Доклад на конференции по КиР

МЕТОДИКА ОЦЕНКИ СОХРАНЯЕМОСТИ И ПРОДЛЕНИЯ НАЗНАЧЕННОГО СРОКА СЛУЖБЫ АВАРИЙНО_СПАСАТЕЛЬНЫХ СРЕДСТВ ИЗ ПРОРЕЗИНЕННЫХ ТКАНЕЙ.

Шпаков В.П. Полякова Н.И. Рыбакова Л.Д.
ОАО «Научно-исследовательский институт резиновой промышленности»
г. Сергиев Посад Московской области

(Доклад на первой Всероссийской конференции по каучуку и резине)

 

Широкому распространению мягких оболочек в технике и в спасательном деле часто препятствует психологический фактор. Многократное превышение линейных размеров надувной оболочки толщины ее стенки, «безмоментность» и мягкость оболочек из тканей с полимерным покрытием создает ощущение ненадежности, потенциальной возможности внезапной потери работоспособности, особенно при экстремальных ситуациях или в результате неквалифицированного обращения.

Однако знаменитый эксперимент француза Алена Бомбара, в одиночку переплывшего на надувной лодке Атлантический океан, и многолетний опыт применения в морском флоте и в авиации аварийно-спасательных средств (АСС) свидетельствует о том, что надувные конструкции из тканей с полимерным покрытием являются наиболее надежным видом техники для спасения человеческой жизни на воде.

Требования Международной конвенции по охране человеческой жизни на море, Морского и авиационного регистров, нормы ИМО, ИКАО и FAA регламентируют очень высокие требования по надежности и вероятности безотказного срабатывания в критических ситуациях спасательных средств. Поэтому при разработке конструкций, установлению гарантий и регламентном обслуживании находящихся в режиме ожидания надувных спасательных плотов, лодок, трапов и жилетов особое внимание обращается на физико-механические показатели материалов, узлов, комплектующих изделий и их изменение с течением времени.

Вызывают опасения сохранность тканей с полимерным покрытием и клеевых швов изделий аварийно-спасательного назначения при длительном хранении в реальных климатических условиях, поскольку вероятность безотказного срабатывания конструкций должна быть очень высока. Поэтому требования по установлению обоснованных гарантий, прогнозированию вероятности безотказной работы и включению в документацию методов ускоренного контроля показателей надежности в подавляющем большинстве случаев являются обоснованными и обязательными.

Однако и до настоящего времени рядом организаций срок службы АСС продлевается по результатам периодических регламентных работ, проводимых не чаще одного раза в 5 лет, что не гарантирует достоверность результатов и обоснованность продления срока службы изделий НИИРПом, имеющим 40-летний опыт проектирования, изготовления, испытаний и эксплуатации мягких оболочек, накоплен значительный материал по динамике изменения свойств эластмерно-тканевых материалов, швов и готовых изделий за время их хранения и эксплуатации, а также по отказам элементов, узлов и комплектующих деталей мягких оболочек.

Проведена большая работа по установлению обоснованных коэффициентов запаса прочности конструкций, длительно эксплуатирующихся в различных условиях нагружения, климатических зонах и при воздействии агрессивных сред / 1 /, обеспечивающих требуемую степень надежности. Для оболочек различного вида и назначения определены и согласованы с заказчиком критерии отказа (предельного состояния) и номенклатура нормируемых показателей надежности (в том числе и сохраняемости) изделий. / 2, 3 /

По условиям использования, возможным последствиям достижения предельного состояния (отказа), оценки реальной продолжительности работы изделия и требованиям к безопасности, долговечности и сохраняемости мягкие оболочки разделены на следующие виды:

1. Изделия общего назначения, находящиеся в постоянной или периодической относительно длительной эксплуатации и эксплуатирующиеся до достижения предельного состояния (отказа) -надувные дежурные шлюпки, яхтенные лодки для связи с берегом (динги), дежурные спасательные жилеты и др.
2. Аварийно-спасательные средства воздушных и морских судов, находящиеся основную часть времени в режиме ожидания в закрытых контейнерах и , при необходимости, исполняющие основные функции на протяжении относительно короткого времени, как правило, одноразовые, после срабатывания системы газонаполнения, а также изделия, входящие в состав комплексов техники и обеспечивающие выполнение ими заданной операции в установленное время (например, надувные баллонеты для аварийной посадки вертолетов на воду).

