Методы, применяемые для испытания машин на надежность

Основная цель испытаний на надежность – определить уровень на­дежности изделия и оценить его числовыми показателями. Знание уров­ня надежности машины и его зависимости от основных факторов позво­лит решить широкий круг вопросов, связанных с разработкой рацио­нальной конструкции машины, с технологией ее изготовления и мето­дами эксплуатации.

Источники информации о надежности машин были рассмотрены выше, откуда видно, что испытанию по показате­лям надежности машина подвергается на всех стадиях своего жизненно­го цикла.

При этом применяются разнообразные методы испытаний, начиная от комплексных исследовательских испытаний опытных образцов ма­шины и кончая сбором статистической информации из сферы эксплуа­тации и ремонта.

Испытания на надежность занимают особое место в общей системе испытаний различных объектов.

По определению, содержащемуся в Руководстве №2 ИСО/МЭК, ис­пытание - это «техническая операция, заключающаяся в установлении одной или нескольких характеристик данной продукции, процесса или услуги в соответствии с заданной программой». Поэтому в понятие ис­пытания включаются все возможные способы получения информации о характеристиках объекта: собственно испытания (когда такая информа­ция получается как результат воздействий на объект или при его функ­ционировании), а также отдельные измерения, анализы и проверки.

В зависимости от условий испытаний и определяемых характеристик различают такие виды испытаний, как испытания на функционирова­ние, на стойкость к внешним воздействиям (механическим, климатиче­ским и др.), на надежность и т.д.

В зависимости от поставленных задач применяют также следующие категории испытаний: на стадии разработки - исследовательские, до­водочные, предварительные, приемочные; на стадии изготовления - квалификационные, приемо-сдаточные, периодические; при изготовле­нии и эксплуатации - сертификационные, аттестационные, инспекцион­ные, послеремонтные.

Различные категории испытаний направлены на достижение сле­дующих целей:

• выбрать оптимальные проектные, конструктивные и технологи­ческие решения при разработке и доведении изделия до необхо­димого (заданного) уровня качества и надежности (исследова­тельские, доводочные, предварительные, приемочные);

• обеспечить стабильность достигнутого уровня качества в процес­се изготовления (квалификационные, приемо-сдаточные, перио­дические, инспекционные);

• установить возможность продолжения эксплуатации или исполь­зования изделия, оценить качество его ремонта (периодические, послеремонтные);

• оценить технический уровень изделия (аттестационные);

• защитить рынок и потребителей от продукции, не соответствую­щей требованиям стандартов, в том числе при международном товарообмене (сертификационные).

На основании результатов испытания принимаются решения о воз­можности изготовления изделия, серийного его выпуска, сдачи продук­ции заказчику, выдачи сертификата.

Объектом испытания на надежность могут быть:

образцы, если испытываются свойства материалов, определяющие долговечность изделий (испытания на износостойкость, усталостную прочность, коррозионную стойкость и т.п.);

детали, сопряжения и кинематические пары, если необходимо вы­явить влияние конструктивных и технологических факторов на срок службы данных сопряжений (испытание подшипников, зубчатых колес, направляющих, шарниров и т.п.);

узлы машины, когда учитывается взаимодействие отдельных меха­низмов и элементов конструкции и их влияние на технические показа­тели объекта (испытание коробок скоростей, редукторов, двигателей, гидроагрегатов, систем управления, отдельных целевых узлов машины);

машина в целом, когда учитывается взаимодействие всех механиз­мов и узлов в машине, условия ее эксплуатации и режимы работы (стендовые и эксплуатационные испытания станков, автомобилей, са­молетов и др.);

система машин, когда на показатели надежности влияет взаимодей­ствие отдельных машин, связанных в единый производственный ком­плекс (надежность работы автоматических линий или цехов на заводе, самолетов с учетом оборудования аэродромов, машин и агрегатов ко­рабля и т.п.).

Таким образом, испытаниям могут подвергаться разнообразные из­делия, начиная от простых, обладающих однородными свойствами и одним или несколькими выходными параметрами, и кончая сложными машинами и комплексами.

Объектом испытания может быть данное изделие, специально вы­полненная его модель (изделие или его часть, выполненные в масштабе) или макет (упрощенное воспроизведение изделия или его части).

Методика испытаний на надежность и их объем зависят от сложно­сти изделия и его специфических особенностей.

