Основы теории надежности и диагностика

Во всяких испытаниях на надежность всегда можно выделить три стадии: планирование испытаний, проведение их (накопление необходимых статистических данных - непосредственных результатов испытаний), обработка непосредственных результатов с целью получения искомых данных или заключений. Каждая из этих стадий требует решения определенных задач и, соответственно, своей методики.

В соответствии с этим основными задачами теории при создании унифицированных инженерных методик испытаний можно считать:

1) установление  единых количественных показателей  качества (точности и достоверности) получаемых результатов;

2) разработку  эффективных методов проведения  испытаний для оценки каждого  из используемых показателей  надежности;

3) разработку  методов планирования испытаний  для обеспечения заданных требований  к качеству получаемых результатов;

4) разработку  методов обработки непосредственных  результатов испытаний.

Существуют  два вида испытаний на надежность — контрольные и определительные, существенно различающиеся по постановке задачи, искомым результатам и методам проведения.

Основной  целью контрольных испытаний является выяснение вопроса о том, удовлетворяет ли рассматриваемая партия образцов изделия техническим требованиям на надежность или нет.

Определительные испытания проводятся для установления фактических показателей надежности вновь разрабатываемых и модернизируемых изделий. Результаты определительных испытаний служат основанием для внесения показателей надежности в техническую документацию на изделия. Они могут использоваться также для выявления ненадежных элементов и схемно-конструктивных недоработок в изделии; для разработки рекомендаций по повышению надежности; для установления групп по надежности; для уточнения режима и параметров I технического обслуживания, объема и состава ЗИП и т.п.

8.2. План и программа испытаний

Испытания для  оценки показателей надежности (даже какого-либо одного показателя) могут  проводиться по разным планам.

План  испытаний - это порядок (общая методика, процедура, способ) проведения испытаний. План определяет все основные черты данного способа экспериментальной оценки показателя надежности, сохраняющиеся независимо от конкретного вида испытываемого изделия. Все, что в данном способе проведения испытаний специфично для некоторого конкретного вида изделия, выходит за рамки плана испытаний.

Каждый план имеет некоторое количество (А) параметров (переменных) π₁, π₁,…. π_k для каждого из которых задается диапазон возможных значений, и значения которых должны быть определены до начала испытаний. Набор фиксированных значений параметров плана условимся называть сечением плана.

План испытаний  можно считать заданным, если определены:

- оцениваемый  показатель надежности;

- перечень  параметров плана;

- перечень  непосредственных результатов испытаний  (достаточная статистика);

- процедура  (методика, способ) получения непосредственных результатов;

- дополнительные  условия, определяющие рамки применимости  данного плана.

Каждому плану  испытаний соответствуют определенная методика планирования (методика выбора сечения плана, удовлетворяющего поставленным требованиям) и способ обработки непосредственных результатов для получения искомой оценки.

Для проведения испытаний на надежность конкретного  изделия составляется специальная программа испытаний. Она составляется для каждого оцениваемого показателя надёжности отдельно и учитывает специфические особенности изделий и конкретные условия проведения испытаний.

Программа испытаний  представляет собой конкретизацию  выбранного плана испытаний для  данного изделия и данных условий. Программа составляется в результате планирования испытаний, в число основных задач которого входят выбор плана и определение его сечения.

Программа определительных  испытаний включает:

- оцениваемый  показатель надежности;

- показатели  точности и достоверности оценки;

- план испытаний;

- значения параметров (сечение) плана (в частности, количество опытов т);

- количество  образцов п, участвующих в испытаниях;

- условия  окружающей среды;

- необходимое  испытательное оборудование, стенды  и приборы;

- режимы работы  и технического обслуживания  испытываемых образцов;

- процедуру  получения непосредственных результатов;

- формулы  для вычисления искомых показателей;

- способ оформления  результатов испытаний.

