Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям  

На правах рукописи

АНДРОНОВ  Вадим Дмитриевич

РАЗРАБОТКА СТРАТЕГИИ ПОДДЕРЖАНИЯ

ЭКСПЛУАТАЦИОННО - ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ

АЭРОДРОМНЫХ ПОКРЫТИЙа

(05.23.11 - Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей)

А в т о р е ф е р а т

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва 2012

Работа выполнена на кафедре Аэропортыа

Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)

Научный руководитель:  кандидат технических наук, профессор

Чутков Александр Анатольевич

Официальные оппоненты:  доктор технических наук, профессор

Виноградов Александр Петрович

главный научный сотрудник

ФГУП ГПИ и НИИ  ГА  Аэропроект

                        кандидат технических наук

Вторушин Виктор Николаевич

  заместитель генерального директора по

инновационной деятельности и научно-

исследовательской  работе

ОАО  ПИ и НИИ ВТ Ленаэропроект

Ведущая организация:  ФГУП Администрация гражданских аэропортов

(аэродромов)

  Защита состоится л22 ноября  2012г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 212.126.02 в Московском автомобильно-дорожном государственном техническом университете (МАДИ) по адресу: 125319, г.Москва, Ленинградский проспект, 64, ауд. 42

Телефон для справок - (499) 155 - 93 - 24.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАДИ.

  Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направить в адрес диссертационного совета. Копию отзыва просим прислать по E-mail: uchsovet@madi.ru

Автореферат разослан л 19 октября 2012 года

Ученый секретарь

диссертационного совета

канд. техн. наук, проф.  __________________ Н.В. Борисюк

Общая характеристика работы

Актуальность. В настоящее время в реестр гражданской авиации включено 315 аэродромов, и это количество ежегодно убывает. 117 из них составляют национальную аэродромную сеть, состояние которой вызывает серьёзную озабоченность. Износ инфраструктуры аэродромов в среднем по стране достиг 75%. В связи с этим разработана и реализуется Федеральная целевая программа "Развитие транспортной системы России (2010 - 2015 годы)", которая ставит задачу создания новой аэропортовой сети, отвечающей современным требованиям к безопасности полетов.

Тема диссертационной работы актуальна, поскольку связана с оценкой и прогнозированием эксплуатационно-технического состояния (ЭТС) аэродромных покрытий. Методы оценки в разных странах имеют существенные различия, а в Российской Федерации разработаны недостаточно. Рекомендуемая нормами методика определения ЭТС поверхности покрытий не учитывает динамику развития дефектов и не содержит количественных оценок. Исследования, направленные на совершенствование методики оценки и прогнозирования ЭТС покрытий, позволяют увеличить срок их службы и планировать ремонтные работы, и поэтому являются актуальными.

Цель работы - разработка и совершенствование научных методик по оценке и прогнозированию состояния аэродромных покрытий, обоснование основных показателей и принципов разработки стратегии по поддержанию ЭТС покрытий аэродромов для обеспечения их нормативного срока службы.

Задачи исследования:

1. Усовершенствовать имеющееся в дорожной отрасли оборудование передвижных диагностических лабораторий для автоматизированного обследования аэродромных покрытий.

2. Создать новые методики и алгоритмы для решения конкретных задач по оценке, прогнозированию ЭТС аэродромного покрытия с целью обеспечения его нормативного срока службы.

3. Обосновать основные показатели и принципы разработки стратегий поддержания ЭТС аэродромных покрытий и их комплексной оценки для выбора оптимального варианта.

Научная новизна работы  заключается в следующем:

1. Проведены широкие натурные исследования по определению типов и динамики накопления дефектов жестких аэродромных покрытий, дефекты классифицированы по трем группам с определением степеней опасности.

2. Предложен критерий оценки ровности аэродромных покрытий.

3. Созданы новые методики по оценке и прогнозированию состояния  аэродромных покрытий.

  Достоверность и обоснованность полученных результатов и выводов, изложенных в работе, подтверждаются корректным использованием апробированных классических методов проведения научных исследований (теории вероятности, теории надежности, теории рисков сложных систем), статистическими исследованиями и экспертными оценками, системно-целевым подходом к организации управления состоянием аэродромных покрытий, положительными результатами внедрения разработанных стратегий в крупнейших аэропортах Российской Федерации.

На защиту выносятся:

1. Классификация дефектов жестких аэродромных покрытий, градированных по степени опасности для  воздушных судов (ВС).

2. Методики оценки и прогнозирования состояния аэродромных покрытий:

• методика оценки ровности покрытий искусственных взлетно-посадочных полос (ИВПП) с использованием дефектовочных данных об их состоянии;
• методика оценки долговечности цементобетонных (армобетонных) покрытий по критерию образования трещин с прогнозированием влияния количества взлетно-посадочных операций;
• комплексная методика определения величины рисков повреждения покрытия и возникновения авиационного инцидента в зависимости от состояния  покрытия ИВПП.

3. Основные показатели и принципы разработки стратегий поддержания ЭТС аэродромных покрытий и их комплексной оценки  для выбора оптимального варианта.