Типовая номенклатура стандартизуемых показателей надежности этих изделий приведена в таблице 1. Конкретные показатели и численные их значения согласовываются между заказчиком и разработчиком на стадии проектирования, исходя из реальных условий эксплуатации и возможных последствий отказа.

 

Таблица 1.
Типовая номенклатура показателей надежности мягких оболочек.

Вид изделий	Нормируемые показатели надежности
	Технические	Оперативно-технические
Изделия общего назначения	Средний срок службы Т СЛ.
	Средний срок сохраняемости ТС
Изделия аварийно-спасательного назначения или входящие в состав комплексов техники	Назначенный срок службы Т СЛ. Н. Средний срок службы Т СЛ. Средний срок сохраняемости Т С Установленный ресурс Т Р.У.	Коэффициент оперативной готовности К О.Г. Коэффициент готовности К Г. Вероятность безотказной работы в оперативное время Р ( t о.в.) Вероятность безотказного срабатывания Р О.

 

Для основных видов мягких оболочек АСС характерными видами потери работоспособности (отказа) являются:

• разрыв эластомерно-тканевого материала или швов с потерей формы изделия;
• утечка рабочей среды (газа) сверх допустимой величины вследствие порезов, проколов материала оболочки , потери герметичности материала, швов, клапанов системы газонаполнения или предохранительных клапанов;
• несрабатывание или недопустимо медленное (быстрое) срабатывание системы газонаполнения рабочей средой;
• изменение геометрических размеров изделия сверх допустимых значений;
• изменение несущей способности оболочки или опоры защитного тента ниже допустимых пределов.

 

Для изделий специфической конструкции или условий эксплуатации могут быть особые значения предельных состояний (изменение внешнего вида, прозрачности, отказа элементов для быстрого обнаружения, наличие видимых признаков биологической или климатической деструкции и т.д.).

В большинстве случаев отказы мягких оболочек связаны с деструкцией полимеров под воздействием внешних сред, нарушениями условий хранения и эксплуатации и как следствие снижением показателей прочности материалов и швов при длительном воздействии повышенных (пониженных) температур, статических и динамических нагрузок, истирания, климатических факторов окружающей среды.

При численном расчете ожидаемых показателей надежности мягких оболочек используется общая схема функционирования изделия во времени, по которой отказ возникает при случайной реализации до предельного значения хотя бы одного из параметров, определяющих работоспособность изделия / 4 /. Предельное значение параметра может быть достигнуто в результате скачкообразного изменения действующих нагрузок (внезапный отказ), либо в итоге монотонного изменения (снижения или повышения) контрольного показателя (постепенный отказ) или при сочетании этих вариантов.

Вероятность безотказной работы при внезапных отказах определяется по формуле ( 1) :

Из уравнения (1) видно, что высокая степень безотказности оболочек Рl (t)> 0,99 обеспечивается при значении расчетного запаса прочности > 3 и стабильного уровня качества материалов и швов ( < 0,15).

В процессе хранения и эксплуатации полимерных материалов, на основе которых изготовлены мягкие оболочки АСС, происходит монотонное изменение основных параметров их качества, в большинстве случаев по показательной кривой, подчиняющейся известному уравнению Аррениуса:

 

Многолетний опыт создания и эксплуатационных испытаний аварийно-спасательных средств свидетельствует о том, что после истечения назначенного при разработке срока службы изделия, хранившиеся в установленных нормативной документацией условиях, незначительно теряют первоначальные показатели, определяющие их функциональную работоспособность, и могут быть использованы в дальнейшем.

Перед институтом была поставлена задача разработки методик оценки сохраняемости АСС после истечения назначенного срока службы изделий, которая с высокой степенью достоверности позволяла бы прогнозировать дальнейшее протекание процессов старения и устанавливать в документации увеличенные нормируемые показатели надежности (назначенный срок службы, средний срок сохраняемости, установленный ресурс и др.). Эта работа при положительных результатах могла дать значительный экономический эффект.

