Luận án tiến sĩ nghiên cứu phương pháp xác định tiêu hao tuổi thọ thực tế của kết cấu máy ba

CÁC KÝ HIỆU SỬ DỤNG Ktt - Hệ số tiêu hao tuổi thọ thực tế ki - Mức tải, bằng tỷ số giữa ứng suất tải sử dụng với ứng suất tải phá hủy mtbt - Số hỏng hóc trung bình sau thời gian t n - Số

BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LÊ NGUYÊN CƯỜNG

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH TIÊU HAO TUỔI THỌ THỰC TẾ CỦA KẾT CẤU MÁY BAY

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực

Mã số: 62520116

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 PGS.TS Lê Quang

2 PGS.TS Ngô Sỹ Lộc

Hà Nội - 2016

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Những nội dung,

số liệu và kết quả trình bày trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa có tác giả nào công bố

Người hướng dẫn 1

PGS.TS Lê Quang

Người cam đoan

Lê Nguyên Cường Người hướng dẫn 2

PGS.TS Ngô Sỹ Lộc

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận án này, tôi đã được sự hướng dẫn, tạo điều kiện và giúp

đỡ tận tình của Viện đào tạo sau đại học, bộ môn Hàng không - Vũ trụ, Viện Cơ khí Động lực, Đại học Bách khoa Hà Nội và sự hướng dẫn nhiệt tình, chu đáo của PGS.TS Lê Quang, PGS.TS Ngô Sỹ Lộc

Trong quá trình nghiên cứu, tôi được Lãnh đạo, Chỉ huy Viện Kỹ thuật Phòng Không - Không Quân, phòng N/C Máy bay Động cơ, Phòng N/C Thiết bị hàng không quan tâm, tạo điều kiện giúp đỡ về thời gian cũng như các trang thiết bị thí nghiệm, cung cấp tài liệu, giúp đỡ thực hiện các thí nghiệm trong Phòng thí nghiệm của Viện

Tôi được Cục Kỹ thuật Phòng không - Không quân, Trung đoàn 910, Trường

sĩ quan Không quân Nha Trang cung cấp tài liệu về máy bay, khai thác máy bay và

số liệu thống kê các chuyến bay

Tôi được các giáo sư, phó giáo sư, tiến sĩ và đồng nghiệp góp ý, tư vấn nhiều

ý kiến và cung cấp một số tài liệu quý

Tôi xin bày tỏ sự biết ơn sâu sắc

Hà Nội, ngày 7 tháng 3 năm 2017

Lê Nguyên Cường

MỤC LỤC

Lời cam đoan ……… 2

Lời cảm ơn ……… 3

Các chữ viết tắt ……… 7

Các ký hiệu sử dụng ……… 8

Danh mục các bảng ……… 9

Danh mục các hình vẽ, đồ thị ……… 10

Mở đầu ……… 12

Chương I: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu ……… 17

1.1 Những khái niệm chung về tuổi thọ máy bay và kết cấu máy bay…… 17

1.2 Phương pháp xác định tuổi thọ của kết cấu máy bay trong hệ thống khai thác hiện hành ……… …

22 1.3 Một số khái niệm về mỏi và mỏi gỉ kết cấu máy bay ……… 27

1.4 Tổng quan về tình hình nghiên cứu lĩnh vực độ tin cậy và tuổi thọ kết cấu máy bay ………

36 1.5 Tổng quan về nghiên cứu giải mã các tham số bay trên hệ thống kiểm tra khách quan của máy bay………

39 1.6 Tổng quan về máy bay và kết cấu máy bay L-39……… 40

1.7 Kết luận chương I ……… 42

Chương II: Xây dựng phương pháp xác định tiêu hao tuổi thọ thực tế của kết cấu máy bay ………

44 2.1 Sự cần thiết phải xây dựng phương pháp ……… 44

2.2 Cơ sở khoa học để xây dựng phương pháp xác định tiêu hao tuổi thọ thực tế của kết cấu máy bay ………

45 2.2.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến tiêu hao tuổi thọ các phần tử kết cấu máy bay ………

46 2.2.2 Cơ sở và khả năng đánh giá các yếu tố điều kiện sử dụng ảnh hưởng đến tuổi thọ kết cấu máy bay ……….………

54

Trang 2.3 Nội dung cơ bản của phương pháp và bài toán tính tiêu hao tuổi thọ

thực tế ………

55 2.4 Một số yêu cầu để áp dụng phương pháp ……… 57

2.5 Kết luận chương II ……… 59

Chương III: Xác định tần số tải lặp lên kết cấu máy bay ………… 60

3.1 Đặt vấn đề ……… 60

3.2 Phương pháp mô phỏng để xác định tần số tải lặp lên kết cấu ……… 63

3.3 Sử dụng hệ thống kiểm tra khách quan DTS-39-12 để xác định tần số lặp của tải lên phần tử kết cấu máy bay……….…… ……… 68

3.3.1 Giới thiệu hệ thống ……… 68

3.3.2 Hệ thống chương trình và sản phẩm giải mã khách quan ……… 70

3.3.3 Chương trình tính tần số tải lặp lên phần tử kết cấu ……….………… 71

3.4 Kết quả phân tích, xác định tần số tải lặp lên phần tử kết cấu máy bay 75 3.5 Kết luận chương III ……… 77

Chương IV: Xác định độ bền mỏi gỉ của phần tử kết cấu máy bay 78 4.1 Đặt vấn đề ……… 78

4.2 Phương pháp nghiên cứu ……… 79

4.3 Thiết bị thử mỏi gỉ ……… ……… 84

4.4 Kết quả thí nghiệm xây dựng các đường cong mỏi gỉ …… ………… 87

4.5 Sử dụng đồ thị các đường cong mỏi để tính toán số chu kỳ phá hủy mỏi gỉ kết cấu ……… 91

4.6 Kết luận chương IV…… ……… 96

Chương V: Chương trình tính toán và kết quả ……… 97

5.1 Cơ sở xây dựng chương trình ……… 97

5.2 Lưu đồ thuật toán của chương trình phần mềm ……… 98

5.3 Các bước tính toán chương trình ……… 99

5.4 Kết quả tính toán ……… 101

5.5 Kết luận chương V……… 102

Trang

Kết luận chung ……….……… 104

Tài liệu tham khảo ……… 106

Danh mục các công trình đã được công bố ……… 111

Phụ lục……… 112

MBĐC - Máy bay động cơ

NVKT - Nhân viên kỹ thuật

NCS - Nghiên cứu sinh

PK-KQ - Phòng không - Không quân

QĐNDVN - Quân đội nhân dân Việt Nam

SCDP - Sửa chữa dự phòng

SSCĐ - Sẵn sàng chiến đấu

THTTTT - Tiêu hao tuổi thọ thực tế

TTBKT - Trang thiết bị kỹ thuật

CÁC KÝ HIỆU SỬ DỤNG

Ktt - Hệ số tiêu hao tuổi thọ thực tế

ki - Mức tải, bằng tỷ số giữa ứng suất tải sử dụng với ứng suất tải phá hủy

mtb(t) - Số hỏng hóc trung bình sau thời gian t

n - Số lượng máy bay khai thác sử dụng

ni - Số chu kỳ của tải nyi tác động lên kết cấu

nx - Hệ số quá tải dọc

ny - Hệ số quá tải đứng

nz - Hệ số quá tải ngang

Ni - Số chu kỳ phá hủy của tải lặp mức nyi

Pađ - Độ tin cậy ấn định của kết cấu

P(t) - Xác suất làm việc không hỏng sau thời gian t

ti - Thời gian hoạt động đến hỏng hóc

ttb - Thời gian trung bình hoạt động đến hỏng hóc

X(t) - Tập tham số đặc trưng trạng thái tại thời điểm t

X(t+t) - Tập tham số đặc trưng trạng thái tại thời điểm dự báo t+t

Y(t) - Tham số đầu ra

ג(t) - Cường độ hỏng hóc

tt - Cường độ phá huỷ mỏi thực tế của kết cấu

ad - Cường độ phá huỷ mỏi ấn định của kết cấu

i - Hệ số ảnh hưởng của điều kiện khí hậu vùng khai thác máy bay

f(t,**

) - Mật độ phân bố thời gian làm việc đến thời điểm đạt giá trị giới hạn **

fi - Tần số tải lặp của tải nyi

ω(t)- Dòng hỏng hóc

ω gh - Dòng hỏng hóc giới hạn

σmax - Ứng suất cực đại

σm - Ứng suất trung bình

Kmax - Hệ số tải cực đại

x - Khoảng cho phép của tập tham số đặc trưng trạng thái

(,T2) - Mật độ xác suất tham số (t) ở thời điểm T2

**- Giá trị giới hạn của tham số trạng thái khi vượt qua sẽ có hỏng hóc

(t) - Tham số trạng thái tại thời điểm t

(t+t) - Tham số trạng thái tại thời điểm t+t

 - Hệ số tin cậy, tính đến độ tản mạn của kết quả thử nghiệm mỏi, độ chính xác số liệu thống kê và tính toán về độ bền mỏi

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang Bảng 1.1 Một số số liệu về máy bay và kết cấu máy bay L-39 40 Bảng 2.1 Mức độ ăn mòn khí quyển đối với hợp kim D16AT, tính bằng mg 49 Bảng 3.1 Tần số lặp của tải cho bài bay cơ động cao 75 Bảng 3.2 Tần số tải lặp cho bài bay cơ động trung bình 76 Bảng 3.3 Tần số tải lặp cho bài bay cơ động thấp 76 Bảng 4.1 Thành phần hóa học và giới hạn bền của hợp kim nhôm D16AT và

B95

79

Bảng 4.2 Hệ số ảnh hưởng i ở các vùng khí hậu 92 Bảng 4.3 Số chu kỳ phá huỷ mỏi của phần tử kết cấu 95 Bảng 4.4 Số liệu so sánh kết quả tính chu kỳ phá hủy mỏi 95 Bảng 5.1 Kết quả tính toán cho bài bay cơ động thấp (nymax= 1,8) 102 Bảng 5.2 Kết quả tính toán cho bài bay cơ động trung bình (nymax= 2,6) 102 Bảng 5.3 Kết quả tính toán cho bài bay cơ động cao (nymax= 4) 102

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Trang Hình 1.1 Qui luật phân bố mật độ hỏng hóc trong khai thác theo định kỳ 25

Hình 1.2 Sơ đồ quá trình khai thác theo định kỳ có hiệu chỉnh theo độ tin

cậy sử dụng

26

Hình 2.1 Mức độ gỉ của mẫu hợp kim nhôm D16AT có độ dày 2 mm 49 Hình 2.2 Tần số lặp tích hợp của tải đối với các bài bay 52 Hình 3.1 Biểu đồ hệ số quá tải đứng ny của kết cấu máy bay trong một

chuyến bay

62

Hình 3.2 Quá trình mô phỏng theo phương pháp cực đại 65 Hình 3.3 Quá trình mô hình hoá theo phương pháp cực trị 66 Hình 3.4 Sơ đồ khối hệ thống KTKQ DTS-39-12 70