Практическая ценность заключается в совершенствовании управления ЭТС аэродромных покрытий с научно обоснованных позиций с четко определенными показателями и стратегией поддержания покрытий в рабочем состоянии в течение заданного периода времени, а также в решении задачи по повышению уровня безопасности в авиационной отрасли в результате снижения эксплуатационных рисков по состоянию аэродромных покрытий. Предложенная методика оценки ровности может использоваться для прогнозирования ремонтных мероприятий на отдаленных аэродромах Крайнего Севера или Дальнего Востока, куда проблематично доставить передвижную автомобильную лабораторию для автоматизированного обследования состояния покрытий.

Реализация результатов работы выполнена при обследовании покрытий и разработке стратегий поддержания ЭТС и продления ресурса ИВПП аэродромов России: Красноярск (Емельяново), (2010г.), Шереметьево (2011г.), Якутск (2012г.), ИВПП-2 аэропорта Сочи (2012г.). Разработаны четыре отчета по НИР для аэропортов Шереметьево, Красноярска, Светлогорска, Кубинки, в которых автор являлся ответственным исполнителем.

Апробация. Основные результаты исследований докладывались и получили одобрение на 39-й Московской международной конференции УИнновации как способ повышения конкурентоспособности аэропортовФ (2011 г.); 3-й Международной конференции УРоссия - Евросоюз: материалы и инженерные системы аэродрома - современный взглядФ в г. Туле (2011 г.); 68, 69 и 70-й научно-методических и научно-исследовательских конференциях МАДИ (2010-2012 гг.); 11-м Всероссийском дорожном конгрессе (2010г.), научно-практических конференциях Ассоциации стран СНГ Аэропорт ГА в Астрахани и Санкт-Петербурге (2010 г.), Нижневартовске (2011 г.), Красноярске (2012 г.).

Публикации. По результатам исследования опубликованы тринадцать печатных работ, в том числе четыре в изданиях, включенных в перечень ВАК.

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 170 страницах, включает в себя введение, четыре главы, заключение, 35 рисунков, 33 таблицы, список литературы из 120 наименований (из них 25 - иностранные).

Основное содержание работы

ВО ВВЕДЕНИИ обоснована актуальность темы диссертации, изложены основные цели и задачи, сформулированы научная новизна и практическая ценность полученных результатов.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ рассказывается о развитии методов оценки и управления ЭТС дорожных и аэродромных покрытий. Решением указанной проблемы в нашей стране и за рубежом занимались такие ученые как  Н.Н. Иванов, М.Б. Корсунский, М.Я. Телегин, В.Ф. Бабков, А.П. Васильев, В.П. Носов, Ю.М. Яковлев, М.С. Коганзон,  В.К. Апестин, О.А. Красиков, Г.И. Глушков, Б.С. Раев-Богословский, Л.И. Горецкий, А.П. Степушин, А.П. Виноградов, В.А. Кульчицкий, В.А. Макагонов, В.Д. Садовой, В.А. Попов, M.Y. Shanin, J .Bonnot.

При анализе публикаций по данной тематике проведен обзор развития методик обследования и управления эксплуатационным содержанием аэродромных и дорожных покрытий как в России, так и в Европе. Рассмотрены способы современной автоматизированной оценки состояния автомобильных дорог и аэродромов. Описан аналитический метод FMEA (Failure Mode and Effects Analysis), используемый в промышленности Великобритании, идея которого состоит в своевременном обнаружении дефектов, устранении и минимизации негативных воздействий на начальной стадии. FMEA применяет для оценки комплексный показатель - коэффициент приоритетности риска RPN (Risk Priority Number), вычисляемый путем перемножения показателей, характеризующих серьезность дефекта, вероятность возникновения и вероятность его обнаружения.

В МАДИ были разработаны правила диагностики транспортно-эксплуатационного состояния автомобильных дорог (ТЭС АД), в состав которых входит методика оценки качества, направленная на обеспечение повышения потребительских свойств автомобильных дорог. Состояние покрытий оценивается по наличию повреждений, деформаций, его ровности и скользкости, а также общей прочностью дорожной одежды.

  В настоящее время оценка состояния покрытий аэродромов производится путем дефектования с расчетом показателя состояния покрытия (балльной оценки), например,  линдекса PSI (Present Serviceability Index, AASHТO, США), линдекса PCJ (стандарт США ASTM D5340-04), линдекса PCI (Paverment Condition Index, США), сигнальной оценки Sk или линдекса качества Ро (Россия, ГПИ и НИИ ГА Аэропроект), комплексного показателя качества Kk (Россия, 26 ЦНИИ МО). Математические модели, используемые основными методиками, можно в обобщенном виде представить следующим выражением:

	(1)
где St - показатель (оценка) состояния покрытия на момент времени t; Smax - максимальное значение показателя  состояния покрытия; Di - часть покрытия, имеющего повреждения i-го вида; i - коэффициент весомости i-го повреждения; n - количество видов повреждений.

Наиболее употребительным за рубежом является индекс PCI, в России - индекс сигнальной оценки Sk. При использовании различных методик для одного и того же покрытия могут получаться различные результаты в силу того, что в них присутствует субъективное мнение специалистов-разработчиков, которые по-своему могут трактовать понятие качества поверхности покрытия, тем более, что градации дефектов в методиках для разных стран весьма обширны. Описанные выше методики не учитывает историю состояния и динамику развития дефектов, т.к. в формулах используются показатели наблюдаемых в текущий момент дефектов и характеристик материалов, а дальше  предлагается экстраполяция получаемых значений. Поэтому требуется регулярное обследование, отсутствует прогнозная составляющая, учитывающая изменение показателей во времени.