8.3. Определение объема испытаний

Испытания на надежность наиболее трудоемки и  обходятся дороже, чем другие испытания, поэтому важное значение имеет выбор оптимального объема испытаний, который зависит от количества исследуемых объектов, требуемого уровня доверия к результатам испытаний, длительности испытаний.

Указать точно  необходимое количество технических объектов, которое требуется подвергнуть испытаниям, заранее невозможно. Эта задача решается по мере накопления и статистической обработки информации, в зависимости от требуемой точности результатов и рассеивания данных наблюдений. Достоверность результатов тем выше, чем большее число объектов обследовано. Однако по экономическим соображениям это количество должно быть ограничено оптимальной величиной, обеспечивающей достаточную достоверность при минимальных затратах. Кроме того, часть технических объектов, особенно автоматических, выпускается в небольшом количестве и испытания приходится проводить на ограниченном числе образцов.

Объемы испытаний, определяемые их программой, должны обеспечивать осуществление целей, поставленных перед каждым конкретным видом испытаний. При разработке программ и установлении объемов испытаний должны учитываться соответствующие государственные и отраслевые стандарты РФ, а также международные стандарты, нормы и правила, выполнение которых определяет возможность поставки техники на экспорт.

Общие объемы работ при испытаниях характеризуются:

- количеством  образцов, подвергаемых испытаниям;

- составом  параметров конструкции и показателей  эксплуатационных свойств технических  объектов, определение которых предусмотрено  программой данного вида испытаний;

- объемом  пробеговых и эксплуатационных  испытаний. 

Количество  образцов машин для различных видов испытаний определяется программами испытаний, стандартами на конкретные виды испытаний, планами опытно-конструкторских работ. Количество образцов машин, находящихся на производстве, для проведения, например, ресурсных или эксплуатационных испытаний определяется программой испытаний данной модели или рассчитывается исходя из требований получения заданных программой точности и доверительной вероятности результатов.

8.4. Требования к информации о  результатах испытаний

Общими требованиями, предъявляемыми к информации о надежности, получаемой по результатам испытаний, являются:

1. Полнота. Под полнотой информации понимают наличие сведений, позволяющих решить все задачи, поставленные в испытаниях, объяснить явления, происходящие в машине, и дать количественную оценку надежности как всей машины в целом, так и отдельных ее узлов и деталей.

2. Достоверность. Достоверность обеспечивается системой сбора информации, применением объективных методов и приборов оценки качества оборудования, квалификацией и добросовестностью исполнителей.

3. Однородность. Если наработка на отказ (или среднее время между отказами) для всех изделий в выборке распределения одинакова, т. е. причина отказов одна и та же, то такую партию называют статистически однородной. Очевидно, такую выборку можно практически создать, отобрав изделия с одними и теми же начальными параметрами и работающими в одинаковых условиях. Практически необходимо выбирать следующие машины:

- выпущенные  за относительно небольшой период (1-2 года), чтобы технологические процессы изготовления и сборки не претерпели больших изменений;

- не проходившие  капитальный ремонт;

- работающие  с загрузкой не менее чем  в 2 смены;

- работающие  в условиях эксплуатации, близких  к типичным для машин данного  типа и модели;

- об условиях  эксплуатации, отказах и ремонтах которых могут быть получены достоверные сведения.

4. Дискретность. Под дискретностью понимается возможность разделения информации по отдельным признакам. Это позволяет многократно использовать сведения для оценки различных показателей надежности.

5. Своевременность. Является весьма важным требованием к информации, поскольку испытания на надежность бывают весьма продолжительными. Своевременность обеспечивается правильной и заблаговременной организацией сбора информации.

6. Непрерывность. Поступление информации обеспечивает наилучшее использование данных о надежности в непрерывном процессе совершенствования оборудования.

9. КЛАССИФИКАЦИЯ ВИДОВ И МЕТОДОВ  ИСПЫТАНИЙ

9.1. Цель испытаний на надежность

Основная  цель испытаний на надежность - определить уровень надежности изделия и оценить его числовыми показателями. Знание уровня надежности изделия и его зависимости от основных факторов позволит решить широкий круг вопросов, таких как:

- подтверждение  установленных характеристик надежности;

- выявление  слабых мест изделия и разработка  мероприятий по повышению его надежности;

- применение  рациональной системы ремонта  и ТО машины;

- определение  эффективности и экономической  целесообразности дальнейшей эксплуатации машины, а также произвести проверку расчетов и прогнозов, выполняемых при проектировании изделия, и оценить качество технологического процесса, обеспечившего его изготовление.

Испытания на надежность любого, а тем более  сложного изделия являются весьма трудной  задачей, поскольку они связаны со значительными затратами времени и должны учитывать широкий диапазон режимов и условий работы изделия. Результаты испытания, как правило, дают сведения о надежности изделий данного типа с большей или меньшей полнотой и степенью достоверности и позволяют получить одну из следующих характеристик:

1. Законы распределения  сроков службы (наработки) до отказа  для каждого из выходных параметров изделия с учетом условий и режимов его работы. Эта характеристика является наиболее полной и позволяет определить все необходимые показатели надежности и, в первую очередь, вероятность безотказной работы за данный период времени P(t = T). Однако получение законов распределения f(t), хотя и является весьма желательным, обычно трудно осуществимо. Оно требует большого статистического материала, который связан с длительными испытаниями и большими материальными затратами. Законы распределения могут быть практически получены лишь для простых изделий или образцов.

2. Случай, когда  определены отдельные параметры  законов распределения или получены данные, неполно характеризующие эти законы, является типичным результатом испытания на надежность многих объектов. Например, может быть определена вероятность безотказной работы изделия в течение заданного периода времени, но остается неизвестной характеристика безотказности для более длительного периода работы изделия или закон распределения сроков службы и его параметры определены лишь с известной степенью достоверности. По этой ограниченной информации также надо сделать заключение об уровне надежности изделия.

3. Сложность  и продолжительность испытаний  может привести к невозможности оценки изменения выходных параметров изделия во времени. В этом случае показателем может служить запас надежности по каждому из параметров, который хотя и не связан со временем, но дает определенную информацию о надежности изделия. В сочетании с методами прогнозирования эти результаты испытаний могут быть использованы для определения уровня надежности изделия.

4. Наконец,  во многих случаях из-за сложности задачи вообще невозможно оценить уровень надежности изделия в абсолютных значениях, а лишь сравнить его в относительных показателях применительно к прототипу или аналогичным изделиям. Испытание может дать ответ, во сколько раз, например, возрастает безотказность или долговечность нового изделия, работающего в аналогичных условиях, что и прототип, не решая вопроса о действительном уровне надежности изделия.

Следует иметь  в виду, что относительный уровень  надежности может и не отражать действительного  состояния дел. Например, безотказность изделия повысилась по сравнению с прототипом, однако и этот уровень может не удовлетворять требованиям ТУ.

Таким образом, в результате испытаний на надежность могут быть получены как полные характеристики изделия, позволяющие решить все основные задачи надежности, так и ограниченные данные, которые могут быть использованы лишь в сочетании с методами расчета и прогнозирования.

При планировании и проведении испытаний всегда борются  две противоположные тенденции: желанию получить наиболее полную характеристику надежности препятствуют длительность и стоимость испытания. Для высоконадежных изделий часто никакие затраты не могут ускорить получение информации о показателях надежности, и фактор времени является основным критерием при выборе метода и объема испытаний на надежность.

9.2. Виды испытаний на надежность

Информация  о надежности может быть получена не только в результате испытаний, но и из сферы эксплуатации путем  сбора и классификации соответствующих данных. В данной лекции рассматриваются лишь специально проводимые испытания на надежность, которые могут быть исследовательскими, проводимыми для изучения факторов, влияющих на надежность, и контрольными, цель которых - оценка уровня надежности данного изделия [12]. По месту проведения испытаний они могут быть стендовыми, полигонными и эксплуатационными.