Hình 3.6 Bảng chọn các tham số cần giải mã 71 Hình 3.7 Kết quả giải mã khách quan dạng đồ thị 72 Hình 3.8 Kết quả giải mã khách quan dạng bảng dữ liệu 72 Hình 3.9 Thuật toán chương trình tính tần số lặp của tải lê phần tử kết cấu 74 Hình 3.10 Giao diện phần mềm tính tần số tải lặp 75 Hình 3.11 Tần số lặp tích hợp của tải lên kết cấu máy bay L-39 của 3 bài

bay đặc trưng

77

Hình 4.3 Máy thử mỏi gỉ MG-01 và MG-02 của PTN Viện Kỹ thuật

PK-KQ

84

Hình 4.4 Đường cong mỏi của hợp kim D16AT trong môi trường không

khí và trong dung dịch 3,5% NaCl

87

Hình 4.7 Đường cong mỏi D16AT ở sân bay Yên Bái sau 1 năm và 3 năm 89

Hình 4.8 Đường cong mỏi của D16AT sau 1 năm tại Nha Trang, Đà Nẵng

và Tân Sơn Nhất

90

Hình 4.9 Đường cong mỏi của D16AT sau 2 năm tại Bạch Mai và Yên Bái 90

Hình 4.10 Đường cong mỏi D16AT có phủ chất ức chế và không có chất ức

MỞ ĐẦU

Tính cấp thiết của đề tài

Cho đến nay hệ thống khai thác máy bay của Quân chủng Phòng không - Không quân (PK-KQ), Quân đội nhân dân Việt Nam (QĐNDVN) chủ yếu vẫn được

tổ chức theo phương pháp định kỳ với chế độ khai thác sử dụng và bảo dưỡng, sửa chữa….theo những quy định của Liên Xô (trước đây) và CHLB Nga ngày nay [28] Các chế độ, nội dung và khối lượng công tác kỹ thuật được thực hiện theo mức độ tiêu hao dự trữ kỹ thuật và tuổi thọ của máy bay

Tuổi thọ của máy bay và định kỳ bảo dưỡng, sửa chữa kỹ thuật được qui định theo hai thông số chính: giờ bay và niên hạn sử dụng Khi một trong hai thông số đó đến giới hạn quy định thì phải dừng khai thác máy bay để đưa vào bảo dưỡng, sửa chữa hoặc thanh lý Thông thường đối với các nước tiên tiến, có hệ thống khai thác hợp lý, tuổi thọ theo giờ bay và theo niên hạn tiêu hao đồng đều, khi máy bay hết niên hạn sử dụng thì đồng thời cũng được khai thác hết giờ bay

Tuổi thọ máy bay theo giờ bay và niên hạn sử dụng do Nhà sản xuất máy bay

ấn định Giá trị đó được tính toán phù hợp với điều kiện khai thác ở nước sản xuất Khi máy bay đó được đưa vào khai thác sử dụng ở Việt Nam, do điều kiện khai thác

sử dụng có đặc điểm khác biệt so với điều kiện ở nước sản xuất nên tiêu hao tuổi thọ thực tế cũng sẽ khác [47]

Hệ thống khai thác máy bay theo định kỳ hiện hành của Quân chủng PK-KQ đã phát huy hiệu quả tốt trong nhiều thập kỷ qua Tuy nhiên, ngày nay nó cũng bộc lộ nhiều bất cập, ảnh hưởng đến hiệu quả khai thác sử dụng máy bay Bất cập lớn nhất là mâu thuẫn giữa tiêu hao tuổi thọ theo giờ bay và theo niên hạn Đối với phần lớn các máy bay trong Quân chủng PK-KQ, tiêu hao tuổi thọ theo giờ bay thường chậm hơn

so với tiêu hao tuổi thọ theo niên hạn Do khó khăn về điều kiện đảm bảo và kế hoạch huấn luyện bay, phần nhiều các máy bay hết hạn sử dụng, trong khi dự trữ giờ bay vẫn còn 30% đến 40% Tuy đã tiến hành tăng hạn sử dụng trên cơ sở đánh giá kỹ thuật của từng máy bay theo các khoảng thời gian nhất định, song toàn bộ hệ thống khai thác máy bay hiện nay vẫn cơ bản dựa trên nguyên tắc khai thác theo định kỳ [28,29]

Vì vậy, việc đưa ra khái niệm tiêu hao tuổi thọ thực tế, hay là giờ bay quy đổi,

trong đó bao hàm ảnh hưởng của yếu tố giờ bay và yếu tố niên hạn sẽ góp phần giải quyết bất cập nêu trên

Tuổi thọ thực tế của kết cấu máy bay là tuổi thọ có tính đến ảnh hưởng của điều kiện khai thác sử dụng thực tế Nó đã tính đến ảnh hưởng của các yếu tố giờ bay và niên hạn nên nó không cần tách ra thành tuổi thọ theo giờ bay và tuổi thọ theo niên hạn riêng biệt

Đặc trưng của điều kiện khai thác máy bay ở Việt Nam là khí hậu nhiệt đới

ẩm Tác động của điều kiện môi trường, khí hậu (nhiệt độ, độ ẩm, tạp chất trong không khí…) lên vật liệu của máy bay làm tăng tiêu hao tuổi thọ do gỉ, mỏi gỉ và già hoá Do chương trình huấn luyện bay, sức khỏe, trình độ và kỹ thuật lái của phi công, chế độ chịu tải của máy bay cũng khác so với điều kiện thiết kế của Nhà sản xuất, dẫn đến tiêu hao tuổi thọ thực tế của máy bay cũng sẽ khác so với ấn định

Đánh giá được ảnh hưởng của các yếu tố này, sẽ xác định được tiêu hao tuổi thọ thực tế của máy bay

Đề tài “Nghiên cứu phương pháp xác định tiêu hao tuổi thọ thực tế của kết

cấu máy bay” được tiến hành với hy vọng góp phần vào việc giải quyết những vấn

đề nêu ra ở trên

Mục tiêu và nội dung chính của luận án

Mục tiêu nghiên cứu của luận án là xây dựng phương pháp xác định tiêu hao tuổi thọ thực tế của kết cấu máy bay, vận dụng phương pháp này cho phần tử kết

cấu máy bay L-39 là loại máy bay huấn luyện chiến đấu, đào tạo phi công của Quân chủng PK-KQ

Nội dung chính của luận án:

- Tổng quan về tuổi thọ kết cấu máy bay và các vấn đề nghiên cứu liên quan;

- Xây dựng phương pháp xác định tiêu hao tuổi thọ thực tế của kết cấu máy bay

và các yêu cầu cần thiết của nó;

- Xác định tần số tải lặp lên phần tử kết cấu máy bay, làm dữ liệu đầu vào bài toán tính tiêu hao tuổi thọ thực tế;

- Xác định độ bền mỏi gỉ của phần tử kết cấu bằng thực nghiệm, làm dữ liệu đầu vào bài toán tính tiêu hao tuổi thọ thực tế;

- Lập chương trình và tính toán tiêu hao tuổi thọ thực tế cho phần tử kết cấu

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: phần tử vỏ bọc chịu lực mặt dưới gốc cánh máy bay

L-39 Qua khảo sát, đây là phần tử làm từ vật liệu D16AT, chịu tải mỏi kéo xung Phần tử này cũng đặc trưng cho các phần tử kết cấu máy bay chiến đấu, có tính cơ động cao, hệ số quá tải tác dụng lên kết cấu của nó thay đổi từ -1 đến 6 và chịu tác động trực tiếp của môi trường khí hậu ẩm, bụi, bẩn từ đường băng khi cất, hạ cánh Theo thống kê, phần tử này hay hỏng trong quá trình khai thác do bị nứt và gỉ

- Phạm vi nghiên cứu: Chỉ tiêu đánh giá trạng thái kỹ thuật của kết cấu máy

bay bao gồm: độ bền tĩnh, độ bền động, độ ổn định, độ tin cậy, độ bền lâu, tuổi thọ mỏi, tuổi thọ mỏi gỉ, độ bền chịu rung, lắc, đàn hồi khí động, các tham số tới hạn Phạm vi nghiên cứu của luận án được giới hạn là xác định tiêu hao tuổi thọ thực tế của phần tử kết cấu có tính đến ảnh hưởng của điều kiện chịu tải lặp (mỏi) và môi trường, khí hậu, niên hạn sử dụng (gỉ) Trong khuôn khổ luận án, bài toán xác định tiêu hao tuổi thọ thực tế của kết cấu áp dụng cho đối tượng là phần tử vỏ bọc chịu lực mặt dưới gốc cánh máy bay L-39 Nó cũng có thể được áp dụng để tính toán các phần tử khác của kết cấu máy bay

Phương pháp nghiên cứu

Để thực hiện được các nội dung của đề tài, phương pháp được thực hiện trong luận án là tiến hành khảo sát thực tế hệ thống khai thác máy bay hiện hành, phân tích làm rõ ưu, nhược điểm của phương pháp xác định tiêu hao tuổi thọ của các phương pháp khai thác đó Xây dựng phương pháp xác định tiêu hao tuổi thọ phù hợp với hoàn cảnh Việt Nam Lập bài toán và chương trình tính toán, thực nghiệm phục vụ cho cho việc thực thi phương pháp

Ảnh hưởng của chế độ chịu tải (bài bay và kỹ thuật lái của phi công) lên tiêu hao tuổi thọ kết cấu máy bay được đánh giá bằng phân tích số liệu của hệ thống kiểm tra khách quan hay còn gọi là “hộp đen” lắp trên máy bay

Ảnh hưởng của điều kiện môi trường khí hậu, niên hạn sử dụng lên tiêu hao tuổi thọ kết cấu máy bay được đánh giá bằng thực nghiệm mẫu phần tử kết cấu trên

máy thử mỏi gỉ của Phòng thí nghiệm máy bay thuộc Viện Kỹ thuật PK-KQ, xây dựng các đường cong mỏi cho phần tử kết cấu trong các điều kiện khai thác

Để có số liệu phục vụ xây dựng phương pháp xác định tiêu hao tuổi thọ thực

tế của kết cấu máy bay, đã tiến hành khảo sát thực tế tại Trung đoàn Không quân

910, nơi đang khai thác máy bay huấn luyện L-39 là loại máy bay cơ động, huấn luyện chiến đấu và đào tạo phi công, phân tích số liệu giải mã của hệ thống kiểm tra khách quan ghi lại các tham số của các chuyến bay, tập trung phân tích tần số lặp của quá tải đứng ny