В области управления состоянием покрытий за рубежом известна система управления покрытиями Airpave Management компании RAMBOL (Дания), которая предлагает рассчитывать три показателя: структурный индекс (допустимую нагрузку и количество самолетов, которое может принять покрытие); функциональный индекс IRI (плавность движения самолетов); индекс изношенности (состояние покрытия). Однако применение системы управления покрытиями Airpave Management усложнено тем, что компания RAMBOL продает только оболочку, которую необходимо наполнять определенными данными под руководством специалистов компании, а это дополнительные затраты, самостоятельно делать это довольно сложно, поэтому приобретенная программа до сих пор не внедрена в аэропорту Домодедово. Кроме того, она не адаптирована к российским нормам.

Значительное внимание в диссертации уделено проблемам оценки интегрального показателя ровности  как одного из основных нормируемых показателей ЭТС аэродромных покрытий. Следует отметить, что помимо определения ровности поверхности покрытия инструментальные обследования включают в себя: испытания прочности бетона; определение физико-механических свойств материалов покрытия, физических свойств грунтов основания, несущей способности конструкции покрытия, деформативности основания; мониторинг экскурсии поперечных  швов и другие исследования. 

В результате проведенного автором анкетирования летчиков шести российских авиакомпаний, получены данные по 49 аэропортам РФ I - IV классов, находящихся в различных регионах страны (60 ИВПП). Анализируя экспертные оценки, ИВПП основных аэродромов Российской Федерации можно разбить на три группы по ровности покрытий R в соответствии с Руководством по эксплуатации гражданских аэродромов (РЭГА  РФ-94):

       1. R4,0 - выше хорошей (31 ИВПП, 52%).

       2. 3,0< 4,0 - удовлетворительная (18 ИВПП, 30%).

       3. 2,0< 3,0 - критическая (11 ИВПП, 18%).

Среднее значение ровности оцениваемых ИВПП составило 3,6, причем половина аэропортов имеет хорошую ровность, а вторая половина - удовлетворительную и критическую ровность. Согласно линейной интерполяции оценка 3,6 соответствует 47% износа. Таким образом, требуются незамедлительные мероприятия по повышению ровности покрытий ИВПП аэродромов России.

При сравнении полученных экспертных оценок с результатами расчета ровности по утвержденной методике, изложенной в РЭГА РФ-94 и основанной на расчете спектральной плотности неровностей, например, для  ИВПП-1 аэропорта Шереметьево и ИВПП аэропорта Красноярск как наиболее полно охваченных экспертными оценками, выявлено 25% завышение ровности по сравнению с экспертными оценками. Поэтому автором впервые предложен критерий оценки ровности: покрытие ИВПП считается пригодным для выполнения взлётов и посадок самолетов, если оценка его ровности по графику спектральной плотности - не ниже лудовлетворительно, а отдельные неровности по методу ИКАО (том 1 Аэродромы, Приложение 14  Конвенции ИКАО о международной гражданской авиации, 2009 г.) оцениваются как допустимые на различных длинах волн.

ВО ВТОРОЙ ГЛАВЕ разработаны методики оценки и прогнозирования ЭТС аэродромных покрытий с использованием показателей состояния покрытия и интенсивности взлетно-посадочных операций. Быстрое получение данных о состоянии аэродромных покрытий обеспечивает созданный с участием автора, путем усовершенствования имеющихся в стране передвижных дорожных лабораторий, аэродромный мобильный измерительный комплекс (АМИК). АМИК, помимо видеокамер, оснащен профессиональными фотокамерами для более точной фиксации дефектов, вплоть до усадочных трещин, доработано его программное обеспечение с расширенной классификацией дефектов аэродромных покрытий и возможностью распознавания результатов в полуавтоматическом режиме в камеральных условиях. АМИК позволяет сократить время обследования (3 км ИВПП - за 2 часа), уйти от субъективизма дефектования, обеспечить электронное хранение данных для выявления динамики роста дефектов по годам. АМИК применялся автором для обследования  ИВПП аэропортов Красноярск, Шереметьево, Сочи.

С использованием дефектовочных данных о состоянии покрытия автором  разработана методика оценки ровности, основанная на применении международной шкалы оценки ровности покрытий по методу International Roughness Index (IRI), (табл. 1).

Таблица 1

Градации показателя IRI, соотнесенные с российским показателем  ровности (РЭГА РФ-94)

	IRI, мм/м	Оценка ровности покрытий аэродромов, r
	<1,0	отлично	5,0
	1,0Е1,5	очень хорошо	4,5
	1,5Е2,5	хорошо	4,0
2,5Е3,5		не очень хорошо	3,5
3,5Е4,5		удовлетворительно	3,0
>4,5		плохо	2,5