Испытания на надежность могут быть исследовательскими, прово­димыми для изучения факторов, влияющих на надежность, и контрольными, цель которых - оценка уровня надежности данного изделия.

По месту проведения испытаний они могут быть стендовыми, поли­гонными и эксплуатационными.

Стендовые испытания позволяют непрерывно вести наблюдение за установленными характеристиками машины, целенаправленно изменять режимы и условия работы объекта испытания.

На стендах испытываются как отдельные узлы и агрегаты машины, так и машина в целом. При разработке методики испытаний нужно стремиться к тому, чтобы режимы и условия испытаний изделия в наи­большей степени соответствовали эксплуатационным.

Стендовые испытания опытного образца машины, ее натурной моде­ли или серийных образцов являются завершающим этапом проектиро­вания и изготовления машины.

В результате испытания должны быть оценены фактические харак­теристики качества и надежности машины и установлено их соответст­вие техническим условиям.

Информация, полученная в результате испытания, является основ­ным источником для принятия решений о совершенствовании конст­рукции, технологии и методов эксплуатации машины.

Эксплуатационные и полигонные испытания опытных и серийных образцов машин широко применяются для получения данных о надеж­ности изделий. При полигонных испытаниях стремятся создать наибо­лее тяжелые условия эксплуатации, чтобы проверить работоспособ­ность всех узлов и механизмов. Так, опытные образцы автомобилей пе­ред их серийным производством испытываются на специально выбран­ных или искусственно созданных плохих дорогах и в различных клима­тических условиях. Эти испытания позволяют выявить недолговечные элементы машины, правильность взаимодействия узлов и механизмов и их работоспособность в тяжелых условиях функционирования машины.

Эксплуатационные испытания представляют собой систему наблю­дений за работающими машинами с применением статистических мето­дов обработки информации о возникающих отказах.

Если испытания проводятся в течение всего периода эксплуатации, то они позволяют получить необходимые сведения о качестве и надеж­ности машины, оценить влияние на надежность основных факторов, наметить пути совершенствования конструкции. Основной недостаток эксплуатационных испытаний заключается в том, что полные данные о надежности можно получить лишь через длительный период времени, когда машина может морально устареть. При проектировании новой модели машины информацию о ее надежности из сферы эксплуатации используют для принятия решений об основных изменениях конструк­ции, а также оценивают возможность применять оправдавшие себя узлы прототипа.

Для ускорения получения информации о надежности часто проводят непродолжительные эксплуатационные испытания (наблюдения), при которых фиксируются возникающие отказы и дается статистическое описание случайного потока отказов.

Оценка параметра этого потока дает определенную информацию об уровне надежности испытываемого объекта.

Наблюдение за работоспособностью машины в течение сравнитель­но непродолжительного периода ее работы и накопление статистики об отказах часто рассматривают как основное испытание на надежность сложной системы. В действительности при таких эксплуатационных испытаниях фиксируются лишь недопустимые и легко устранимые от­казы, а параметрическая надежность объекта не оценивается. Испыта­ния по оценке параметра потока отказов являются необходимым, но далеко не достаточным этапом по определению показателей надежности сложных систем. Главная проблема испытания машины на надежность -оценить возможные изменения выходных параметров за весь установ­ленный ТУ период эксплуатации.

Объектом измерения при испытаниях на надежность могут быть две основные группы характеристик изделия - степень повреждения, как результат процессов старения, и изменение выходных параметров ма­шины.

Оценка процессов повреждения, выходных параметров изделия или того и другого вместе зависит от объекта испытания и поставленных задач. В общем виде можно отметить, что чем сложнее объект испыта­ния, тем большая доля приходится на измерение выходных параметров, что схематично показано на рисунок 1. При испытании материалов ис­следуются те процессы, которые приводят к его разрушению или изме­нению свойств. Для деталей и сопряжений, кроме процессов повреждения, определяются, как правило, и их выходные параметры - точность движения, изменение взаимного положения, коэффициент трения и другие.

Рисунок 1 – Характеристики, измеряемые при испытании объекта на надежность в зависимости от его сложности

Для механизмов, узлов и, тем более, машин основным объектом измерения являются их выходные параметры. Процессы повреждения уже исследовались и оценивались при испытании материалов и от­дельных элементов машины. При испытании всей машины процессы старения обычно регистрируются лишь для наиболее ответственных элементов, определяющих, в основном, работоспособность сложного изделия, например, износ цилиндров двигателя, направляющих станка и т.п.