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Luận án đã đề xuất và xây dựng phương pháp xác định tiêu hao tuổi thọ thực

tế của kết cấu máy bay

Đề tài đã góp phần giải quyết mâu thuẫn giữa tiêu hao tuổi thọ theo giờ bay và theo niên hạn trong hệ thống khai thác máy bay hiện hành Kết quả đề tài có thể tham khảo cho khai thác máy bay quân sự, làm cơ sở để tăng hạn sử dụng máy bay của Quân chủng PK-KQ Việt Nam, đồng thời cũng là tiền đề tiến tới việc khai thác kết cấu máy bay theo trạng thái, khi tiêu hao tuổi thọ thực tế được xem như một trong những tham số trạng thái của các phần tử kết cấu

Những đóng góp mới của luận án

- Luận án đã đề xuất và xây dựng phương pháp xác định tiêu hao tuổi thọ thực

tế của kết cấu máy bay Đây là phương pháp phù hợp và khả thi cho điều kiện khai thác máy bay quân sự ở nước ta

- Thông thường, số liệu tự ghi của hệ thống kiểm tra khách quan trên máy bay (hộp đen) được sử dụng cho mục đích giảng bình sau khi bay, kiểm tra bay và điều tra tai nạn Luận án đã sử dụng số liệu này để phân tích chế độ chịu tải lặp của máy bay, xác định tần số lặp của tải, làm dữ liệu đầu vào cho bài toán tính tiêu hao tuổi thọ thực tế của máy bay

- Bằng thực nghiệm, xác định số chu kỳ phá hủy mỏi gỉ của phần tử kết cấu và đưa hệ số ảnh hưởng của điều kiện môi trường khí hậu vào bài toán tính tiêu hao tuổi thọ thực tế

- Lập được bài toán tính tiêu hao tuổi thọ thực tế của phần tử kết cấu máy bay

và tìm được phương pháp giải bài toán đó

Bố cục của luận án

Luận án gồm mở đầu, 5 chương và kết luận thể hiện trong 111 trang luận án,

31 hình vẽ, 12 bảng biểu và phụ lục

Chương I: Tổng quan những vấn đề nghiên cứu

Chương II: Xây dựng phương pháp xác định tiêu hao tuổi thọ thực tế của kết cấu máy bay

Chương III: Xác định tần số tải lặp lên kết cấu máy bay

Chương IV: Xác định độ bền mỏi gỉ của phần tử kết cấu máy bay

Chương V: Chương trình tính toán và kết quả

1 CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Những khái niệm chung về tuổi thọ của máy bay và kết cấu máy bay

Các chỉ tiêu đánh giá trạng thái kỹ thuật của kết cấu máy bay bao gồm: độ bền tĩnh, độ bền động, độ ổn định, độ bền mỏi, độ tin cậy, độ bền lâu, tuổi thọ, độ bền chịu rung, lắc, đàn hồi khí động, các tham số tới hạn, v.v

Tuổi thọ là một trong các chỉ tiêu quan trọng bảo đảm cho máy bay hoạt động lâu dài, được khai thác an toàn và có hiệu quả Tuổi thọ của máy bay là tính chất của nó giữ được khả năng làm việc đến tình trạng giới hạn, được xác định từ điều kiện bảo đảm an toàn bay Khái niệm tuổi thọ kết cấu máy bay gắn liền với khả năng chống lại sự lão hóa, tức là chống lại sự tích lũy của tổn thất mỏi, biến dạng dão, chống lại mòn và gỉ

Tuổi thọ của máy bay được xác định trên cơ sở tuổi thọ của kết cấu khung vỏ Kết cấu khung vỏ chính là cơ sở hình thành nên máy bay Khi kết cấu khung vỏ còn giữ được khả năng làm việc, thì tất cả các máy móc, thiết bị, hệ thống lắp trên nó có thể sữa chữa hoặc thay thế trong những trường hợp cần thiết Còn khi khung vỏ đã hết thời hạn làm việc (tuổi thọ) thì máy bay bị loại bỏ 3

Vòng đời của máy bay đều trải qua ba giai đoạn đó là thiết kế, chế tạo và khai thác sử dụng (KTSD) Quá trình KTSD bắt đầu từ khi máy bay được xuất xưởng và kết thúc khi chúng được thanh lý Quá trình KTSD dài hơn hàng chục lần thời gian thiết kế, chế tạo và chiếm khoảng 70% đến 80% tổng chi phí cho một vòng đời của máy bay 45

Tuổi thọ máy bay phụ thuộc vào khả năng chống lại sự lão hóa, tức là chống lại sự tích lũy của ứng suất mỏi và biến dạng dão, mòn và gỉ kết cấu Ảnh hưởng lớn nhất đến tuổi thọ là ứng suất mỏi, sinh ra do tác động của tải lặp

Đối với mỗi máy bay, do công nghệ chế tạo không đồng đều và do chế độ khai thác khác nhau, nên tuổi thọ cũng khác nhau Vì vậy, với mỗi loại máy bay, người

ta đưa ra chỉ số tuổi thọ bảo đảm và tuổi thọ trung bình Tuổi thọ bảo đảm Tbđ và

tuổi thọ trung bình Ttb được xác định nếu biết quy luật phân bố xác suất hỏng của quá trình phá hủy kết cấu

Đối với máy bay, không phải tất cả các thành phần, hệ thống cấu thành của nó

có chung một giá trị tuổi thọ, mà mỗi thành phần, hệ thống, bộ phận có tuổi thọ riêng và các chỉ tiêu đánh giá tuổi thọ cũng khác nhau Ví dụ, tuổi thọ kết cấu máy bay thường được xác định theo giờ bay, niên hạn sử dụng; tuổi thọ càng máy bay được tính theo số lần cất hạ cánh; tuổi thọ săm lốp máy bay được tính theo độ mài mòn và năm bảo quản, sử dụng; tuổi thọ động cơ được tính theo giờ nổ máy hoặc thời gian mà các tham số chính của động cơ chưa thay đổi đến giới hạn cho phép; tuổi thọ của hệ thống VTĐT, thông tin liên lạc được tính theo độ tin cậy, tần suất hỏng hóc của các linh kiện Thường thường thì tuổi thọ kết cấu khung vỏ có giá trị cao nhất Trong một vòng đời của máy bay (hay kết cấu khung vỏ) có thể thay thế một số động cơ, càng, săm lốp, bơm, van, khóa, các khối rời của thiết bị điện, vô tuyến điện tử và thông tin liên lạc

Tương ứng với các chỉ tiêu đánh giá trạng thái kỹ thuật như độ tin cậy sử dụng, tuổi thọ, các tham số tới hạn và khả năng kiểm soát nó trong quá trình khai thác mà khung vỏ, động cơ và hệ thống của máy bay có thể được áp dụng các phương pháp khai thác khác nhau như khai thác theo định kỳ, khai thác theo trạng thái có kiểm soát độ tin cậy, khai thác theo trạng thái có kiểm soát tham số

Đối với các máy bay quân sự của Quân chủng PK-KQ, các hệ thống trên máy bay đã từng bước được khai thác theo trạng thái bằng hình thức sửa chữa thay thế cụm khi các chỉ tiêu độ tin cậy hoặc các tham số làm việc đạt giá trị tới hạn Riêng đối với kết cấu khung vỏ, cho tới nay vẫn được khai thác theo phương pháp định kỳ, kết hợp kiểm tra tăng hạn (tăng hạn giữa các lần sửa chữa và tăng tổng hạn)

Khả năng thực hiện các chức năng của máy bay phụ thuộc vào trạng thái kỹ thuật của chúng Dưới tác động của các yếu tố môi trường, quá trình ăn mòn, già hoá, phá huỷ sinh học diễn ra thường xuyên làm cho trạng thái của máy bay luôn biến đổi theo xu hướng ngày càng kém hơn, cho tới khi xảy ra hỏng hóc Để duy trì

và hồi phục khả năng làm việc, cần tiến hành bảo dưỡng và sửa chữa hồi phục chúng

Tương tự như các máy móc khác, máy bay trong quá trình khai thác sử dụng được đặc trưng bằng các tính chất cơ bản: độ tin cậy sử dụng, độ bền lâu, độ sống còn và tính công nghệ trong khai thác sử dụng [5,39]

Về độ tin cậy sử dụng: Độ tin cậy sử dụng là tính chất của máy bay thực hiện

được các chức năng, duy trì được các chỉ tiêu kỹ thuật trong các giới hạn đã được thiết lập sau một khoảng thời gian hoặc sau khi thực hiện một khối lượng công việc quy định Độ tin cậy sử dụng của máy bay thông thường được đánh giá bằng các chỉ tiêu sau:

Đối với các thành phần, hệ thống của máy bay không sửa chữa hồi phục được,

các chỉ tiêu để đánh giá độ tin cậy sử dụng 45 là:

- Thời gian hoạt động trung bình trên một hỏng hóc:

Trong đó: ti - Thời gian hoạt động đến hỏng hóc;

n - Số lượng máy bay khai thác sử dụng

- Xác suất làm việc không hỏng sau khoảng thời gian t:

Còn đối với các thành phần, hệ thống của máy bay sửa chữa phục hồi được,

các chỉ tiêu để đánh giá độ tin cậy sử dụng 45 là:

- Số hỏng hóc trung bình sau khoảng thời gian hoạt động t:

N i

i 1 tb

Về độ bền lâu: Độ bền lâu là tính chất của máy bay duy trì khả năng hoạt động

theo chức năng đến trạng thái giới hạn trong điều kiện được bảo dưỡng và sửa chữa phục hồi cần thiết Trạng thái giới hạn của máy bay là trạng thái không thể khai thác

sử dụng tiếp tục được nữa do không đáp ứng yêu cầu an toàn bay hoặc do không còn hiệu quả sử dụng nữa

Độ bền lâu của máy bay được đánh giá bằng các chỉ tiêu về tuổi thọ kỹ thuật

và niên hạn sử dụng

Tuổi thọ kỹ thuật: Tuổi thọ kỹ thuật là khoảng thời gian hoạt động hoặc khối

lượng công việc được thực hiện của máy bay đến trạng thái giới hạn của nó Chúng được thể hiện bằng: số giờ bay, số lần cất cánh và niên hạn sử dụng, thời hạn cất giữ bảo quản Thực tế, tuổi thọ của máy bay được hiểu như độ dự trữ an toàn của máy bay, được tính toán ngay từ giai đoạn thiết kế, chế tạo trên cơ sở sơ đồ cấu trúc, các

số liệu thống kê về vật liệu của các phần tử cấu thành, về tác dụng cũng như về các điều kiện khai thác của máy bay tương tự Trong trường hợp không đầy đủ, các số liệu thống kê cần tiến hành đánh giá bằng thực nghiệm khảo sát thăm dò Ấn định tuổi thọ thường ứng với một xác suất nhất định nào đó, vì thế tuổi thọ trong một số tài liệu thường dùng khái niệm “tuổi thọ trung bình” hoặc “thời hạn sử dụng trung bình” Đối với máy bay, có tuổi thọ ấn định, tuổi thọ giữa hai lần sửa chữa và thời hạn bảo hành