Хорошая оценка покрытия в Финляндии (стране со схожим с нашим климатом в I - II-й дорожно-климатических зонах) соответствует индексу IRI  1,4Е1,6 мм/м (в среднем 1,5 мм/м), на покрытии отсутствуют уступы и сколы кромок в поперечных швах и трещинах (lp=0%). Плохая оценка покрытия соответствует показателю IRI=4,6, что означает, что поперечные швы и трещины имеют уступы и сколы кромок lp=100%. Это подтверждается в работах А.А. Фотиади  (2009 г.), который установил, что наличие уступов вносит наибольший вклад (до 80%) по сравнению с другими видами повреждений в ухудшение продольной ровности автомобильных дорог. После преобразований полученных линейных зависимостей  r = 5,857- 0,857 (IRI) и IRI = 0,031 lp +1,5 определено выражение, позволяющее оценить ровность покрытия при наличии данных о дефектах поперечных швов и трещин:

r=4,572 - 0,027 lp. (2) Это упрощенный универсальный способ оценки ровности, он может применяться как для жестких, так и для нежестких покрытий. Второй, предложенный автором, способ оценки ровности применим только для жестких покрытий, при этом учитываются их основные дефекты: поперечные и угловые трещины; разрушенные швы; уступы, влияющие на ровность. Использована эмпирическая формула (3), применяемая при проектировании жестких дорожных одежд в США (Руководство по механико-эмпирическому проекту новых и реконструируемых дорожных одежд GMED-2003), доказывающая линейность изменения международного индекса IRI:

  IRI=IRI0+0,013C+0,007J+0,0015H+0,4S, (3)

где IRI0 - первоначальная ровность; С - процент плит с поперечными и угловыми трещинами; J - процент разрушенных швов; H - итоговое значение уступа на км обследованных швов, мм; S - параметр, учитывающий местные условия.

После  преобразований на основе зависимости  r =f (IRI) с учетом (3) автором получено следующее выражение, позволяющее оценить ровность вторым способом:

r = 4,057 - 0,011С - 0,006J - 0,0013H. (4)

Методика оценки долговечности бетонных (армобетонных) покрытий аэродромов разработана для оценки долговечности покрытий ИВПП, рулежных дорожек, мест стоянок, перронов по показателю прочность и может быть использована для разработки проекта усиления покрытия. Помимо этой оценки, долговечность также определяется по другим показателям, в частности, по ровности, состоянию поверхности, ремонтопригодности. Вопрос о сроках капитального ремонта (реконструкции), как правило, должен решаться на основе анализа долговечности по всем этим показателям. Исходными данными для расчетов являются число плит с трещинами в процентах по рядам ИВПП (d) и количество взлетов по типам самолетов (n). Задача состоит в том, чтобы найти зависимость между интенсивностью повреждений бетонных покрытий и числом приложений нагрузки.

Рис.1. Функция усталости цементо-бетона, где Ки - коэффициент, учитывающий число приложений колесных нагрузок воздушных судов за проектный срок службы покрытия.

На основе анализа функции усталости цементобетона и ее параметров (рис.1) с учетом Рекомендаций по проектированию покрытий с учетом вероятности образования силовых трещин в бетонных плитах, разработанных ГПИ и НИИ ГА Аэропроект в 2007г., определена интегральная функция распределения числа приложения нагрузки, при которой в расчетном сечении плит отмечается предельное состояние по прочности и, следовательно, появляется некоторое количество плит с трещинами d:

	(5)
где  n - среднее квадратическое отклонение величины n, определяемое по рис.1:    (6) где  Dn - дисперсия величины .
Из рис.1 очевидно, что:	(7)
где  - напряжения; R - прочность бетона.

С учетом конкретных характеристик бетона для разных уровней напряжений в плитах построены графики распределения долговечности плит (рис.2), по которым можно определить ресурс покрытия (количество взлётов) в зависимости от числа плит с трещинами.

При применении данной методики анализируется количество приложений самолетной нагрузки по рядам плит с учетом ее возможного отклонения от оси ИВПП, которое подчиняется нормальному закону. При этом среднее квадратическое отклонение   воздушного судна (ВС) от оси ИВПП, как установлено в работе, зависит от массы m ВС, исчисляемой в тоннах:

(8)

Рис. 2. Определение долговечности цементобетонного покрытия

Изгибные напряжения от многоколесной опоры образуют неполный цикл воздействия, что необходимо учитывать в расчетах путем приведения многоколесных нагрузок различных типов ВС к нагрузке от расчетного типа ВС. С этой целью выполнены расчеты коэффициентов приведения.

Для упрощения можно при обследовании покрытия определить два значения d - одно на наиболее загруженном и второе - на крайнем ряду плит и нанести их на график. Остаточный ресурс покрытия определяется по данным наиболее загруженного ряда плит с учетом установленной эксплуатантом аэродрома интенсивности движения ВС.

Используя зависимости, представленные на рис. 2, по имеющимся  данным обследования определяют уровень напряжений в плитах покрытия (). В случае, если < 0,5 (норм.), делают вывод о том, что покрытие работает с недонапряжением, что может считаться фактором, положительно влияющим на его долговечность. Классификационное число покрытия PCN = ACN (где ACN - классификационное число расчетного эксплуатируемого на данной ИВПП ВС). При назначении более высоких значений числа PCN по требованию эксплуатанта можно по рис. 2 проверить уровень напряжений в плитах, сравнить его с нормативным, определить максимально возможный и оставшийся ресурс покрытия при различных уровнях напряжений, а также долговечность покрытия.

