrofy było pęknięcie wału, a toz kolei miało podłoże w wadliwie opraco-wanej technologii wykonywania wału,stwarzającej możliwość popełnienia błęduwykonawczego i zaistnienia takiego błęduw procesie wytwórczym. Błąd ten nie zo-stał wykryty (a powinien) przez wewnętrz-ną kontrolę międzyoperacyjną.

W procesie technologiczno-wytwórczympopełniono następujące błędy:◆ Zastosowano technologię wykonywania

frezowania otworu wewnętrznego zezmianą średnicy na długim wysięgniku,powodującą możliwość powstania nieza-mierzonego karbu, w którym może roz-winąć się pęknięcie zmęczeniowe. I takwłaśnie się stało.

◆ W procesie wytwórczym nie obrobiono zodpowiednią dokładnością powierzchniwewnętrznej i odpowiednich promienitechnologicznych. Użyto materiału z za-nieczyszczeniami wewnętrznymi (gdziebyła kontrola fabryczna?).W wyniku narastającej liczby cykli pra-

cy wału (zmiennych obciążeń) zarodkowa-ne w karbie mikropęknięcia rozwinęły sięw pęknięcie zmęczeniowe, doprowadzając

do katastrofy lotniczej. Z tej katastrofy wy-ciągnięto wnioski: zmieniono technologięwytwarzania wałów, opracowano i wdrożo-no odpowiednią diagnostykę wałów eksplo-atowanych silników. Zabrakło umiejętnościmyślenia eksploatacyjnego.

Zmęczeniowe pęknięciekomory ciśnieniowej

W dniu 12 sierpnia 1985 r. doszło donajwiększej katastrofy lotniczej. Uległ jejsamolot B-747 linii lotniczej JAL, przysto-sowany do lotów na krótkie odległości z du-żą liczbą pasażerów. Zginęło ponad 500pasażerów i załoga. Przebieg zdarzeń byłnastępujący: po kilkunastu minutach lotupilot odczuł trudności w sterowaniu samo-lotem. W rzeczywistości odpadł ster kierun-ku i pilot praktycznie nie mógł sterować sa-molotem. Udało mu się, poprzez sterowa-nie silnikami, utrzymać samolot w locieprzez prawie 20 minut. Odpadnięcie sterunastąpiło w wyniku rozerwania się tylnejprzegrody kabiny ciśnieniowej (rys. 16).Przyczyną rozerwania było rozwinięcie siępęknięć zmęczeniowych, które zainicjowa-ne zostały w wyniku wadliwej technologiiremontu tylnej części kadłuba tego samo-lotu po jej niedużym uszkodzeniu eksplo-atacyjnym. Błąd w remoncie polegał na za-stosowaniu pojedynczego nitowania, za-miast podwójnego, elementów wspomnia-nej komory ciśnieniowej.

Dla pracowników wykonujących remontistotny był sam fakt wykonania połączenia.Zabrakło myślenia eksploatacyjnego � re-fleksji nad ewentualnymi skutkami takoszczędnego nitowania.

Tribologiczne zużycie pierścieniuszczelniających w silniku turbinowym

Tribologiczne zużycie pierścieni uszczel-niających pokazano na przykładzie silnikaturbinowego R11-F300 samolotu MiG-21.W wyniku obciążeń elementów silnika siła-mi powstającymi w czasie manewrów akro-bacyjnych, pierścienie jednego z siedmiu

74 LUTY 2002

węzłów tribologicznych łożyskowania wałówsilnika uległy przyspieszonemu zużyciu, comogło spowodować rozszczelnienie instala-cji olejowej i zatarcie silnika w powietrzu.

Schematyczny obraz zużytych pierścienipokazano na rys. 17. Wykrywanie postępu-jącego zużywania się takich pierścieni, jaki innych części w węzłach tribologicznych

Rys. 16. Elementy lotu i uszkodzenia samolotu B-747 JAL: a � sylwetka samolotu; b � widok tyl-nej przegrody; c � przykład dobrej i złej naprawy

75Przegląd WLiOP

instalacji olejowej silników turbinowychumożliwia metoda diagnostyczna (wdrożo-na i stosowana w jednostkach lotniczych odkilkunastu lat) polegająca na badaniu pro-duktów zużycia z wykorzystaniem metodyrentgenowskiej fluorescencji radioizotopo-wej (XRF) opracowanej w ITWL (rys. 18i rys. 19).

Pęknięcia korozyjne pompy olejowejlotniczego silnika turbinowego

Wada materiału � elektronu, z jakiegowykonany jest korpus pompy olejowej w in-stalacji olejowej silnika R11-F300, spowo-dowała rozwinięcie się korozji międzykry-stalicznej. Spowodowało to podczas lotu�wyciśnięcie� oleju przez powstałe szczeli-

Rys. 17. Tribologiczne zu-życie pierścieni i kanałów wwęźle labiryntowym silnikaturbinowego R11F 300

Rys. 18. Zestaw laboratoryjny do badania produktów zużycia węzłów tribologicznych w systemacholejenia i w układach hydraulicznych statku powietrznego oparty na metodzie spektrometrycznej

76 LUTY 2002

ny (po 20 minutach) i w konsekwencji za-tarcie łożysk silnika i jego wyłączenie się.

Pęknięcie klapy skrzydła samolotu

Typowym przykładem zmęczeniowegopęknięcia konstrukcji SP może być pęknię-cie klapy skrzydła samolotu MiG-21. Przy-czyna tkwiła w błędzie konstrukcyjnym.Uszkodzenie powstało na dobrze widocznejpowierzchni klapy. Rozwijało się ze stałąprędkością. Jest to typowy przykład pęknię-cia bezpiecznego.

Bibliografia

1. Borgoń J., Barszcz P., Klimaszewski S.: Ocena sta-nu technicznego jednym z elementów procesu zwięk-szania resursów płatowców statków powietrznych.�Problemy Eksploatacji� 4/2001 (43), 2001.

2. Kłysz S.: Szacowanie trwałości wybranych mate-

riałów i elementów konstrukcji lotniczych w zakre-sie rozwoju pęknięć zmęczeniowych. Prace nauko-we ITWL, z. 5, Warszawa 1999.

3. Kustroń K.: Badanie procesu degradacji strukturywysoko obciążonego połączenia metal-kompozytpolimerowy w procesie eksploatacji. Rozprawa dok-torska. ITL i MS PW, Warszawa 2001.

4. Lewitowicz J.: Podstawy eksploatacji statków po-wietrznych-statek powietrzny i elementy teorii. Wyd.ITWL, Warszawa 2001.

5. Migdalski J.: Inżynieria niezawodności. Poradnik.Wyd. ZETOM, Warszawa 1992.

6. Szala J.: Hipotezy sumowania uszkodzeń zmęcze-niowych. Wyd. ATR, Bydgoszcz 1998.

7. Szala J.: Zmęczeniowe pękanie materiałów i kon-strukcji � rozwój nauki i zastosowań praktycznych.ZEM, z. 2 (126), 2001.

8. Szczerek M., Wiśniewski M.: Tribologia � tribo-technika, Wyd. ITE, Radom 2000.

9. Ważyńska-Fiok K.: Podstawy teorii eksploatacjii niezawodności systemów transportowych. Wyd.PW, Warszawa 1993.

Rys. 19. Zestaw polowy do badania produktów zużycia węzłów tribologicznych stosowany w jed-nostkach lotniczych

The author, a professor of Air Force Institute of Technology, talks over ideas and models ofairships inefficiency and damage, physical and chemical phenomena of inefficiency and da-mage, and he also presents examples of damages.