Tuổi thọ ấn định: Tuổi thọ ấn định là số giờ bay hoặc niên hạn sử dụng của

máy bay, mà khi đạt được giá trị đó thì không được phép tiếp tục khai thác sử dụng máy bay, không phụ thuộc vào trạng thái kỹ thuật của máy bay lúc đó Tuổi thọ ấn định của máy bay được xác định trên cơ sở an toàn bay, hiệu quả sử dụng

và tính kinh tế Ví dụ, đối với máy bay MiG-21Bis tuổi thọ ấn định là 2.500 giờ bay hoặc 25 năm, đối với máy bay L-39 con số đó là 4.500 giờ bay hoặc 25 năm

25,26

Trên cơ sở đúc rút kinh nghiệm khai thác, tuổi thọ ấn định có thể điều chỉnh tăng hoặc giảm cho phù hợp Một số đơn vị khai thác máy bay của Liên Xô trước đây đã tăng tuổi thọ ấn định của các loại máy bay trong các phạm vi sau 4:

- Đối với máy bay sử dụng các động cơ tua bin phản lực cánh quạt, tăng 10%;

- Đối với máy bay sử dụng các động cơ pit tông, tăng 15%;

- Đối với trực thăng sử dụng động cơ tua bin cánh quạt, tăng 5%;

- Đối với động cơ hàng không tua bin khí, tăng 5%;

- Đối với động cơ pit tông, tăng 10%

Tuổi thọ giữa hai lần sửa chữa: Tuổi thọ giữa hai lần sửa chữa là số giờ bay

hoặc thời hạn sử dụng của máy bay giữa hai lần sửa chữa Sau khi máy bay sử dụng hết tuổi thọ giữa hai lần sửa chữa, phải đưa vào sửa chữa Số lần sửa chữa máy bay

có thể là một lần, hai lần hoặc hơn, tuỳ thuộc vào tuổi thọ kỹ thuật và tuổi thọ giữa các lần sửa chữa

Tuổi thọ giữa hai lần bảo dưỡng kỹ thuật: Là số giờ bay hoặc niên hạn sử

dụng quy định giữa các lần bảo dưỡng kỹ thuật Trong hệ thống khai thác theo tuổi thọ thì tuổi thọ giữa các lần bảo dưỡng thường là 50 giờ, 100 giờ, 200 giờ làm việc của máy bay, động cơ

Thời hạn bảo hành: Thời hạn bảo hành là số giờ bay hoặc niên hạn mà Nhà

sản xuất (cung cấp) bảo hành máy bay đáp ứng tất cả các yêu cầu về chức năng và các tham số kỹ thuật trong điều kiện Nhà khai thác chấp hành đầy đủ các quy tắc khai thác, bảo quản và vận chuyển

Về trạng thái kỹ thuật: Trạng thái kỹ thuật của máy bay là tập hợp các tính năng

được thiết lập trong các văn bản kỹ thuật, đặc trưng bằng các chỉ tiêu ở một thời điểm xác định và thay đổi trong quá trình khai thác sử dụng

Trong quá trình khai thác sử dụng, các yếu tố ảnh hưởng đến sự thay đổi trạng thái kỹ thuật của máy bay bao gồm [45,6]:

- Các yếu tố ảnh hưởng thuộc nhóm thứ nhất là sự lựa chọn các giải pháp về

sơ đồ cấu trúc, các phần tử và nguyên vật liệu, công nghệ chế tạo, lắp ráp thử nghiệm và kiểm tra trong quá trình sản xuất và xuất xưởng

- Các yếu tố ảnh hưởng thuộc nhóm thứ hai được phân thành các yếu tố chủ quan và các yếu tố khách quan:

Các yếu tố chủ quan: Là sự tác động của thành phần cán bộ, nhân viên kỹ

thuật có thể tăng hoặc giảm độ tin cậy làm việc của máy bay, được thể hiện trong sự lựa chọn các chế độ KTSD, các phương pháp bảo đảm kỹ thuật, sửa chữa phục hồi, trình độ nghiệp vụ của thành phần kỹ thuật và chất lượng thực hiện các nội dung công tác kỹ thuật của họ

Các yếu tố khách quan: Đó là điều kiện làm việc, chịu tác động của các tải

tĩnh, tải lặp theo chu kỳ, các chế độ nhiệt ảnh hưởng đến các tính chất hoá lý của các loại chất lỏng công tác, tác động của môi trường, khí hậu xung quanh (nhiệt độ,

độ ẩm, áp suất, vi sinh…)

Dưới tác động ảnh hưởng của các yếu tố khai thác sử dụng, cấu trúc vĩ mô của máy bay (sơ đồ cấu thành, các kích thước, hình dạng bên ngoài) ít thay đổi, còn cấu trúc vi mô (các bề mặt tiếp xúc, độ bóng bề mặt, tính năng cơ lý v.v…) và các

cơ chế bên trong máy bay thay đổi do quá trình mài mòn, già hoá vật liệu và do các quá trình hoá lý xảy ra Sự thay đổi của các cấu trúc vi mô dẫn đến sự sai lệch của các tham số trạng thái so với các giá trị định mức, hoặc dẫn đến hỏng hóc, máy bay không còn có khả năng hoạt động theo chức năng đã quy định

Sự tác động đa dạng của các yếu tố khai thác sử dụng lên máy bay cho thấy cùng một tuổi thọ (giờ bay hoặc niên hạn sử dụng), máy bay có thể có trạng thái kỹ thuật khác nhau Vì vậy, tuổi thọ ấn định không thể đặc trưng cho sự đồng nhất về trạng thái kỹ thuật của tất cả các thành phần của máy bay

1.2 Phương pháp xác định tiêu hao tuổi thọ của kết cấu máy bay trong

hệ thống khai thác hiện hành

Hiện nay, ngành hàng không của đa số các nước trên thế giới đang sử dụng phương pháp xác định tiêu hao tuổi thọ kết cấu máy bay theo giờ bay và niên hạn sử dụng Đây là phương pháp trung bình hóa cho các điều kiện sử dụng, rất tiện lợi trong công tác thống kê tiêu hao tuổi thọ và điều hành kế hoạch khai thác máy bay (bay, bảo dưỡng dự phòng và sửa chữa hồi phục) Ngành hàng không Việt Nam đang sử dụng máy bay của nước ngoài (chủ yếu của Nga, Pháp, Mỹ) nên phương pháp tính tiêu hao tuổi thọ máy bay cũng được áp dụng theo quy định của Nhà sản xuất Tương tự, Quân chủng PK-KQ Việt Nam chủ yếu sử dụng máy bay của Nga

nên phương pháp tính tiêu hao tuổi thọ máy bay hiện hành áp dụng theo quy định của Nga (theo giờ bay và niên hạn) kết hợp với kiểm tra tăng hạn sử dụng

Một số nước tiên tiến như Mỹ, Pháp, Nga … đang áp dụng phương thức khai thác máy bay theo trạng thái (khai thác máy bay theo độ tin cậy và khai thác máy bay theo tham số làm việc), theo các phương pháp này, tiêu hao tuổi thọ kết cấu máy bay sẽ phụ thuộc và mức suy giảm độ tin cậy và các tham số làm việc của chúng Như vậy tiêu hao tuổi thọ kết cấu máy bay sẽ không cố định mà phụ thuộc vào chế độ khai thác thực tế của từng máy bay, từng vùng và từng điều kiện sử dụng

cụ thể Đây là phương pháp tiên tiến, hiệu quả kinh tế cao Ở Việt Nam nếu được áp dụng phương pháp này thì sẽ rất có lợi vì nó đã tính đến các điều kiện khai thác thực tế Tuy nhiên để áp dụng phương pháp này, đòi hỏi một số điều kiện, chủ yếu là: máy bay phải được trang bị các thiết bị kiểm soát độ tin cậy sử dụng, kiểm soát các tham số làm việc, trang bị các phần mềm phân tích, tính toán số liệu độ tin cậy

và tham số làm việc và đội ngũ cán bộ kỹ thuật được đào tạo chuyên nghiệp Phương pháp này chưa thể áp dụng trong điều kiện Việt Nam, chủ yếu là do các máy bay sử dụng ở Việt Nam chưa được trang bị các thiết bị kiểm soát độ tin cậy và tham số tới hạn Nếu nhận chuyển giao công nghệ và trang bị các thiết bị này sẽ phải đầu tư kinh phí rất lớn, không kinh tế

Ở Việt Nam, phương pháp xác định tiêu hao tuổi thọ kết cấu máy bay theo giờ bay và niên hạn tương đối phù hợp đối với các máy bay hàng không dân dụng vì điều kiện khai thác (chế độ bay, chương trình bay, chế độ chịu tải, độ cao bay đường trường …) không khác mấy so với điều kiện ở nước sản xuất Riêng đối với các máy bay quân sự (chủ yếu của Quân chủng PK-KQ), do chế độ bay, chương trình huấn luyện, điều kiện bảo quản … khác biệt so với điều kiện khai thác ở nước sản xuất, đặc biệt là mâu thuẫn giữa giờ bay và niên hạn sử dụng nên việc xác định tiêu hao tuổi thọ theo giờ bay hoặc niên hạn là chưa hợp lý và gây lãng phí Quân chủng PK-KQ Việt Nam đã khắc phụ tình trạng này bằng kiểm tra tăng hạn, nhưng đây chỉ là giải pháp tình thế Từ đây cũng nảy sinh ý tưởng và mục đích của luận án

là tìm một phương pháp thích hợp để tính tiêu hao tuổi thọ kết cấu máy bay trong điều kiện thực tế ở Việt Nam

Hệ thống khai thác máy bay quân sự hiện hành của Không quân Việt Nam là khai thác theo định kỳ Bản chất của phương pháp khai thác máy bay theo định kỳ

là cứ sau một khối lượng công việc (giờ bay hoặc niên hạn) nhất định, chúng được đưa vào bảo dưỡng dự phòng hoặc sửa chữa thay thế, không phụ thuộc trạng thái kỹ thuật ở thời điểm đó [28,29]