Методика прогнозирования влияния количества взлетно-посадочных операций на долговечность аэродромных покрытий дает возможность прогнозировать срок службы покрытия ИВПП в зависимости от его состояния с учетом количества принимаемых самолетов. Методика основана на определении ресурса покрытия за расчетный (нормативный) период эксплуатации (10 лет - для асфальтобетонных, 20 лет - для цементобетонных покрытий). Расчет ведется в соответствии со СНиП 2.05.08-85 Аэродромы:

1. Суточная интенсивность ВС, эксплуатирующихся в аэропорту приводится к ВС, имеющему максимальную интенсивность полетов с помощью расчета приведенного суточного состава движения Nr.

2. С учетом приведеннной повторяемости приложения нагрузки r для жестких покрытий проверяется условие по прочности и образованию трещин в рассматриваемом сечении плиты: md  ≤  mu, для нежестких покрытий проверяется неравенство по предельному относительному прогибу: d u. Делается вывод о  допустимом количестве приложений нагрузки для эквивалентного ВС.

3. Определяется нормативный ресурс покрытия для эквивалентного количества приложений нагрузок.

4. Из прогнозируемого годового количества взлетно-посадочных операций определяются значения r приведенной суточной интенсивности  эквивалентного ВС на перспективу. Строится график Nr = f (t).

5. С учетом допустимого количества взлетов в сутки (п.2) определяется нормативный ресурс покрытия (количество допустимых взлётов эквивалентного ВС за весь срок службы) по перспективным значениям  r из п.4. Получают изменение нормативного ресурса покрытия в зависимости от увеличения - уменьшения суточного количества приведенных приложений нагрузки, по результатам которого строятся графики (рис.3). 

Рис.3. Определение срока службы асфальтобетонного покрытия (пример).

Методика определения величины рисков в зависимости от состояния покрытия ИВПП - новая комплексная методика, разработанная автором, позволяющая определить расчетные риски повреждения покрытия и возникновения авиационного инцидента в сравнении с допустимыми рисками, оценить степень риска с учетом тяжести последствий, а также прогнозировать развитие риска во времени, что отвечает требованиям Закона о техническом регулировании, руководящих документов Ростехнадзора и ИКАО, Федеральных авиационных правил РФ.

С учетом статистических данных о состоянии безопасности полетов в гражданской авиации России в 2010-2011 гг., статистики ИАТА (International Air Transport Association) и сборников расследования авиапроисшествий, выпускаемых Межгосударственным авиационным комитетом и Ространснадзором, определена доля рисков по состоянию покрытия (эксплуатационных рисков) в общих авиационных рисках, которая для стран СНГ составляет максимум 10%, следовательно, возможно выражение (9):

  Ра.и. 0,1 Рп.п.,   (9)

где Рп.п. - вероятность риска повреждения покрытия; Ра.и. - вероятность риска возникновения авиационного инцидента.

По данным, полученных автором в аэропорту Красноярска, построена кривая повреждений двигателей ВС в период с 1997 по 2006 гг., установлена их взаимосвязь с общим состоянием покрытий, которая подтвердила дальнейшие выводы. Согласно Правилам расследования авиационных происшествий и авиационных инцидентов с государственными воздушными судами в РФ, авиационным инцидентом считается  событие, заключающееся в выполнении полетов с ВПП, которая не отвечает установленным требованиям, поэтому возможно следующее утверждение: риск возникновения авиационного инцидента (происшествия) численно равен вероятности события, заключающегося в том, что полеты ВС будут совершаться с ВПП, покрытие которой не отвечает  установленным требованиям по прочности (PCN), ровности (R), скользкости  (), поврежденности (Sk, Рo и др.). Показатели состояния покрытия и риски, их характеризующие, имеют различные значения с разбросом, выражаемым коэффициентом вариации, который может составлять от 20 до 80%. Поэтому для их описания применимы различные законы распределения (нормальный, Вейбулла), однако любой закон распределения может быть разложен в ряд по функции плотности нормального закона распределения, если для разлагаемого закона найдены математическое ожидание, дисперсия, асимметрия. Теорией надежности  установлено, что износ описывается функцией распределения плотности вероятности рискового события (t), причем нормальное распределение зависит от возраста эксплуатации покрытия, а экспоненциальное - не зависит и применяется для описания случайных отказов. Интегрируя функцию плотности, можно получить вероятность аварий Р для рискового события - износа в момент времени ti :

	(10)
где z - нормированный аргумент, определяемый по формуле:
	(11)
где - среднеквадратическое отклонение, характеризующее показатель поврежденности покрытия или показатель ровности покрытия R; Р Цинтегралы вероятностей из таблиц  N - распределения (Е.С. Вентцель).

По данным таблиц N-распределения построен график функции вероятности риска повреждения покрытия Рп.п..(σ), (рис. 4), который можно использовать для построения графиков функций риска для конкретных ИВПП с учетом сроков их эксплуатации (рис.5).

Рис. 4.  Зависимость Рп.п..(σ)

РРис. 5. Зависимость Ра.и. (t)  для ИВПП -1 аэропорта Шереметьево

Результаты проведенных расчетов вероятностей рисков Рп.п.(σ), Ра.и.(σ) сведены в табл.2, которая дополнена требованиями Руководства по управлению безопасностью полётов (РУБП) ИКАО по классификации рисков (допустимые - недопустимые риски) с введением категорий рисков, которые необходимы для включения в матрицу анализа степени риска с учетом тяжести последствий.