Определение показателей надежности сложного изделия является весьма трудной задачей по следующим причинам.

Во-первых, при испытании надо за сравнительно короткий промежу­ток времени оценить, как будет работать машина в течение длительного периода ее эксплуатации.

Во-вторых, необходимо учитывать, что показатели надежности имеют вероятностную природу, а при испытании опытных образцов можно использовать один-два объекта.

В-третьих, для многих машин характерен широкий диапазон режи­мов работы и условий эксплуатации.

В настоящее время нет установившихся методов испытания машин на надежность, а идет поиск и апробирование различных вариантов проведения таких испытаний, изыскание новых методов оценки надеж­ности.

Наибольшее распространение получили следующие виды испыта­ний на надежность:

а. Кратковременные испытания, когда оценивается безотказность работы машины за смену, сутки, неделю или другой сравнительно не­продолжительный промежуток времени. Эти испытания выявляют ма­лостойкие и некачественно выполненные элементы, но не могут харак­теризовать надежность машины за длительный период эксплуатации. Для отказавших деталей определяют наработку на отказ или параметр потока отказов.

б. Ресурсные испытания ставят своей целью оценить ресурс машины по ее основным (выходным) параметрам. Если испытания проводить без форсирования условий работы машины, то их длительность будет весь­ма велика, а полученные результаты отражают лишь свойства данного объекта при принятых условиях испытания. Поэтому при проведении ресурсных испытаний требуется быстрейшее получение информации за счет применения ускоренных или специальных методов испытания.

в. Ускоренные испытания на надежность часто считают тем ключом, который дает возможность получить показатели надежности за сравни­тельно короткий промежуток времени. Различают форсированные ис­пытания, основанные на интенсификации процессов, вызывающих отка­зы или повреждения, и сокращенные, уплотненные по времени испыта­ния без интенсификации этих процессов.

Уплотнение испытаний по времени, как правило, не искажает про­цесса потери машиной работоспособности, но дает заметный эффект лишь для тех изделий, которые мало загружены в процессе нормальной эксплуатации. Современные машины работают в интенсивных условиях эксплуатации с высоким коэффициентом использования, и применение данного метода ускорения испытаний не дает заметного эффекта.

Форсирование режимов испытания за счет применения более высо­ких нагрузок, скоростей, температур, по сравнению с эксплуатацион­ными, интенсифицирует процессы повреждения и ускоряет наступление отказа.

Однако такой метод ускоренных испытаний следует применять весьма осторожно, так как работа механизмов при форсированных ре­жимах может вызвать новые явления, не характерные для нормальных условий эксплуатации, и качественно изменить картину отказов. В этом случае пересчет показателей надежности на нормальные условия рабо­ты изделия будет иметь формальный характер и может привести к гру­бым ошибкам.

Существуют многочисленные примеры успешного проведения форсированных испытаний на надежность сравнительно простых изделий с одним ведущим процессом разрушения, например, износом или устало­стью. Но попытки проведения таких испытаний для всей машины, как правило, успеха не имеют, особенно, когда это связано с показателями точности ее функционирования.

г. Использование диагностических процедур при испытаниях на на­дежность. Методы технической диагностики, которые применяются для обнаружения и поиска причин потери изделием работоспособности и установления вида и места возникновения повреждений мо­гут с успехом использоваться и при испытаниях машин на надежность.

В последние годы помимо традиционных методов применения диагно­стики в процессе эксплуатации машин она используется и при испытаниях новых моделей.

Для этой цели, особенно для объектов с высокими требованиями к надежности, создаются сложные автоматизированные системы диагно­стирования, которые при помощи датчиков измеряют большое число параметров, обрабатывают эти показания и делают заключение о рабо­тоспособности объекта.

Система диагностирования, которая включает объект и применяе­мые для этой цели средства, относится, по существу, к системам кон­троля. Специфика технической диагностики заключается в направлен­ности ее методов, когда оценка состояния сложного объекта проводится на основе управления этим объектом, осуществляемым по определен­ной программе.

Для каждого изделия имеется большое число диагностических при­знаков, по которым можно судить о его техническом состоянии. Этими признаками могут быть выходные параметры, определяющие работо­способность изделия, повреждения, которые приводят или могут при­вести к отказу изделия (величины износа, деформации, степень корро­зии и т.п.) и косвенные признаки, функционально связанные с работо­способностью изделия (акустические сигналы, температурные поля, наличие в смазке продуктов износа и др.).

Диагностирование может быть функциональным, когда измерения осуществляются во время работы машины, и тестовым, при котором на объект подаются специальные воздействия и по реакции машины судят о ее техническом состоянии.

Для оценки состояния изделия может быть использована теория распознавания незрительных образов, когда по совокупности значений большого числа параметров судят о принадлежности объекта к тому или иному классу. Например, 1-й класс - объект работоспособен; 2-й класс - объект работоспособен, но требует подналадки; 3-й класс - объект не­работоспособен и требует ремонта.

В «образ» объекта могут быть включены параметры, характеризую­щие его качество, спектры эксплуатационных нагрузок, характеристики окружающей среды, показатели оператора и другие компоненты, опре­деляющие работоспособность изделия.

Методы технической диагностики должны быть элементом ком­плексных исследовательских испытаний машины на надежность.

д. Комплексные исследовательские испытания на надежность.

Этот вид испытаний является завершающим этапом при создании новых моделей машин и должен гарантировать, что установленный уровень надежности будет реализован в процессе эксплуатации машины. Комплексные испытания новых образцов машины являются, как правило, результатом исследовательских работ по оценке тех или иных характеристик машины, по изысканию новых методов измерения пара­метров, по проверке теоретических расчетов, примененных при проек­тировании.

В процессе конструктивной доводки сложных машин обычно внача­ле проводятся лабораторные испытания на надежность (ресурсные ис­пытания) элементов конструкции и отдельных систем.

В лаборатории прочности и надежности проводятся статические и динамические испытания узлов, деталей, систем и агрегатов изделия, вибрационные и усталостные испытания деталей и узлов, испытания на износ отдельных сопряжений и механизмов, а также уплотненные по времени (ускоренные) испытания отдельных узлов и механизмов.

Главную трудность представляют комплексные испытания на пара­метрическую надежность всей машины, когда необходимо оценить воз­можные изменения выходных параметров в течение ее длительного ис­пользования.

При разработке методик комплексных испытаний машин обычно имеют место две тенденции: стремление сократить продолжительность испытаний и расширить объем информации о работоспособности ма­шины в различных условиях ее эксплуатации.

Эти проблемы частично решаются путем привлечения дополнитель­ных источников информации о надежности и, прежде всего, за счет:

• использования данных о прототипах и о результатах исследова­ния отдельных элементов машины;

• сочетания испытания с прогнозированием параметрической на­дежности;

• применения методов моделирования процессов старения;

• использования результатов диагностических процедур;

• разработки специальных режимов испытания машины;

• организации наблюдений за «лидером» - новой моделью маши­ны, опережающей другие образцы по продолжительности ее ис­пользования.

В различных отраслях машиностроения имеются примеры примене­ния комплексных испытаний опытных образцов машин и агрегатов, отражающих их специфику и учитывающих научно-технический потен­циал отрасли. Так, можно упомянуть известную методику фирмы Schenk для испытания автомобилей по диагностическим характеристи­кам и на усталостную прочность, эквивалентные испытания газотур­бинных авиационных двигателей и др.

Методики оригинальных исследований для оценки характеристик новых моделей машин и разработка на этой основе более совершенных конструкций являются, как правило, достоянием фирм.

Оценивая различные методы испытания машин на параметрическую надежность, можно отметить и их недостатки.

1. Нет общей методологии комплексных испытаний. Для каждой машины, в зависимости от ее специфики и научно-технического потенциала отрасли, ищут свои пути решения этой проблемы.

2. При испытаниях, как правило, не учитывается вероятностная природа всех процессов, влияющих на выходные параметры из­делия.

3. Прогнозирование возможного изменения выходных параметров и моделирование наиболее характерных для машины процессов из­нашивания еще не стали органическим элементом комплексного испытания.

4. Возможности диагностических методов используются часто не полностью и не находятся во взаимодействии с другими проце­дурами испытательного процесса.

5. Возможности ЭВМ чаще всего используются для обработки экспериментальных данных, реже для управления испытанием, и лишь в отдельных случаях создается единая программа, которой предусмотрено также моделирование процессов изнашивания и прогнозирование показателей надежности.

В рассмотренном ниже программном методе испытания машин по показателям качества и параметрической надежности сделана попытка устранить указанные недостатки. Метод апробирован при испытании прецизионных металлорежущих станков.

Дата добавления: 2014-01-05