Tiêu hao tuổi thọ máy bay trong phương pháp này được thống kê theo giờ bay (theo đồng hồ thời gian thực) và niên hạn (số năm, tháng theo lịch) Khi một trong hai chỉ tiêu này đạt tới giá trị quy định thì phải dừng khai thác máy bay và đưa chúng vào bảo dưỡng hoặc sửa chữa thay thế hoặc thanh lý Ví dụ, đối với máy bay máy bay L-39, tuổi thọ được Nhà sản xuất ấn định là 4.500 giờ bay hoặc 25 năm sử dụng và có hình thức bảo dưỡng sau 50 giờ, 100 giờ, 200 giờ hoạt động của máy bay 26 Có loại máy bay quy định bảo dưỡng sau số giờ hoạt động hoặc năm sử dụng

Với hệ thống khai thác sao cho giờ bay và niên hạn sử dụng tiêu hao đồng bộ

và đạt tới giới hạn cùng một lúc thì hiệu quả sử dụng máy bay sẽ hợp lý nhất Tuy nhiên, thực tế cho thấy, không mấy khi cả hai chỉ tiêu trên đạt tới giới hạn cùng một lúc Khi các bộ phận, cụm chi tiết, linh kiện cho tới thời điểm đạt giới hạn của một trong hai chỉ tiêu nói trên, nhưng chỉ tiêu kia chưa đạt tới thì thì việc đưa máy bay vào bảo dưỡng, sửa chữa thay thế, hay thanh lý sẽ gây ra lãng phí

Niên hạn hoặc giờ bay quy định để đưa máy bay vào bảo dưỡng kỹ thuật định kỳ, sử chữa hoặc thanh lý được xác định trên cơ sở có dự phòng, tức là bảo đảm xác suất xảy ra hỏng hóc trong một thời gian làm việc quy định không được vượt quá một giá trị nào đó tuỳ thuộc vào tầm quan trọng của máy bay mà thông thường giá trị xác suất này có thể bằng

10-6 đến 10-1 45 Tuổi thọ và định kỳ bảo dưỡng, sửa chữa hoặc thanh lý được nhà sản xuất, chế tạo hoặc văn phòng thiết kế ấn định trên cơ sở tính toán và khai thác sử dụng thử một số máy bay “đầu đàn”

Phương pháp khai thác theo định kỳ có thể đảm bảo độ tin cậy cao khả năng làm việc của máy bay ở những thời điểm cần thiết và tương đối chủ động trong việc lập kế hoạch khai thác sử dụng Song khai thác theo định kỳ gây ra những lãng phí lớn Để phòng ngừa hư hỏng, số lượng và khối lượng công tác bảo dưỡng thay thế dự phòng lớn hơn nhiều so với hư hỏng thực tế có thể xảy ra

Ví dụ trong hệ thống có N phần tử cùng loại, có mật độ phân bố xác suất thời gian làm việc không hỏng trên hình 1.1 Nếu xác suất không hỏng cho phép không được vượt quá 0,1 thì trung bình sau một khoảng thời gian làm việc Tđk (thời gian định kỳ ứng với xác suất bằng 0,1 nghĩa là trong số N phần tử có thể khoảng 0,1N

số phần tử bị hỏng) chúng ta phải thay thế toàn bộ số phần tử loại này, mặc dù đến thời điểm này về trung bình vẫn còn khoảng 90% số phần tử chưa hỏng Rõ ràng đã lãng phí Có thể tính giá trị lãng phí theo công thức 49:

trong đó: ti – thời gian làm việc không hỏng của phần tử thứ i;

Ci – giá trị của một đơn vị thời gian làm việc của phần tử thứ i

Trong nhiều trường hợp khi máy bay được sử dụng trong điều kiện môi trường khắc nghiệt hoặc khác so với điều kiện quy định khi thiết kế chế tạo (đường phân bố mật độ hỏng hóc b và c trên hình 1.1) thì các quy định của Nhà sản xuất về thời gian, khối lượng và nội dung công tác bảo dưỡng, sửa chữa sẽ không còn thích hợp nữa, hiệu quả của việc bảo dưỡng thay thế dự phòng kém đi rất nhiều

Hình 1.1 Qui luật phân bố mật độ hỏng hóc trong khai thác theo định kỳ

Tđk – thời gian định kỳ đưa vào sửa chữa thay thế;

Ttb – thời gian trung bình đưa vào sửa chữa thay thế

Trong nhiều năm gần đây, phần lớn máy bay quân sự của Không quân Việt Nam tuy đã hết niên hạn sử dụng ấn định, nhưng có số giờ bay chỉ đạt (6070)% số giờ của tuổi thọ ấn định, tức là hai chỉ tiêu trên không đồng thời đạt tới giới hạn

29 Hơn nữa, theo các số liệu thống kê thì đa số các bộ phận, các cụm chi tiết cho tới thời điểm đạt giới hạn của một trong hai chỉ tiêu nói trên vẫn còn khả năng làm việc tốt Do vậy việc đưa máy bay vào bảo dưỡng, sửa chữa thay thế và thanh lý sẽ gây ra lãng phí

Một câu hỏi đặt ra từ thực tế khai thác máy bay theo định kỳ ở Việt Nam là: Đối với các máy bay khi tuổi thọ theo niên hạn đã hết nhưng tuổi thọ theo giờ bay vẫn còn 30% đến 40% liệu có thể kéo dài sử dụng thêm được không? Nếu được thì kéo dài thêm được bao nhiêu?

Câu trả lời về định tính là tuy niên hạn đã hết, có nghĩa là giới hạn về lão hóa (gỉ) đã hết, nhưng giới hạn về độ bền mỏi (giờ bay) chưa tới, có nghĩa là dự trữ về tuổi thọ mỏi vẫn còn, thì có thể sử dụng máy bay thêm một thời gian nữa nếu đánh giá được mức độ hỏng hóc do gỉ gây ra

Để giải quyết vấn đề này, người ta đã kết hợp phương pháp thống kê hỏng hóc

để đánh giá độ tin cậy sử dụng và kiểm tra không phá hủy các thành phần của nó, chú trọng các khâu xung yếu Các thông tin này được sử dụng vào việc hiệu chỉnh lại các quy định tuổi thọ ban đầu của Nhà sản xuất

Hình 1.2 mô tả quá trình khai thác theo định kỳ có hiệu chỉnh theo độ tin cậy

sử dụng Đây là một quá trình đòi hỏi theo dõi thống kê hỏng hóc rất công phu, phân tích trạng thái kỹ thuật thực tế chính xác và hình thức này cũng phù hợp với điều kiện khai thác như ở nước ta Một bước đệm để tiến tới khai thác theo trạng thái kỹ thuật

Hình 1.2 Sơ đồ quá trình khai thác theo định kỳ có hiệu chỉnh

theo độ tin cậy sử dụng

Sử dụng theo chức năng

Bảo dưỡng sữa chữa

Thống kê hỏng hóc, đánh giá độ tin cậy

T®k

t<T *

®k

t>T ®k

Phương pháp khai thác máy bay theo định kỳ đã được áp dụng rộng rãi trong

hệ thống khai thác máy bay nhiều thập kỷ qua ở nhiều nước trên thế giới trong đó

có Việt Nam và đã trở thành phương pháp khai thác truyền thống Phương pháp này

đã phát huy hiệu quả tốt trong một giai đoạn dài của lịch sử phát triển ngành hàng không thế giới Tuy nhiên cùng với sự phát triển mạnh mẽ của KHCN, đặc biệt là ứng dụng của lĩnh vực công nghệ thông tin, phương pháp khai thác máy bay theo định kỳ đã bộc lộ nhiều nhược điểm, ảnh hưởng đến hiệu quả và tính kinh tế khai thác máy bay Phương pháp khai thác theo trạng thái đối với máy bay đang trở thành xu thế tất yếu

Để khắc phục những hạn chế của phương pháp khai thác theo định kỳ, công tác nghiên cứu của Quân chủng PK-KQ đã đã có những bước tiếp cận, xem xét trạng thái kỹ thuật thực tế của máy bay để tăng hạn sử dụng, đem lại hiệu quả đáng

kể cho công tác bảo đảm kỹ thuật bảo đảm trang bị cho huấn luyện và sẵn sàng chiến đấu cho Quân chủng Thực chất hiện nay Quân chủng PK-KQ đang thực hiện

phương pháp khai thác máy bay theo định kỳ kết hợp tăng hạn sử dụng

Để việc tăng hạn sử dụng máy bay hoặc hiệu chỉnh tuổi thọ ấn định có cơ sở khoa học và định lượng được niên hạn kéo dài, niên hạn hiệu chỉnh, đòi hỏi phải có

nghiên cứu xác định tiêu hao tuổi thọ thực tế của máy bay, có tính đến ảnh hưởng

của điều kiện khai thác sử dụng chúng ở Việt Nam

1.3 Một số khái niệm khái niệm về mỏi và mỏi gỉ kết cấu máy bay

Lý thuyết mỏi là một nhánh của cơ học phá huỷ, chuyên nghiên cứu về phản ứng của vật liệu và chi tiết dưới tác động của ứng suất thay đổi theo thời gian có

kể tới ảnh hưởng của các yếu tố, đồng thời nêu ra phương pháp tính toán và những giải pháp kỹ thuật nhằm nâng cao độ bền mỏi Các nhà nghiên cứu đã chia lý thuyết mỏi thành hai nhánh nhỏ: mỏi ngắn hạn và mỏi dài hạn Mỏi ngắn

hạn là hiện tượng mỏi xảy ra khi số chu trình ứng suất nhỏ hơn hoặc bằng l05,

mỏi dài hạn là hiện tượng mỏi xảy ra khi số chu trình ứng suất lớn hơn l05

Một số khái niệm trong lý thuyết mỏi như sau [48, 52]:

a Hiện tượng mỏi (hay sự mỏi): là quá trình tích lũy dần dần sự phá hỏng

trong bản thân vật liệu dưới tác động của ứng suất thay đổi theo thời gian Ứng

suất thay đổi này làm xuất hiện các vết nứt mỏi, sau đó các vết nứt mỏi ấy phát triển và dẫn tới sự phá hủy vật liệu Sự phá hủy như vậy được gọi là sự phá hủy mỏi

b Độ bền mỏi: Đó là tính chất của vật liệu chống lại quá trình phá hủy vì

mỏi

c Độ bền lâu: Độ bền lâu (hay tuổi thọ) của vật liệu, chi tiết máy là

khoảng thời gian làm việc của chúng dưới tác động của một chế độ tải trọng và các yếu tố ảnh hưởng khác mà không bị phá hủy Độ bền lâu thường được tính bằng giờ hoặc bằng số chu trình ứng suất Trong một số lĩnh vực chuyên ngành (ví dụ lĩnh vực đầu máy, toa xe, ôtô, máy kéo), độ bền lâu được tính bằng số kilômét làm việc

d Giới hạn mỏi: Giới hạn mỏi của vật liệu ở một điều kiện nào đó là giá trị

lớn nhất của ứng suất thay đổi theo thời gian ứng với một số chu trình ứng suất cơ

sở mà mẫu chuẩn không bị phá hủy

Giới hạn mỏi của vật liệu là một trong số những đặc trưng cơ học Cũng như những đặc trưng cơ học khác, muốn xác định giới hạn mỏi của một loại vật liệu nào đó, ở một điều kiện nào đó, phải tiến hành thí nghiệm theo một quy chuẩn nhất định

e Đường cong mỏi: Đường cong mỏi là đường cong biểu diễn mối quan hệ

giữa các ứng suất thay đổi với các số chu trình ứng suất phá hủy tương ứng Ứng suất thay đổi có thể là ứng suất lớn nhất hoặc là biên độ ứng suất