Автором проанализированы угрозы и опасности в области состояния покрытий, уточнена классификация дефектов жестких аэродромных покрытий по степени опасности, при этом 16 видов дефектов разбиты на  три группы: I-я группа  (дефекты, практически не снижающие прочность и долговечность конструкции - допускаемые дефекты), IIЦя группа (повреждения, снижающие долговечность конструкции - значительные дефекты), III-я группа (повреждения, снижающие несущую способность покрытия - критические дефекты).

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ представлены результаты исследований для разработки стратегии поддержания ЭТС покрытия, выполненных автором в 2003 - 2010 гг. на ИВПП аэропорта Красноярск (определение физических свойств грунтов основания, физико-механических свойств асфальтобетона и цементобетона покрытия), на основании которых выполнена корректировка стратегии работ.

Таблица 2 Взаимосвязь вероятностей возникновения рисков Рп.п., Ра.и. по состоянию покрытий ВПП и количества авиационных инцидентов на 1 млн  взлетно-посадочных операций (ВПО) с классификацией вероятностей
Показатели	-6σ	-5σ	-4σ	-3σ	-2σ	-1σ
Вероятность риска  Рп.п., %	0,0000001	0,00003	0,003	0,135	2,27	15,8
Вероятность риска Ра.и., %	0,00000001	0,000003	0,0003	0,01	0,2	1,6
Количество авиаинцидентов на 1млн  ВПО	0,0001≈0	0,03	3	100	2000	16000
Категории вероятности риска для анализа степени риска	A		B	С	D	E
	крайне низкая вероятность	низкая вероятность	малая вероятность	вероят-ность	средняя вероят-ность	высокая вероят-ность
Классификация по РУБП  ИКАО	ультрабезопасная система		безопасная система	нестабильная система
	допустимый риск			недопустимый риск

Доказано, что все эти свойства, а также природно-климатические, эксплуатационные, конструктивные и строительные факторы влияют на динамику развития дефектов покрытия.  Об исчерпании ресурса покрытия свидетельствует динамика накопления дефектов и, соответственно, снижения во времени сигнальной оценки состояния покрытия до критического значения и ниже, а также косвенно, физико-механические показатели свойств материалов аэродромных покрытий (асфальтобетона, цементобетона). Поэтому для контроля правильности назначения стратегии целесообразно периодически (1 раз в 3-5 лет)  выполнять более детальные исследования с испытанием кернов и определением вышеуказанных показателей. На основании проведенных испытаний взятых из покрытия образцов автором проанализировано изменение свойств асфальтобетона во времени (табл. 3), и сделан вывод о том, что износ асфальтобетона верхнего слоя ИВПП аэропорта Красноярск, в основном, происходит по причине естественного старения битума в асфальтовом вяжущем.

 

Таблица 3

  Изменение свойств асфальтобетона ИВПП аэропорта Красноярск

Год  стр-ва	Свойства асфальтобетона в год строительства						Свойства асфальтобетона  в 2010 г.
	Плотность, г/см3		Прочность, мПа			Кв.	Плот-ность, г/см3	Прочность, мПа			Кв.
	АБЗ	покр.	R20	R50	R0			R20	R50	R0
1986	а-	2,50	3,20	-а	-а	а-	2,46	3,60	-а	а-	0,83
2001	2,72  2,69	2,69	3,90	1,70	9,60	0,92	2,72 2,68	5,1  4,4  4,4	2,9  2,6 2,5	12,6 13,0 12,4	0,91 0,90  0,90
2002	2,59	2,60	4,00	1,83	10,3	0,90	2,59	4,00	2,10	12,0	0,90
2003	2,64	2,62	3,80	1,60	9,80	0,91	2,60	4,70	2,20	12,6	0,88
2004	2,61	2,57	3,80	1,70	9,50	0,93	2,56	3,90	1,80	11,5	0,91
2005	2,65	2,62	4,00	1,80	9,70	0,90	а2,62	4,20	1,90	11,5	0,89
2006	2,62	2,64	3,75	1,70	10,2	0,92	2,56	4,40	2,50	13,4	0,87

  Эксплуатационное состояние покрытия ИВПП аэропорта Красноярск соответствует его возрасту. Это подтверждает правильность назначенной стратегии ежегодных поддерживающих ремонтов локальных участков покрытия с применением инновационных технологий, таких как пропитка защитными гидрофобизирующими составами проникающего действия, например, CHEM CRETE ASP (производства США), снижающая водонасыщение, реагентонасыщение, адгезию льда и повышающая плотность поверхностного слоя,  морозостойкость и, в итоге, долговечность покрытия. Для оперативного ремонта выбоин в локна, свободные от полетов продолжительностью 3-4 часа, автором разработана и внедрена технология ремонта асфальтобетонных покрытий ИВПП методом устройства щебне-мастичных вставок, впервые из всех аэропортов России успешно примененная в аэропорту Красноярск, которая позволила на 12-й год эксплуатации ИBПП обходиться без фрезерования покрытия, минимизировать объемы работ (ладресный ремонт) и средства Заказчика.

