Dynamic reliability assessment of aero-engine components using dependence-aware PNET and mechanism-informed aging correction

एक आधुनिक जेट इंजन के हृदय के भीतर, धातु के पुर्जों का एक छोटा सा संग्रह ऐसी स्थितियों में काम करता है जो अधिकांश सामग्रियों को पिघला सकती हैं। ये घटक, जिन्हें 'हॉट सेक्शन' (गर्म भाग) के रूप में जाना जाता है, जलते हुए ईंधन और घूमते हुए टरबाइन के बीच स्थित होते हैं। वे अत्यधिक गर्मी, तीव्र कंपन और सुपरसोनिक गति से चलती हवा के जबरदस्त दबाव को सहन करते हैं। समय के साथ, यह क्रूर वातावरण धातु को कमजोर, चटका या घिस देता है। इंजीनियरों को यह सटीक भविष्यवाणी करनी होती है कि ये पुर्जे कब विफल होंगे ताकि इंजन सुरक्षित रहे। यदि वे बहुत जल्दी अनुमान लगाते हैं, तो वे उन पुर्जों को बदल देते हैं जो अभी भी ठीक हैं, जिससे पैसा बर्बाद होता है और विमानों को उड़ान भरने से रोका जाता है। यदि वे बहुत देर से अनुमान लगाते हैं, तो उड़ान के दौरान इंजन विफल हो सकता है। चुनौती यह है कि ये पुर्जे एक सरल, सीधी रेखा में पुराने नहीं होते। वे एक साथ कई अलग-अलग प्रकार के नुकसान झेलते हैं, जैसे कंपन से दरारें, रगड़ से घिसाव, और गर्मी से धीरे-धीरे खिंचाव, जो सभी एक साथ होते हैं और एक-दूसरे को प्रभावित करते हैं।

दशकों से, इंजीनियरों ने इन इंजनों की सुरक्षा की गणना करने के लिए प्रत्येक प्रकार के नुकसान को अलग-अलग देखने की कोशिश की है। वे एक दरार बनने की संभावना, घिसाव होने की संभावना और गर्मी से होने वाले नुकसान की संभावना का अनुमान लगाते थे, और फिर इन संख्याओं को कुल सुरक्षा स्कोर प्राप्त करने के लिए आपस में गुणा करते थे। यह दृष्टिकोण मानता है कि प्रत्येक प्रकार का नुकसान स्वतंत्र रूप से होता है, जैसे अलग-अलग पासे फेंकना। हालांकि, वास्तविक दुनिया में, वही बल जो एक दरार पैदा करते हैं, घिसाव भी पैदा करते हैं। उच्च तापमान का एक एकल विस्फोट एक ही समय में इन दोनों प्रक्रियाओं को तेज कर सकता है। जब इंजीनियर इन जुड़े हुए समस्याओं को असंबंधित मानकर देखते हैं, तो वे अक्सर एक ही जोखिम को दो बार गिन लेते हैं, जिससे इस बात का भ्रमित करने वाला चित्र बनता है कि इंजन वास्तव में कितना सुरक्षित है। इसके अलावा, केवल इंजन द्वारा उड़े गए घंटों को गिनने से पूरी कहानी पता नहीं चलती। एक गर्म, आर्द्र जलवायु में और बार-बार उड़ान भरने और लैंडिंग करने वाले इंजन की उम्र उस इंजन की तुलना में बहुत तेजी से बढ़ती है जो शांत, ठंडे वातावरण में उड़ता है, भले ही घड़ी में समान संख्या में घंटे दिखाए गए हों।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने दो विचारों को, जिन्हें आमतौर पर अलग रखा जाता है, मिलाकर इस पहेली को सुलझाने का एक नया तरीका विकसित किया है। पहले, उन्होंने एक ऐसी विधि बनाई जिससे यह पहचाना जा सके कि विभिन्न प्रकार के नुकसान वास्तव में जुड़े हुए हैं, ताकि वे एक ही जोखिम को दो बार न गिनें। दूसरे, उन्होंने इंजन द्वारा उड़े गए कच्चे घंटों को वास्तविक नुकसान के माप में बदलने का एक तरीका पेश किया, जो इस बात का हिसाब रखता है कि इंजन ने कितनी मेहनत की थी। उन्होंने इस नए सिस्टम का परीक्षण एक हाई-प्रेशर टरबाइन ब्लेड और डिस्क असेंबली पर किया, जो जेट इंजन का एक महत्वपूर्ण हिस्सा है जो घूमते हुए ब्लेड को केंद्रीय डिस्क से जोड़ता है। यह विशिष्ट भाग विशेष धातु मिश्र धातुओं से बना है और इसे 'फायर-ट्री' (पेड़ की जड़ जैसा) नामक एक जटिल संरचना द्वारा पकड़ा गया है। यह एक ऐसा घटक है जहाँ गर्मी, कंपन और रगड़ के बल आपस में टकराते हैं।