Đường cong mỏi cổ điển σ = f (N) còn gọi là đường cong Veller (Wohler's Curve)

1.3.1 Những chỉ tiêu đánh giá độ bền mỏi

Để đánh giá độ bền mỏi, các nhà nghiên cứu về mỏi đưa ra những chỉ tiêu sau đây:

1.3.1.1 Chỉ tiêu về ứng suất và biến dạng [15]

Nếu gọi σ là ứng suất, N là số chu trình ứng suất phá hủy tương ứng thì chỉ tiêu về ứng suất và biến dạng lần lượt là:

σ𝑖𝑚 Ni = const ( 1 1 1 )Trong đó: σi - ứng suất ứng với số chu trình phá hủy mỏi Ni;

m - số mũ đường cong mỏi Wohler

Chỉ tiêu biến dạng được tính theo công thức:

ep.𝑁𝑝 𝑘𝑏𝑑

= Ce (1.12)

Trong đó: ep - độ dãn dài tới hạn lúc phá hủy;

Np - số chu trình ứng suất lúc phá hủy;

kbd - số mũ (≈ 0,01 ÷ l,0);

Ce - hằng số

1.3.1.2 Chỉ tiêu về năng lượng [15]

Chỉ tiêu này có nội dung như sau: sự phá hủy mỏi bắt đầu xảy ra tại thời điểm khi mà tổng số năng lượng tản mác (quá trình này chỉ xảy ra một chiều) đạt tới giá trị đúng bằng công biến dạng riêng khi chất tải tĩnh

Các tác giả trên đã tính được trị số tới hạn của năng lượng tản mác trong vật liệu sau N chu trình ứng suất là:

2𝑘 (𝑛 + 1)]

𝑛 𝑛+1

(1.15)

n - hằng số tăng bền do biến dạng chu trình;

k - hằng số của vật liệu

Phát triển thuyết cân bằng năng lượng khi phá hủy, nhà nghiên cứu I Ivanova

đã khởi xướng thuyết cấu trúc - năng lượng và đưa ra chỉ tiêu phá hủy [15]:

Nc = CpTpEγA 1

𝛽𝑚2 và α1 = βm√𝐶𝐿𝑡𝐺

𝑝 𝑇𝑝𝐸 (1.16)

trong đó: Nc - tuổi thọ ứng với ứng suất 𝜎c;

Cp - nhiệt dung riêng của kim loại ở nhiệt độ 200C

Tp - nhiệt độ sôi tuyệt đối;

E - mô đun đàn hồi (Young's Modulus);

G - mô đun trượt (Shear Modulus);

𝑑𝑁 = ƒ(σ, F, C) (1.17) Trong đó: σ - trạng thái ứng suất ;

F - đặc trưng hình học của chi tiết ;

C - điều kiện vật liệu và điều kiện làm việc của chi tiết

1.3.2 Những khái niệm về mỏi gỉ của kim loại và hợp kim

Vòng đời kết cấu máy bay quân sự ở nước ta trải qua các thời gian chính là bảo quản, đứng nghỉ ở mặt đất, quá trình này chiếm khoảng 95% thời gian, chịu tác động của môi trường khí hậu gây hỏng do gỉ và thời gian chạy trên đường băng, cất

hạ cánh và bay theo kế hoạch, nhiệm vụ, chiếm khoảng 5% thời gian và chịu tác

động của tải cơ động, tải lặp gây hỏng hóc do mỏi Đặc trưng quá trình này là mỏi

và gỉ tác dụng đồng thời hoặc đan xen Quá trình này gọi là quá trình mỏi gỉ Một số khái niệm đặc trưng của quá trình này là:

Gỉ là quá trình tác động của môi trường (độ ẩm, nhiệt độ, tạp chất, bụi bẩn…)

lên bề mặt vật liệu, phá hủy bề mặt theo cơ chế hóa học hoặc ăn mòn điện - hóa

Mỏi gỉ là quá trình tích lũy dần dần hỏng hóc trong bản thân vật liệu, kết cấu

dưới tác động của ứng suất thay đổi theo thời gian và gỉ tác động đồng thời hoặc đan xen

Độ bền mỏi gỉ là tính chất của vật liệu, kết cấu chống lại quá trình phá hủy mỏi

gỉ

Tuổi thọ mỏi gỉ của vật liệu, kết cấu là khoảng thời gian làm việc của chúng

dưới tác động của một chế độ tải và các yếu tố ảnh hưởng môi trường (gỉ) mà không bị phá hủy

Giới hạn mỏi gỉ là giá trị lớn nhất của ứng suất thay đổi theo thời gian ứng với

một số chu trình ứng suất cơ sở mà mẫu chuẩn không bị phá hủy

Đường cong mỏi gỉ là đường đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa các ứng suất

thay đổi với các số chu trình ứng suất phá hủy tương ứng trong quá trình phá hủy

do mỏi gỉ

Kim loại và hợp kim khi làm việc trong môi trường chịu tác động đồng thời của tải thay đổi theo thời gian gây ra mỏi và môi trường (nhiệt độ, độ ẩm, tạp chất trong không khí như Cl-

, S02-, v.v ) gây ra gỉ vật liệu Hai quá trình mỏi và gỉ không tác động độc lập với nhau mà tác động đồng thời làm cho hỏng hóc tổng hợp mỏi và gỉ lớn hơn nhiều so với tổng hỏng hóc do tác động của hai yếu tố độc lập với nhau gây ra Quá trình gỉ phá hủy cấu trúc bề mặt vật liệu, làm giảm tiết diện chịu tải của chúng đồng thời cũng tạo ra các điểm hỏng cục bộ trên cấu trúc bề mặt Khi

bị tác động mỏi, các điểm này gây ra ứng suất tập trung làm cho độ bền mỏi giảm [12]

Quá trình mỏi làm xuất hiện trên bề mặt kim loại các vết nứt tế vi Các yếu tố môi trường (nhiệt độ, độ ẩm, tạp chất trong không khí, v.v ) thẩm thấu vào các kẽ nứt, gây gỉ vật liệu Hai quá trình mỏi và gỉ tác động tương hỗ với nhau tạo nên hỏng hóc tổng hợp cho vật liệu kết cấu [52]

Quá trình tích lũy hỏng hóc do mỏi gỉ là yếu tố quyết định nhất xác định tuổi thọ kết cấu của thiết bị (trong đó có kết cấu máy bay) làm việc trong điều kiện chịu tải thay đổi theo thời gian trong môi trường nóng, ẩm Việc nghiên cứu độ bền mỏi

gỉ của kim loại và hợp kim đã được các nước có nền công nghiệp phát triển tập trung nghiên cứu từ hàng chục năm nay, đạt được những thành tựu đáng kể đồng thời từng bước nghiên cứu ứng dụng vào thực tế nhất là trong lĩnh vực bảo vệ vật liệu nhằm nâng cao tuổi thọ thực tế của kết cấu [27]

Đối với lĩnh vực nghiên cứu tuổi thọ vật liệu kết cấu máy bay, các công trình nghiên cứu đã tập trung vào hai loại hợp kim nhôm D16 và B95 là hai loại hợp kim chủ yếu của kết cấu máy bay [27] Phương pháp nghiên cứu chủ yếu là bằng thực nghiệm Kim loại thường bị đứt gãy khi chịu tải lặp Mỗi kim loại có một giới hạn chịu đựng nhất định, đó là giới hạn mỏi (σy) Giới hạn mỏi là giới hạn tải tác dụng

mà ở đó vật liệu bắt đầu thay đổi dạng cấu trúc vi mô Về lý thuyết thì khi σa < σy

vật liệu không bị phá hủy mỏi

Các công trình nghiên cứu về phá hủy mỏi [15,48,52,46,2,34,4] cho thấy sự phá huỷ mỏi là kết quả của các biến dạng dẻo và đàn hồi luân phiên nhau, lặp lại nhiều lần, phân bố không đều trên toàn bộ thể tích chi tiết do tính không đồng nhất vật liệu, những hư hỏng đầu tiên xuất hiện trong các vi khối định hướng không thuận lợi so với tác động của tải trọng, chịu trước các ứng suất dư và bị yếu bởi các khuyết tật cục bộ Tích tụ dần dần, tổng cộng lần lượt những hư hỏng cục bộ bắt đầu sự phá huỷ tổng quát đối với chi tiết [15]

Sự toả nhiệt phát sinh trong các vi khối bị biến dạng đóng vai trò to lớn trong các quá trình hư hỏng mỏi Do nhiệt độ tăng nên độ bền mỏi vật liệu trong các vi khối giảm xuống, điều này tạo điều kiện thuận lợi cho sự hình thành những

sự trượt dẻo mới, mà đến lượt mình, lại tạo khả năng nâng cao nhiệt độ

Khi kim loại và hợp kim đồng thời chịu tải lặp và tác động của môi trường xâm thực thì σy giảm nhanh Hợp kim nhôm vốn đã không có σy ổn định rõ rệt, khi chịu tải lặp trong môi trường xâm thực thì không còn giới hạn mỏi nữa [42]

Trong môi trường xâm thực, khả năng chịu mỏi của nhiều kim loại và hợp kim giảm mạnh, thậm chí mất khả năng làm việc Hiện tượng mỏi gỉ gây ra bởi tác động đồng thời của tải cơ học và tải hóa học, nó làm giảm nhanh độ bền vật liệu và độ tin

cậy kết cấu cơ khí Tác hại của nó lớn hơn rất nhiều so với phá hủy mỏi và phá hủy

gỉ riêng biệt cộng lại Nó xảy ra ở tốc độ ăn mòn rất bé và σa < σy.