Сформулированы основные принципы разработки стратегий: вариантность; направленность на устранение причин образования дефектов; принцип деления ИВПП на участки по фактическим признакам состояния покрытия; принцип своевременности назначения работ с целью минимизации затрат; принцип увеличения капитальности работ с возрастом покрытия; принцип минимизации работ в год, предшествующий реконструкции, когда устраняются только самые критические разрушения. Предложены показатели, необходимые при разработке и анализе стратегий:

1. Показатель процентного соотношения работ Кn, показывающий отношение площадей всех отремонтированных за период эксплуатации участков к общей площади покрытия, необходим для определения момента перехода  от стадии  поддерживающих ремонтов  к новому,

более качественному уровню состояния покрытия путем проведения реконструкции с применением принципиально новых решений на данном аэродроме. Приведены результаты его оценки в аэропортах Красноярск и Шереметьево для разных типов покрытий. Для цементобетонных покрытий обычно этот показатель находится в пределах 35-40%. Программой продления технического ресурса он может быть увеличен до 55-60%.  Для асфальтобетонных покрытий Kn несколько выше и составляет 45-65%. Законодательно закрепив значения Kn, можно стимулировать Заказчиков к решению вопросов реконструкции покрытий аэродромов с учетом появления новых типов ВС на новом, более качественном уровне, нежели механическое повторение устаревших технических решений. Это и есть инновационный подход в управлении состоянием покрытий.

2. Ремонтопригодность покрытий Кр, определяемая отношением времени, необходимого для выполнения ремонтных операций к располагаемому (выделяемому) аэропортом.

3. Показатель сигнальной оценки Sk в качестве индикатора эксплуатационно-технического состояния покрытия. Одного обобщенного показателя  недостаточно для оценки технического состояния покрытия и прогнозирования его срока службы. Необходимо анализировать во времени три следующих показателя: несущую способность конструкции покрытия, эксплуатационные характеристики (ровность, колейность, сцепление), изношенность верхнего слоя покрытия (наличие дефектов).

4. Интенсивность износа покрытия α, определяемая по формуле (12), указывает на достаточность (недостаточность) ремонтных мероприятий для выхода на нормативный срок службы.

	(12)
где t - срок службы покрытия на момент оценки и определения показателя состояния покрытия St.

5. Приведенный срок службы конструкции,  с учетом поправки на сохраненную прослойку, более точно отражает реальный будущий срок службы и год исчерпания ресурса покрытия.

В III-й главе выполнен анализ и ранжирование дефектов. Для прогнозирования количества дефектов учитывается их приращение вследствие износа покрытия и накопления усталостных повреждений, которое рассчитывается с учетом так называемой капитализации дефектов. Определены общие принципиальные подходы к устранению различных дефектов покрытий. Предложена схема оценки ЭТС аэродромных покрытий и разработки стратегии по его управлению (рис. 6).

                                     

  Рис. 6. Схема оценки ЭТС аэродромного покрытия и разработки стратегии по управлению его состоянием

Для разработки стратегии применяется закон изменения общего показателя эксплуатационных характеристик во времени. В качестве таких законов изменения часто используются средние законы, полученные путем регрессионного анализа изменений состояния покрытия. Оптимальной является стратегия, позволяющая получить в будущем наилучшее состояние покрытия при условии сопоставимости необходимых расходов с имеющимися средствами.

Комплексная оценка стратегий производится с анализом следующих показателей:  прогнозируемый срок службы покрытия; риски в области поддержания эксплуатационного состояния покрытий; экономическая эффективность назначенных стратегий (коэффициент отдачи капитала и приведенные затраты); прогнозная стабильность показателей реализации стратегии и прогнозная матричная оценка результативности и реализации вариантов стратегии, предложенная автором, которая может содержать прочие расширенные показатели для анализа (например, обеспечение регулярности полетов, снижение затрат на ремонт ВС, прием новых типов ВС, организация работ на ИВПП без прекращения полетов). Оптимизация состоит в поиске стратегии технической эксплуатации, которая делает максимальной общую среднюю отметку (балл) в расчетах.

ЧЕТВЕРТАЯ ГЛАВА диссертации посвящена апробации разработанных методик в аэропортах Шереметьево и Красноярск и практической реализации в период с 1998 по 2012 гг. с участием автора программ поддержания ЭТС и продления ресурса ИВПП в аэропортах России: Норильск, Хатанга, Якутск, Владикавказ, Минеральные Воды, Сочи и других.

Сигнальная оценка (табл. 4) и построенные автором кривые износа покрытия ИВПП-1 аэропорта Шереметьево, (рис. 7) показали, что проведенных ремонтных мероприятий не достаточно для выхода на нормативный срок службы покрытия.

  Таблица 4

Сигнальная оценка состояния покрытия ИВПП-1 аэропорта Шереметьево

Год обследо-вания	Срок службы на момент обследования	Показатель состояния покрытия Sk	Состояние покрытия	Стадия эксплуатации
2000	3	4,02	хорошее	нормальная
2001	4	4,30	хорошее	нормальная
2003	6	4,36	хорошее	нормальная
2004	7	4,41	хорошее	нормальная
2008	11	3,35	удовлетворительное	критическая
2009	12	4,10	хорошее	нормальная
2011	14	3,30	удовлетворительное	критическая

Рис. 7. Кривые износа покрытия ИВПП-1 аэропорта Шереметьево

Поэтому автором было предложено выполнить в 2012 г. залповый ремонт покрытия ИВПП-1 аэропорта Шереметьево для устранения накопившихся повреждений, и далее выполнять ежегодные плановые поддерживающие ремонты. С этой целью в 2012 г. в два раза увеличено финансирование ремонтно-восстановительных мероприятий.