В течение 1990 - 2001 г.г. НИИРПом проведен комплекс исследовательских, расчетных и экспериментальных работ, позволяющих прогнозировать сохраняемость и безотказность срабатывания АСС из тканей с эластомерным покрытием с истекшими назначенными сроками службы. Методика оценки сохраняемости изделий основана на данных испытаний образцов АСС с истекшими гарантиями и материалов, из которых они были изготовлены.

Экспериментальные работы включали тщательный анализ образцов АСС, условий, в которых они хранились, состояния их материалов, швов и узлов, ускоренные термические испытания изделий с последующими физико-механическими испытаниями по типовой программе как самих АСС, так и образцов материалов и швов, вырезанных из изделий.

При численном расчете ожидаемых показателей надежности использована общая схема функционирования изделий во времени, по которой отказ возникает при случайной реализации до предельного значения хотя бы одного из параметров, определяющих работоспособность спасательного средства. Расчетный срок службы изделия до достижения критического контрольного показателя определялся по эквивалентной температуре:

 

 

 

Проведение испытаний и обработка результатов позволили определить величину термического коэффициента Е и константу скорости реакции В для основных материалов, применяемых при изготовлении аварийно-спасательных средств и на их основе рассчитать режим и время климатических испытаний , эквивалентных заданному времени хранения изделий.

Ускоренные испытания и контроль за реальной эксплуатацией надувных спасательных средств из полиамидных и полиэфирных тканей с покрытиями на основе полихлоропренового, этиленпропиленового, изопренового и дивинилстирольного каучуков, а также их комбинаций показывают, что за время реальных хранения и эксплуатации в течение 10 - 14 лет без прямого воздействия факторов светового излучения и озона воздуха снижение прочностных показателей и газопроницаемости эластомерно-тканевых материалов не превышает 15 - 20 %. Старение полимерных материалов, не имеющих специальных групп защиты, в условиях светопогодного воздействия происходит существенно быстрее.

Аналогичным способом можно рассчитать время и условия ускоренных испытаний оболочек, эксплуатирующихся на открытом воздухе, где наряду с тепловлажностным старением происходит изменение свойств материалов под воздействием солнечного излучения и озона, атмосферных осадков, а также длительно приложенных нагрузок. При этом следует иметь в виду, что дисперсия внешних влияний ( в частности, за счет ветровых нагрузок) , может возрасти на порядок.

На основании общих принципов расчета безотказности и долговечности изделий из тканей с эластомерным покрытием и методов их ускоренных испытаний, сопоставимых с реальной эксплуатацией, разработаны рабочие программы и методики для оболочек различного назначения. По ним проведены испытания более 10 типов аварийно-спасательных средств коллективного и индивидуального пользования с истекшим ресурсом. По результатам которых выявилась возможность продления их назначенного срока службы с 3 - 5 до 12 - 14 лет.

 

Литература:

1. Кадонцева Н.В. Шпаков В.П. К вопросу выбора коэффициента запаса прочности конструкций из прорезиненных тканей. Сб. « Сообщения ДВВИМУ по судовым мягким оболочкам», вып.35, ЦБНТИ ММФ, ДВВИМУ им. Г,И. Невельског, г. Владивосток, 1977, с. 76 - 87.
2. О.Г. Карбасов, В.П. Шпаков. Расчет и ускоренные испытания надежности мягких оболочек из прорезиненных тканей. Сб. тезисов докладов Всесоюзной конференции «Проблемы экологии и мягкие оболочки» Общество «Знание», г. Севастополь, 1990, с. 33 - 34.
3. Карбасов О.Г. , Шпаков В.П. «О методах расчета и контроля безотказности и сохраняемости мягких оболочек на стадии проектирования». Сб. «Прогнозирование и расчет пневмоконструкций», г. Владивосток, ДВГМА. 1991, с. 44 - 49.
4. Типовая программа исследовательских типовых и контрольных испытаний основных групп резинотканевых конфекционных изделий. ЗФ ВНИИЭМИ, 1990.

 

/В.П. Шпаков/

/Н.И. Полякова/

/Л.Д. Рыбакова/