Cho đến nay, bằng kiểm tra không phá hủy chưa phát hiện được các vết nứt mỏi gỉ ở giai đoạn đầu Nó là quá trình xảy ra mang tính xác suất do tác động đồng thời của các tác nhân cơ và hóa Phá hủy do mỏi gỉ lại thường xảy ra khi kết cấu đang làm việc Kết cấu càng phức tạp thì khả năng chịu mỏi gỉ càng kém [52] Nhôm là một kim loại rất hoạt động Về lý thuyết nó có thể phản ứng mạnh với với nhiều đơn chất và hợp chất như O2 , H20… Thực tế nhôm và hợp kim của

nó lại được dùng rộng rãi trong Kỹ thuật hàng không nhờ nó có lớp ôxít bảo vệ Màng ôxít nhôm tự nhiên có độ dày từ 10 μm đến 15 μm Khi xử lý anốt hóa thì màng ôxít sẽ dày hơn [50]

Nhôm rất dễ dàng phản ứng với ôxy, nước, tạo thành màng ôxít bảo vệ nhôm không bị ăn mòn tiếp tục

Al + O2 Al2O3

Al + H2O Al2O3 H2O +H2

Màng ôxít nhôm, nhất là màng ôxít nhôm hình thành khi có nước thì thành phần, tính chất và cấu trúc rất khác nhau tùy theo điều kiện nhiệt động của quá trình hình thành

Trong khí khô, màng ôxít trên mặt nhôm khá bền, nhôm không bị ăn mòn Trong môi trường lỏng (H2O) có O+ và OH- màng ôxít bị phá hủy theo cơ chế hòa tan, nhôm bị ăn mòn đều Trong môi trường trung tính có Cl- (khí quyển biển), nhôm bị ăn mòn nhanh Khả năng tự bảo vệ do tính đồng nhất của màng ôxít quyết định Tại các điểm yếu hơn trên bề mặt vật liệu, xảy ra ăn mòn điểm Nước (H2O)

và Clo (Cl-) rất có hại cho nhôm theo cơ chế ăn mòn điểm vì chúng có khả năng phá hủy màng ôxít theo cơ chế hòa tan [50] Theo [53] trong khí quyển với độ ẩm trên 30% đã xuất hiện màng điện ly do ngưng tụ mao quản Khi có ion Cl- ở chổ yếu của màng ôxít, hoạt hóa tăng đột biến khả năng hấp thụ ion Cl- Khi đó ion Cl- sẽ đẩy ôxy khỏi mạng lưới ôxít tạo thành AlCln(3-n) và tan vào dung dịch

Trong màng ôxít nhôm Al2O3, ion Al+3 linh động hơn O-2 Bán kính ion Cl- và

O-2 gần bằng nhau nhưng ái lực của Cl- với Al+3 mạnh hơn O-2 nên khả năng Cl

-chui vào khuyết tật mạng lưới ôxít nhôm mạnh hơn Mặt khác ôxít nhôm có tính chất bán dẫn [43] nên sự dịch chuyển của Al+3 và Cl- càng thuận lợi

Lớp n luôn là catốt so với lớp p Các anion được lực điện trường gia tốc chui sâu vào bên trong màng, còn ion Al+3 lại có xu hướng chuyển ra ngoài bề mặt Theo [43] thì ở đây hấp phụ giữ vai trò quan trọng Nó làm giảm độ chặt chẽ cấu trúc tinh thể Al2O3 làm giảm mức năng lượng hoạt hóa đến mức mà một ion bất kỳ nào cũng

có thể đi qua dễ dàng

Tác động cơ học dễ làm nứt vỡ màng ôxít nhôm do tính biến dạng dẻo kém của nó so với kim loại nền Màng ôxít nhôm chỉ bền trong môi trường trung tính Trong môi trường H+ và OH- nó bị hòa tan Trong môi trường trung tính màng ôxít nhôm có thể bị phá hủy cục bộ theo cơ chế hấp phụ hòa tan bởi H2O và ion Cl-

Trong kết cấu hàng không, hai loại vật liệu được sử dụng nhiều nhất là D16 (Al- Cu-Mg) và B95 (Al-Zn-Mg) Sự có mặt các nguyên tố Cu, Mg trong D16 và

Zn, Mg trong B95 nâng cao được độ bền cơ học cho nhôm, nhưng lại làm giảm tính bền ăn mòn mỏi gỉ của nó Sau khi ăn mòn qua lớp Al bảo vệ thì quá trình ăn mòn D16 và B95 xảy ra theo cơ chế ăn mòn biên hạt

Dưới tác động của tải thay đổi và môi trường ăn mòn, vật liệu bị phá hủy theo

cơ chế mỏi gỉ Hợp kim nhôm D16 và B95 rất nhạy cảm với mỏi gỉ và hầu như không có giới hạn mỏi trong môi trường ăn mòn Vì vậy nghiên cứu sự phát triển

từ vết nứt vi mô đến đứt mẫu như các nhà cơ học thường làm là không có ý nghĩa bằng theo dõi sự phát triển quá trình mỏi gỉ đến xuất hiện vết nứt vĩ mô [34]

Đang tồn tại nhiều quan điểm về mỏi gỉ Các luận thuyết giải thích về hiện tượng mỏi gỉ nếu chỉ xuất phát từ quan điểm cho rằng cái này là hậu quả của cái kia

sẽ không đúng với bản chất của hiện tượng Mọi lý thuyết, nghiên cứu mỏi gỉ chỉ có thể lý giải đúng hiện tượng khi khái quát được tác động đồng thời của 3 loại yếu tố:

- Các yếu tố cơ học;

- Các yếu tố độ bền vật liệu và kết cấu;

- Các yếu tố môi trường

Các kết quả nghiên cứu mỏi gỉ trên hợp kim D16 và B95 cho đến nay vẫn đang ở trạng thái đi tìm mô hình và phương pháp thử nghiệm để tìm dấu hiệu hoặc

cơ chế phá hủy của chúng

Một trong các hướng nghiên cứu mỏi gỉ đang được quan tâm là tìm cách xác định khoảng thời gian làm việc an toàn của kết cấu máy bay khi chịu mỏi gỉ Trên

cơ sở tính chất màng oxít nhôm trong quá trình mỏi gỉ có thể áp dụng phương pháp

đo điện hóa để theo dõi biến thiên trạng thái năng lượng bề mặt từ khi chịu tải đến khi xuất hiện nứt vĩ mô thể hiện qua thế điện cực [34]

Một mô hình toán học biểu diễn quá trình mỏi gỉ qua 2 chỉ tiêu độ bền mỏi gỉ (số chu kỳ phá hủy mỏi Ni) hay tốc độ phát triển vết nứt (da/dN) phải là hàm số xác suất của các biến số σmax, Kmax/Kmin, TO (nhiệt độ), Pi (nồng độ chất khí ăn mòn), Ci(nồng độ chất lỏng ăn mòn) Một phương trình như vậy hiện nay chưa ai thiết lập được Theo [53] thì có thể biểu diễn gần đúng tốc độ phát triển vết nứt mỏi gỉ theo công thức:

trong đó: f - tần số lặp của tải

Cho đến nay các nghiên cứu về mỏi gỉ hợp kim nhôm D16AT và B95 rút ra một số kết luận sau [34]:

- Tải với tần số bé gây tác động đến mỏi gỉ nguy hiểm hơn so với tần số lớn

- Hai tác nhân nguy hiểm nhất của môi trường là nước (H20) và ion halogen (Cl-, Br-, I-) Chúng tác động chủ yếu đến giai đoạn sinh ra vết nứt vi mô và thời kỳ đầu phát triển vết nứt vĩ mô

- Các vết nứt vi mô đều xuất phát từ bề mặt và do biến dạng dẻo cục bộ

1.4 Tổng quan về tình hình nghiên cứu trong lĩnh vực độ tin cậy và tuổi thọ kết cấu máy bay

Từ những năm của thập kỷ 90, các nhà khoa học và cơ quan nghiên cứu của Việt Nam đã tập trung nghiên cứu xây dựng phương pháp khai thác máy bay theo trạng thái và phương pháp xác định tuổi thọ máy bay phục vụ cho việc thực thi các phương pháp đó Trung tâm nhiệt đới Việt Nga, Việt kỹ thuật nhiệt đới thuộc Viện hàn lâm KH&CN Việt Nam, Viện kỹ thuật và Cục kỹ thuật PK-KQ là các cơ quan

có nhiều công trình nghiên cứu trong lĩnh vực này Đặc biệt, nghiên cứu khai thác máy bay theo trạng thái được Quân chủng PK-KQ xác định là một trong ba chương trình trọng điểm của ngành Kỹ thuật Không quân [29]

Công trình [6,28,29] đã tiến hành nghiên cứu “khai thác có kiểm soát” một loạt các máy bay chiến đấu của quân chủng PK-KQ như MiG-21BIS, Su-22M3, Su-22M4 và L-39 nhằm thống kê hỏng hóc trong quá trình sử dụng ở điều kiện nhiệt đới ẩm, xác định độ tin cậy sử dụng, làm cơ sở xây dựng phương pháp khai thác máy bay theo trạng thái có kiểm soát độ tin cậy

Chương trình “Nghiên cứu khả năng chuyển các máy bay MiG-21BIS và 22M4 của Không quân Việt Nam sang khai thác theo trạng thái” của Trung tâm nhiệt đới Việt Nga, Quân chủng PK-KQ hợp tác với Viện nghiên cứu khai thác Không quân Nga đã khảo sát sự đáp ứng của máy bay và hệ thống khai thác máy bay của Không quân Việt Nam để nhận chuyển giao công nghệ khai thác máy bay theo trạng thái có kiểm soát tham số với sự trợ giúp của thiết bị ARMĐK và ĐOZOR Kết luận của chương trình là Việt Nam có thể nhận chuyển giao công nghệ được, nhưng do giá cả và một số lý do khác, việc chuyển giao công nghệ vẫn chưa thực hiện được

Su-Công trình [11,12,6] đã nghiên cứu tổng hợp phương pháp đánh giá độ tin cậy kết cấu máy bay sử dụng trong điều kiện Việt Nam, nhằm định hướng xây dựng phương pháp khai thác kết cấu máy bay theo độ tin cậy Kết quả việc nghiên cứu ảnh hưởng các bài bay huấn luyện và điều kiện khí hậu đến tuổi thọ kết cấu máy bay đã được Quân chủng sử dụng làm cơ sở khoa học để tăng hạn kết cấu máy bay MiG-21, Su-22 có hiệu quả

Công trình [20,21] đã tổng hợp các nội dung khai thác và tổ chức bảo đảm KTHK ngành máy bay động cơ thành giáo trình dùng cho đào tạo kỹ sư hàng không ngành MBĐC của Học viện PK-KQ trong đó có nghiên cứu khai thác KTHK theo trạng thái và tình hình tăng hạn sử dụng KTHK của Quân chủng

Các kết quả nghiên cứu nêu trên đã tư vấn và kiến nghị với Quân chủng về các biện pháp nâng cao độ tin cậy sử dụng, tổ chức khai thác KTHK trong điều kiện Việt Nam, làm căn cứ cho Quân chủng về về tăng hạn sử dụng kết cấu máy bay Những giải pháp được áp dụng đã mang lại hiệu quả về quân sự và kinh tế, đặc biệt

là công tác tăng hạn sử dụng KTHK quân sự

Tuy nhiên để chuyển khai thác máy bay quân sự ở Việt Nam từ phương pháp khai thác theo định kỳ sang phương pháp khai thác theo trạng thái, công tác nghiên cứu cần phải tiếp tục giải quyết nhiều vấn đề một cách công phu và có hệ thống Đặc biệt là đánh giá định lượng các yếu tố ảnh hưởng của điều kiện khai thác sử dụng ở Việt Nam như chế độ bay, môi trường khí hậu, kỹ thuật lái của phi công, v,v đến tuổi thọ thực tế của máy bay

Để xây dựng một phương pháp khai thác máy bay theo trạng thái, nghiên cứu

về tuổi thọ của kết cấu và các phần tử của nó là rất cần thiết Nó không chỉ nhằm mục đích đề xuất những biện pháp để nâng cao độ bền và tuổi thọ kết cấu trong quá

trình khai thác mà còn có thể sử dụng nó như là tham số trạng thái của phương

pháp

Các cơ quan nghiên cứu, các nhà khoa học Việt Nam cũng đã tập trung hướng nghiên cứu về tuổi thọ kết cấu máy móc thiết bị nói chung, trong đó có các nghiên cứu về tuổi thọ kết cấu máy bay

Trong chương trình cấp Nhà nước mang mã hiệu 48D, đề tài “Nghiên cứu độ bền mỏi gỉ của các kết cấu làm bằng hợp kim nhôm sử dụng ở vùng khí hậu nhiệt đói ẩm” [27] do Viện sĩ Trương Khánh Châu làm chủ nhiệm đã tập trung nghiên cứu về cơ chế, độ bền mỏi gỉ của hợp kim nhôm D16AT và B95 là các vật liệu cơ bản của kết cấu máy bay Một số công trình khác [3,7,46,10,30,34] cũng nghiên cứu theo hướng trên Các tác giả [3] đã tổng hợp kiến thức về tuổi thọ máy bay để đưa vào giáo trình đào tạo kỹ sư của Học viện Phòng không - Không quân

Tổng quan về các công trình nghiên cứu trong lĩnh vực này có thể rút ra một

số điểm chính như sau:

Tuổi thọ của máy bay là tính chất của nó giữ được khả năng làm việc đến tình trạng giới hạn được xác định từ điều kiện bảo đảm an toàn bay Tuổi thọ của máy bay được xác định trên cơ sở tuổi thọ của kết cấu khung vỏ [3]

Tuổi thọ của máy bay phụ thuộc vào khả năng chống lại sự lão hóa, tức là chống lại sự tích lũy của ứng suất mỏi và biến dạng dão, chống lại mòn và gỉ của kết cấu Ảnh hưởng lớn nhất đến tuổi thọ là ứng suất mỏi Ứng suất mỏi sinh ra do tác động của tải lặp và sự lão hóa của kết cấu diễn ra một cách từ từ

Các tải lặp và tải biến đổi tác động lên các phần tử kết cấu có đặc tính ngẫu nhiên và được xác định từ điều kiện khai thác máy bay Trị số và tính lặp của tải đối với các loại máy bay khác nhau là khác nhau Đối với máy bay quân sự tính lặp của tải đối với các bài bay huấn luyện, cơ động chiến đấu khác nhau cũng khác nhau Đặc tính của tải đối với mỗi loại máy bay cũng không giống nhau ở mỗi giai đoạn bay khác nhau

Phổ tải lên kết cấu máy bay ngày nay được xác định tương đối thuận lợi bằng cách phân tích số liệu của hệ thống kiểm tra khách quan lắp trên máy bay Viện kỹ thuật PK-KQ đã nghiên cứu chế tạo thành công thiết bị giải mã và số hóa hệ thống kiểm tra khách quan và đã được phép lắp lên các máy bay huấn luyện chiến đấu L-

39, Su-22M, Su-22M4 và trực thăng Mi-8, Mi-172 [31,32] Dựa vào số liệu của hệ thống này, có thể xác định được hệ số quá tải và tần số tải lặp lên kết cấu Phần này

sẽ được trình bày cụ thể trong chương III

Việc xác định đường cong mỏi cho kết cấu máy bay thường được các nước trên thế giới giải quyết bằng thực nghiệm tổng thể hoặc thông qua các phần tử kết cấu Việc xác định độ bền mỏi của phần tử kết cấu được giải quyết bằng thực nghiệm hoặc bằng cách bổ sung cụ thể hơn cho đường cong mỏi đã có của dạng kết cấu tương đương [3] Thông thường phần tử kết cấu được mô phỏng thành mẫu thử

và thử nghiệm trên máy thử để xây dựng đường cong mỏi Các phần tử kết cấu để thử nghiệm tuổi thọ có thể là phần tử khung, xà, sườn, nẹp hoặc vỏ bọc chịu lực Đối với lĩnh vực nghiên cứu tuổi thọ vật liệu kết cấu máy bay, các công trình nghiên cứu đã tập trung vào hai loại hợp kim nhôm D16AT và B95 là hai loại hợp

kim chủ yếu của kết cấu máy bay [27] Phương pháp nghiên cứu chủ yếu là bằng thực nghiệm

1.5 Tổng quan về nghiên cứu giải mã và số hóa các tham số bay trên thiết bị kiểm tra khách quan của máy bay

Trên bất kỳ máy bay nào, nhà sản xuất máy bay cũng đều trang bị hệ thống kiểm tra khách quan các tham số bay hay còn gọi là “hộp đen” Số liệu này được đọc và ghi lại sau mỗi chuyến bay với mục đích giảng bình, kiểm tra các tham số bay sau các chuyến bay và phân tích xác định nguyên nhân tai nạn [32] Tùy loại máy bay và thế hệ xuất xưởng mà các hệ thống này có mức độ hiện đại khác nhau Loại đơn giản nhất là ghi bằng phim, sau mỗi chuyến bay các nhân viên kỹ thuật phải rửa phim, dùng máy chiếu và so sánh với các đồ thị chuẩn để đọc các tham số bay Loại hiện đại hơn thì ghi bằng băng từ, sau mỗi chuyến bay, đưa băng từ vào thiết bị giải mã để đọc số liệu bay Đối với máy bay thế hệ mới, người ta dùng các thiết bị hiện đại hơn, được số hóa, đưa số liệu đọc và quản lý bằng máy tính

Viện kỹ thuật PK-KQ bằng các đề tài, dự án cấp Nhà nước [31,32] đã nghiên cứu thành công việc giải mã, đọc tham số bay và phân tích theo phần mềm trên máy tính Sau mỗi chuyến bay, thiết bị mặt đất được cắm vào máy bay thu số liệu từ thiết

bị gắn trên máy bay, không cần tháo “hộp đen” xuống khỏi máy bay như trước

Các công trình nghiên cứu [11,47,27] đã bắt đầu nghiên cứu sử dụng các số liệu trên “hộp đen” cho mục đích nghiên cứu độ bền mỏi của kết cấu thông qua việc phân tích phổ tải lên kết cấu, đánh giá mức độ chịu tải của kết cấu và các phần tử kết cấu Kết quả đã xác định được cường độ phá hủy mỏi các phần tử kết cấu, phân chia các bài bay thành nhóm theo mức độ ảnh hưởng đến tuổi thọ và được Quân chủng PK-KQ sử dụng làm căn cứ để tăng hạn sử dụng kết cấu máy bay [21] Do khi đó các số liệu giải mã chưa được số hóa, nên việc phân tích còn phải làm thủ công trên từng phim ghi số liệu chuyến bay, rất công phu và tốn thời gian Ngày nay nhờ thiết bị giải mã được số hóa [32], việc phân tích số liệu rất thuận tiện và có thể tập hợp cùng lúc số liệu rất nhiều chuyến bay làm cho kết quả phân tích đa dạng hơn và có cấp độ chính xác cao hơn Việc ứng dụng hệ thống giải mã này để phân

tích số liệu, xác định tần số tải lặp lên kết cấu máy bay sẽ được trình bày cụ thể trong chương III

1.6 Tổng quan về máy bay và kết cấu máy bay L-39

Máy bay L-39 là loại máy bay huấn luyện hai chỗ ngồi với động cơ tuabin phản lực, dùng để huấn luyện sơ cấp và nâng cấp phi công trước khi chuyển sang bay máy bay chiến đấu Khi cần nó có thể sử dụng như máy bay chiến đấu và tấn công mặt đất Một số tính năng kỹ thuật cơ bản của máy bay như trong bảng 1.1 [26]

Bảng 1.1 Một số số liệu về máy bay và kết cấu máy bay L-39

TT Tên tính năng Giá trị TT Tên tính năng Giá trị

01 Chiều dài máy bay 12,13 m 11 Khối lượng cất cánh max 4.701 kg

02 Chiều ngang 9,46 m 12 Khối lượng hạ cánh max 4.600 kg

03 Chiều cao 4,77 m 13 Ký hiệu động cơ AI-25TL

04 Cánh hình thang 14 Vận tốc đồng hồ lớn nhất 890 km/h

05 Sải cánh 9,12 m 15 Số M lớn nhất 0,8

06 Diện tích cánh 18,8 m2 16 Hệ số quá tải ny -1 ÷ 6

07 KLR trên 1 m2 cánh 229 kg/m2 17 Chiều cao đuôi đứng 2,8 m

08 Chiều dài thân 11,9 m 18 Diện tích đuôi đứng 3,48 m2

09 Sải đuôi ngang 4,4 m 19 Khối lượng rỗng 3.507 kg

10 Diện tích đuôi ngang 5,07 m2 20 Khối lượng nhiên liệu: 824 kg Kết cấu máy bay L-39 bao gồm thân, cánh và đuôi Cánh máy bay lắp vào thân theo sơ đồ cánh dưới Hai càng chính lắp dưới cánh, càng trước lắp ở đầu thân, động cơ lắp ở phần giữa thân

Kết cấu thân kiểu truyền thống gồm 46 khung thân, 16 nẹp dọc và vỏ bọc Thân máy bay gồm phần trước và phần sau, được nối với nhau bằng các ốc cấy tháo lắp được từ phía ngoài thân

Thân máy bay có hình tròn giảm lực cản, tạo dòng chảy bao tốt Phía trên cánh được mở rộng ra để làm ống hút vào động cơ Phần này gắn liền thân máy bay Thân máy bay gồm phần đầu và phần sau Phần đầu bao gồm phần mũi, phần buồng lái kín khí, khoang nhiên liệu và khoang thiết bị tạo lực Phần mũi thân có cửa công