В результате внедрения предложенных стратегий ресурс ИВПП-1 аэропорта Шереметьево продлен на один год, ресурс ИВПП аэропорта Красноярск продлен на пять лет.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

В диссертации решена научная задача по разработке методик оценки ЭТС аэродромных покрытий на основе результатов автоматизированного обследования, а именно:

• методики оценки ровности покрытия ИВПП с использованием дефектовочных данных о состоянии покрытия;
• методики оценки долговечности бетонных (армобетонных) покрытий по критерию образования трещин с учетом влияния взлетно-посадочных операций; комплексной методики определения величины рисков повреждения покрытия и возникновения авиационного инцидента в зависимости от состояния  покрытия ИВПП.

Определены критерий пригодности покрытий ИВПП по ровности, основные показатели и принципы разработки и комплексной оценки  стратегий поддержания ЭТС с целью обеспечения нормативного срока службы и продления ресурса аэродромных покрытий. Методически решен вопрос по повышению уровня безопасности эксплуатации ВС в авиационной отрасли за счет снижения эксплуатационных рисков по состоянию покрытий.

Диссертационная работа имеет научно-практическую направленность путем применения по предложенному алгоритму разработанных методик и показателей.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ  ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

  В изданиях, рекомендованных перечнем ВАК:

1. Андронов, В.Д. Новый уровень решения проблемы продления эксплуатационно-технического ресурса аэродромных покрытий / В.Д. Андронов // Вестник МАДИ. - Вып. 3 - М.: Изд-во МАДИ, 2011. - С. 80-86.

2. Андронов, В.Д. Реконструкция взлётно-посадочных полос аэродромов Германии и России без прекращения лётной эксплуатации / В.Д. Андронов // Транспортное строительство. Вып. 1 - М.: Центр Трансстройиздат.-2012. - С. 27-31.

3. Андронов, В.Д. Методический подход к определению величины риска возникновения авиационного инцидента в зависимости от состояния покрытия взлетно-посадочной полосы / В.Д. Андронов, В.Г. Подопригора // Вестник МАДИ. - Вып. 2 - М.: Изд-во МАДИ, 2012. - С. 99-104.

4. Андронов, В.Д. Восприятие неровности аэродромных покрытий лётным составом авиакомпаний/ В.Д. Андронов // Вестник МАДИ. Вып. 3 - М.: Изд-во МАДИ, 2012. - С. 80-84.

В прочих изданиях:

5. Андронов, В.Д. Организация работ по реконструкции ИВПП в отдаленных северных районах РФ (на примере аэропортов Хатанга, Норильск) / В.Д. Андронов // Проектирование, строительство и эксплуатация аэродромов.- МАДИ: сб. науч. тр. - М.: Изд-во МАДИ, 2010. - С. 83-87.

6. Андронов, В.Д. Инновационные методы управления состоянием аэродромных покрытий / В.Д. Андронов // Материалы 39-й Московской международной конференции Инновации как способ повышения конкурентоспособности аэропортов - М.: Изд-во Ассоциации Аэропорт ГА, 2011. - С. 20-21.

7. Андронов, В.Д. Управление состоянием аэродромных покрытий / В.Д. Андронов // Аэропорт партнёр. Вып. 4-5 - М.: Изд-во Ассоциации Аэропорт ГА, 2011. - С. 22-23.

8. Андронов, В.Д. Управление состоянием аэродромных покрытий на примере аэропорта Красноярск / В.Д. Андронов // Аэропорты. Прогрессивные технологии. Вып. 2 (51) - М.: Изд-во Прогресстех, 2011. - С. 2-6.

9. Андронов, В.Д. Реконструкция взлетно-посадочных полос в условиях действующих аэропортов. Инфраструктура аэропортов / В.Д. Андронов // Дороги. Инновации в строительстве. Вып. 17, февраль. - Санкт-Петербург: ТехИнформ, 2012. - С.87-91.

10. Андронов, В.Д. Риск возникновения авиационного инцидента и состояние ВПП. / В.Д. Андронов // Аэропорты. Прогрессивные технологии. Вып. 1(54) - М.: Изд-во Прогресстех, 2012. - С.7-12.

11. Андронов, В.Д. Организация работ по реконструкции ВПП аэродромов Германии и России без прекращения летной эксплуатации / В.Д. Андронов // Аэропорты. Прогрессивные технологии. Вып. 2(55) - М.: Изд-во Прогресстех, 2012. - С. 2-7.

12. Андронов,  В.Д. Ровность аэродромных покрытий. Пути совершенствования методики оценки / В.Д. Андронов, А.А. Чутков //  Аэропорты. Прогрессивные технологии. Вып. 3(56) - М.: Изд-во Прогресстех, 2012.-С.12-16.

13. Андронов, В.Д. Главная цель наших методик - продлить ресурс аэродромных покрытий / В.Д. Андронов // Воздушный транспорт ГА.- №36, сентябрь - М.: Изд-во ТрастАвиа, 2012. - С.2.

  Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям