Основные положения программного метода испытаний

Программный метод испытания и диагностирования машин является наиболее развитым по сравнению с отдельными видами и методами ис­пытательно-диагностических процедур, которые можно рассматривать как частные случаи этого комплексного подхода.

Программный метод испытания машин - это метод, при котором в режиме автоматизированного испытания с применением диагностиче­ских процедур оценивается качество и надежность машины по ее вы­ходным параметрам во всем диапазоне режимов и условий работы ма­шины с учетом вероятностной природы внешних воздействий.

Программные испытания предназначены главным образом для опытных образцов новых моделей машин, к характеристикам которых предъявляются высокие требования по точности функционирования.

Эти испытания должны дать гарантию того, что машина будет работоспособной в течение всего периода эксплуатации, а период освоения новых моделей будет сведен к минимуму.

Основная цель программного испытания - оценить сопротивляе­мость машины спектру внешних воздействий, отражающих эксплуата­ционные нагрузки, и установить области состояний для регламентиро­ванных выходных параметров. При этом выходные параметры могут определяться как в вероятностной трактовке (полная характеристика области состояний), так и при экстремальных условиях (оценка границы области состояний). На основании этой информации и с использовани­ем методов прогнозирования определяется параметрическая надежность машины.

Испытание состоит из большого числа циклов, каждый из которых отражает комбинации возможных воздействий на машину.

Испытания проводятся в специально оборудованных испытательно-диагностических центрах (комплексах), где обеспечиваются различные режимы работы машины, измерение необходимых параметров, расчеты и обработка информации на ЭВМ.

В процессе испытания ЭВМ выполняет следующие функции:

а) обрабатывает и хранит данные о результатах испытаний;

б) обрабатывает априорную информацию об эксплуатационных на­грузках и условиях эксплуатации, об износостойкости материалов, при­меняемых для базовых элементов, о требованиях к показателям качест­ва и надежности машины, характерных для данной модели;

в) осуществляет программное управление режимами работы машины и специальными нагрузочными устройствами, включая имитацию внешних воздействий - изменение величины и направления сил, нало­жение спектра вибраций, управление тепловыми потоками и др.;

г) осуществляет расчеты начального уровня качества и прогнозирует показатели параметрической надежности машины.

Наибольший эффект от программных испытаний будет получен в том случае, когда, во-первых, они проводятся в таком объеме, который позволяет применять статистические методы оценки выходных пара­метров; во-вторых, испытания включают прогнозирование возможного изменения выходных параметров во времени, например, с использова­нием информации о скоростях изнашивания; в-третьих, если при испы­таниях применяются методы диагностики для оценки причин, влияю­щих на параметры машины; в-четвертых, когда осуществляется оптими­зация тех параметров машины, которые определяют ее качество и на­дежность.

Решение всех перечисленных задач требует специальной организа­ции испытательно-вычислительного процесса, который включает большой объем отдельных вычислений и циклов испытаний, их логическое построение, использование целого ряда подпрограмм (как специальных, так и стандартных), организацию взаимодействия процессов испытания, диагностирования, обработки информации и вычисления.

На рисунке 2 приведена схема алгоритма программного испытания.

Рисунок 2 – Алгоритм программного испытания машины

Основным источником информации является испытательный стенд, так как в результате испытания машины получают различные значения контролируемых выходных параметров.

Алгоритм испытания отражает взаимодействие отдельных блоков, каждый из которых осуществляет определенный этап испытаний или расчетов для получения информации, необходимой для оценки качества и надежности машины. Часть блоков связана с формированием значе­ний входных параметров, которые будут варьироваться при испытании. Это величины и направления внешних сил, включая их динамические составляющие, скорости и законы перемещения узлов, тепловые воз­действия на машину и другие входные параметры, изменяющиеся в процессе использования машины.

Для формирования значений варьируемых параметров используется априорная и статистическая информация о спектрах эксплуатационных нагрузок и условиях работы, характерных для данного типа машин, ко­торая хранится в базе данных.

Для расчета показателей качества и надежности машины информа­ция поступает двумя потоками. Первый поток получают от испытатель­но-диагностического стенда, как результат испытания данного образца.

Второй поток информации является результатом прогнозирования возможного изменения выходных параметров машины при износе ее базовых элементов. Прогнозирование осуществляется методами, рас­смотренными выше. Дополнительная информация об износостойкости применяемых материалов может быть получена на основе физико-статистического моделирования износа.

Особенность программных испытаний заключается в том, что при всем их разнообразии в основу положен единый алгоритм с определен­ными логическими связями и типовыми процедурами.

Одним из основных процессов при проведении испытания является формирование сигналов управления на основе полученных законов рас­пределения входных параметров. Поскольку испытание состоит из N циклов (N определяется необходимым объемом статистического мате­риала и обычно находится в пределах 100... 150), то необходимо форми­ровать набор значений входных данных для каждого цикла.

При программных испытаниях машины можно применять два ос­новных метода формирования входных данных (рисунок 3).

В первом случае (рисунок 3, а) процедура выбора значений варьируе­мых параметров для каждого цикла испытаний строится по методу ста­тистических испытаний (метод Монте-Карло), когда после достаточно большого числа циклов воспроизводится статистическая картина воз­действия на машину, а ее отклик на эти воздействия будет отражать в статистической форме качественную характеристику машины.

В результате законы распределения f (Z) входных параметров Z преобразуются после испытания в законы распределения f (X) выход­ных параметров X.

Такой метод целесообразно применять при достаточно стабильных статистических характеристиках условий эксплуатации машины.

Если эти условия изменились или если надо оценить параметриче­скую надежность машины при ее работе в различных сферах эксплуата­ции, то для каждого варианта надо проводить свой полный цикл испы­таний.

Второй метод выбора значений варьируемых параметров (рисунок 3, б) позволяет проводить полный цикл испытаний один раз и затем использовать полученные результаты для оценки параметров при различных статистических характеристиках условий эксплуатации машины.

Рисунок 3 – Два метода формирования входных данных

Для этого выбор значений входных параметров осуществляется на основе методов планирования многофакторного эксперимента.

Отклик системы на воздействие варьируемых параметров позволяет найти функциональную зависимость между ними и выходным парамет­ром X_i = φ(Z₁,Z₂,...) и аналитически оценить влияние каждого из вход­ных параметров Z_i.

Рассматривая аргументы этого уравнения как случайные величины со своими законами распределения, можно рассчитать закон распреде­ления каждого выходного параметра.

Второй метод формирования входных данных имеет несомненное преимущество для сокращения времени испытаний, когда надо оценить работоспособность машины в различных условиях эксплуатации и для определения области наиболее рациональной эксплуатации данной мо­дели машины.

Однако он обладает меньшей точностью, поскольку оценивается не непосредственно отклик машины на весь спектр воздействий (как при первом способе), а через зависимость X_i = φ(Z₁,Z₂,...), которая лишь с известной степенью приближения отражает реальные взаимосвязи.

Полученные тем или иным способом комбинации входных (варьи­руемых) параметров преобразуются в сигналы управления режимами работы машины и различными нагрузочными устройствами, создаю­щими имитацию рабочего процесса нагружения машины.

Измерение значений выходных параметров машины позволяет оце­нить отклик системы на данное воздействие, и после проведения всех N циклов получают законы распределения выходных параметров, которые являются полной характеристикой областей состояний.

В ряде случаев допустимо выявление только границ областей со­стояний, когда испытание проводится при тех режимах работы машины, при которых имеется наибольшая вероятность достижения выходными параметрами предельных значений. Такое программное испытание на­зывается испытанием по экстремальному уровню.

Большое значение для проведения автоматизированных испытаний имеет математическое обеспечение процессов управления и вычисле­ния.

Прикладные программы полного цикла испытаний разрабатываются для осуществления следующих процедур:

1. Формирование входных данных - расчеты рабочих нагрузок, ско­ростей, других параметров и законов их распределения, форми­рование комбинаций входных и управляющих сигналов.

2. Обработка результатов испытаний и диагностирования - рас­чет значений выходных параметров, статистическая обработка результатов испытаний процедуры по расшифровке диагностиче­ских сигналов.

3. Прогнозирование потери качества из-за износа - обработка результатов физико-статистического моделирования износа, расчет износа сопряжений, определяющих работоспособность машины, расчет влияния износа на параметры машины, статистическая обработка результатов прогнозирования.

4. Расчет показателей качества и параметрической надежности -расчет характеристик областей состояний и областей работоспо­собности, расчет запаса надежности, оценка вероятности безот­казной работы и других показателей надежности.

В результате испытания и прогнозирования должны быть получены следующие основные характеристики параметрической надежности машины:

• численные характеристики областей состояний;

• запасы надежности для каждого из выходных параметров;

• ресурс при заданной вероятности безотказной работы машины или вероятность безотказной работы в течение данного периода при регламентированной продолжительности сохранения маши­ной работоспособности (например, ресурс до среднего или капи­тального ремонта).

В результате оценки качества и надежности должен быть получен документ или сертификат о состоянии машины.

Если необходимо улучшить характеристики машины, то осуществ­ляются расчеты по оптимизации ее параметров. При этом целевой функцией является требуемый уровень качества и надежности, а варьи­руемыми параметрами назначаются те характеристики, которые выяв­лены при диагностировании, и те, которые входят в расчетные зависи­мости, применяемые при проектировании машины. Изменения могут быть внесены в размеры элементов машины, характеристики геометри­ческой точности и жесткости элементов, тепловые поля, условия смазки и охлаждения и другие.

В первую очередь должны быть апробированы те изменения, кото­рые можно реализовать на испытываемом образце машины, например, когда улучшен теплоотвод из зоны подшипников, повышена геометри­ческая точность и улучшено качество поверхностей трения сопряжений и т.п. Полный комплекс автоматизированных испытаний требует доста­точно большого числа циклов испытаний и объема вычислений. Именно благодаря этому и становится возможным получить объективную ха­рактеристику качества и надежности машины, дать гарантию сохране­ния показателей качества при ее эксплуатации, осуществить проведение целенаправленных мероприятий по улучшению технических характери­стик машины.

Применение программных, достаточно сложных испытаний машин на стадии освоения новых моделей диктуется следующими особенно­стями современного машиностроения.

Во-первых, стоимость высокопроизводительного автоматизирован­ного оборудования и машин возросла в десятки, а иногда и в сотни раз по сравнению с машинами предыдущего поколения.

В промышленности часто применяются уникальные машины, дора­ботка конструкции которых после начала эксплуатации недопустима.

Во-вторых, идет интенсивное обновление моделей машин, в них во­площаются последние достижения механики, материаловедения, элек­тротехники, технологии, в результате чего конструкция машины суще­ственно отличается от прототипа. В этих условиях трудно использовать опыт эксплуатации существующих моделей, а времени для получения нового опыта нет.

В-третьих, требования к техническому уровню машин растут и нет предела для желательного повышения их качества.

Целенаправленное изыскание любых резервов в этом направлении при освоении новых машин имеет первостепенное значение.

В этих условиях необходима разработка эффективных методов ис­пытания и диагностирования для оценки качества и надежности машин, особенно на стадии создания новых образцов.

Дата добавления: 2014-01-05