शोधकर्ताओं ने इस हिस्से के विफल होने के सात प्रमुख तरीकों की पहचान करके शुरुआत की। इनमें कम गति वाले झुकने से दरारें, उच्च गति वाले कंपन से दरारें, ब्लेड और डिस्क के मिलन स्थल पर घिसाव, स्वयं डिस्क में दरारें, सुरक्षात्मक कोटिंग का छिलना, ब्लेड से टकराने वाली बाहरी वस्तुओं से क्षति, और गर्मी से होने वाला धीमा खिंचाव शामिल थे। इन सात समस्याओं को सात अलग-अलग दुश्मनों के रूप में देखने के बजाय, टीम ने देखा कि वे एक-दूसरे को कैसे प्रभावित करते हैं। उन्होंने एक प्रणाली बनाई जो यह मापती थी कि जोखिम कितने समान हैं। यदि दो विफलता मोड (failure modes) एक ही बलों, जैसे कि समान गर्मी या कंपन, द्वारा संचालित होते हैं, तो सिस्टम उन्हें एक जोड़ी के रूप में पहचान लेता था। फिर उन्होंने इन संबंधित विफलताओं को एक साथ समूहबद्ध किया और पूरे समूह का प्रतिनिधित्व करने के लिए सबसे खतरनाक एक को चुना। इस प्रक्रिया को, जिसे वे 'डिपेंडेंस-अवेयर स्क्रीनिंग' (निर्भरता-जागरूक छंटनी) कहते हैं, का अर्थ था कि अब उन्हें सात अलग-अलग वस्तुओं की सुरक्षा की गणना नहीं करनी थी। इसके बजाय, वे कुछ प्रमुख प्रतिनिधियों पर ध्यान केंद्रित कर सकते थे जो पूरे समूह के वास्तविक जोखिम को पकड़ते थे।

टरबाइन असेंबली के अपने विश्लेषण में, शोधकर्ताओं ने पाया कि कनेक्शन बिंदु पर रगड़ से होने वाला घिसाव (rubbing wear) संबंधित विफलताओं के एक बड़े समूह के लिए सबसे महत्वपूर्ण प्रतिनिधि था। क्षति का यह एकल मोड, जिसे 'फ्रेटिंग वियर' (fretting wear) कहा जाता है, उसी क्षेत्र में होने वाली दरारों और तनावों का प्रतिनिधित्व करता था। जैसे-जैसे इंजन अधिक घंटे उड़ता गया, संबंधित विफलताओं का समूह स्थिर रहा, लेकिन विफलताओं का दूसरा समूह बदल गया। इंजन के शुरुआती जीवन में, दूसरा सबसे महत्वपूर्ण विफलता मोड गर्मी से होने वाला धीमा खिंचाव था। हालांकि, जैसे-जैसे इंजन पुराना हुआ और धातु थकी (fatigued), ध्यान बदल गया। दूसरा सबसे महत्वपूर्ण जोखिम डिस्क के स्लॉट में दरार बनना हो गया। इस बदलाव ने दिखाया कि इंजन का सबसे खतरनाक हिस्सा समय के साथ बदलता है, और जोखिमों की एक स्थिर सूची इस विकास को पकड़ने में विफल रहेगी।

उनके नए तरीके के दूसरे भाग ने इस बात को संबोधित किया कि इंजन वास्तव में कितनी तेजी से पुराना हो रहा था। टीम ने महसूस किया कि कठिन परिस्थितियों में उड़ने वाला इंजन हल्के वातावरण में उड़ने वाले इंजन की तुलना में बहुत तेजी से नुकसान पहुंचाता है। उन्होंने कैलेंडर घंटों को 'इक्विवेलेंट डैमेज टाइम' (तुल्य क्षति समय) में बदलने का एक तरीका बनाया। यदि एक इंजन एक बहुत ही कठिन मिशन प्रोफाइल के माध्यम से उड़ता है, तो घड़ी प्रभावी रूप से तेज हो जाती है। कठिन उड़ान का एक घंटा नुकसान के एक घंटे से अधिक हो सकता है। इस सुधार को लागू करके, उन्होंने पाया कि इंजन साधारण उड़ान घंटों के सुझाव की तुलना में तेजी से पुराना हो रहा था। जब उन्होंने इस तेज उम्र बढ़ने की दर को अपने नए पद्धति के साथ जोड़ा, तो उन्हें इंजन की वास्तविक विश्वसनीयता का अधिक स्पष्ट चित्र मिला।

परिणामों ने दिखाया कि सुरक्षा की गणना करने का पुराना तरीका, जिसने हर विफलता मोड को स्वतंत्र माना और कठिन परिस्थितियों को नजरअंदाज किया, एक भ्रामक रूप से कम सुरक्षा स्कोर देता था। यह एक ही जोखिम को कई बार गिनता था। नए तरीके ने, जिसने संबंधित विफलताओं को समूहबद्ध किया, दिखाया कि इंजन वास्तव में पुराने गणना के सुझाव से अधिक सुरक्षित था क्योंकि इसने जोखिमों को दो बार गिनने से रोक दिया। हालांकि, जब उन्होंने इंजन के वास्तव में कितनी तेजी से उम्र बढ़ने के सुधार को जोड़ा, तो सुरक्षा स्कोर फिर से गिर गया। यह गिरावट इसलिए नहीं थी कि इंजन खराब हो गया था, बल्कि इसलिए थी क्योंकि गणना ने अंततः इस तथ्य को ध्यान में रखा कि इंजन साधारण उड़ान घंटों द्वारा संकेतित कार्य से कहीं अधिक कठिन परिश्रम कर रहा था। अंतिम, सबसे सटीक अनुमान दोनों विधियों को एक साथ उपयोग करने से आया: संबंधित विफलताओं को समूहबद्ध करना ताकि जोखिम को दो बार न गिना जाए, और साथ ही वास्तविक तीव्रता को दर्शाने के लिए घड़ी की गति को तेज करना।

यह अध्ययन यह दावा नहीं करता है कि उसने इंजन सुरक्षा की हर समस्या को हल कर दिया है, न ही यह धातु टूटने के विस्तृत भौतिक मॉडल की आवश्यकता को प्रतिस्थापित करता है। शोधकर्ताओं ने ऐसे डेटा का उपयोग किया है जिसे संवेदनशील विवरणों से मुक्त किया गया था, और उनकी विधि हर कंपन के सेकंड-दर-सेकंड सिमुलेशन के बजाय नुकसान की दर के औसत अनुमानों पर निर्भर करती है। हालांकि, यह दृष्टिकोण इंजीनियरों के लिए एक शक्तिशाली नया उपकरण प्रदान करता है। यह जटिल, परस्पर क्रिया करने वाली विफलताओं को समझने का एक तरीका प्रदान करता है ताकि हर एक संभावना की भविष्यवाणी करने के गणित में उलझने की आवश्यकता न पड़े। यह पहचानकर कि कुछ विफलताएं जुड़वां हैं और तनाव के तहत समय तेजी से चलता है, यह ढांचा इंजीनियरों को इंजन के वास्तविक स्वास्थ्य को समझने में मदद करता है। यह सुझाव देता है कि सबसे महत्वपूर्ण चीज जो निगरानी की जानी चाहिए, वह है कनेक्शन बिंदुओं पर घिसाव, क्योंकि यह एकल कारक इंजन के शुरुआती और मध्य चरणों में अधिकांश जोखिम को संचालित करता है। जैसे-जैसे इंजन पुराना होता है, ध्यान डिस्क के स्लॉट्स में बनने वाली दरारों की ओर स्थानांतरित होना चाहिए। यह गतिशील दृष्टिकोण रखरखाव को केवल कैलेंडर पर आधारित नहीं, बल्कि उस वास्तविक कहानी पर आधारित बनाता है जो इंजन अपने घिसाव और टूट-फूट के बारे में बता रहा है।