Основы теории надежности и диагностика

Стендовые испытания обеспечивают постоянное наблюдение за процессом потери машиной, узлом или сопряжением работоспособности и дают возможность получать необходимые сведения о надежности и долговечности объекта испытаний.

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

Наибольшая  трудность при испытании на надежность и долговечность заключается в длительности испытаний. Стендовые испытания продолжаются обычно до тех пор, пока не возникнет отказ или пока изделие не проработало заданного срока без отказа.

Поскольку сроки  службы деталей и узлов современных  машин достаточно велики, то во многих случаях приходится проводить испытания  в более тяжелых условиях, чем  нормальные условия эксплуатации.

Эксплуатационные  и полигонные испытания опытных и серийных образцов машин широко применяются для получения данных о надежности и долговечности изделий. При этом 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 даже искусственно созданных плохих дорогах и в различных климатических условиях. Эксплуатационные испытания позволяют выявить недолговечные элементы машины, правильность взаимодействия узлов и механизмов и их работоспособность в реальных условиях функционирования.

Недостатком таких испытаний является, во-первых, не всегда достижимая длительность испытания, соответствующая нормальной эксплуатации (например, опытный образец станка нельзя заставить работать 5-10 лет), и, во-вторых, результат испытания, характеризующий параметры надежности выбранного объекта (индивидуальная надежность), не дает представления о дисперсии сроков службы и даже об их средних значениях для данной модели машины.

Поэтому большое значение имеют ускоренные испытания, при которых необходимый объем информации о надежности получается в более короткий срок, чем при нормальных условиях и режимах эксплуатации.

При проведении контрольных испытаний на надежность в ряде случаев рекомендуют их подразделять на испытания на безотказность, ремонтопригодность, сохраняемость и долговечность.

Испытания изделий  на безотказность сводятся к контролю вероятности безотказной работы за заданное время или к определению  наработки на отказ (средней наработки до первого отказа).

Испытания на ремонтопригодность обычно проводятся для определения среднего времени  восстановления или вероятности  восстановления работоспособности изделия за заданное время.

Испытания на долговечность предназначаются  для контроля среднего или гамма-процентного ресурса.

Испытания на сохраняемость предусматриваются  для контроля вероятности сохранения показателей изделия в течение заданного срока.

Часто требуется  информация обо всех основных показателях  надежности изделия, и проведенные контрольные испытания должны одновременно дать сведения о безотказности, долговечности, сохраняемости, ремонтопригодности и других показателях.

9.3. Объект испытания на надежность

Объектами испытаний  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 для учета влияния конструктивных и технологических факторов на срок службы данных сопряжений (испытание подшипников, зубчатых колес, направляющих, шарниров и т. п.);

- узлы машины, когда учитываются взаимодействие отдельных механизмов и элементов конструкции и их влияние на показатели работоспособности (испытание  коробок скоростей и редукторов, двигателей, гидроагрегатов, систем управления, отдельных функциональных узлов машины);

- машина в целом, когда учитываются взаимодействие всех механизмов и узлов в машине, условия ее эксплуатации и режимы

работы (стендовые  и эксплуатационные испытания станков, автомобилей, текстильных машин и др.);

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

Таким образом, объектом испытания могут быть разнообразные  изделия от очень простых, обладающих однородными свойствами и одним  или несколькими выходными параметрами, до сложных машин и комплексов, а также специально изготовленные модели (изделие или его часть, выполненные в масштабе) или макеты (упрощенное воспроизведение изделия или его части). Методика испытаний на надежность и их объем зависят от сложности изделия и его специфических особенностей.

9.4. Характеристики, оцениваемые при  испытании на надежность

Могут быть две  основные группы характеристик изделия, которые являются объектом измерения и оценки при испытании на надежность.

1. Характеристики  процессов старения и разрушения и определение соответствующей им степени повреждения изделия. Так, при испытании изучается протекание процессов изнашивания, коррозии, деформации, усталостных разрушений, нагарообразования и других, которые являются основной причиной потери изделием работоспособности.

2. Характеристики изменения  выходных параметров изделия  (точности, КПД, несущей способности  и т. д.), выход которых за  допустимые пределы приводит к отказу. Хотя изменения параметров изделия и являются следствием процессов повреждения, но они могут зависеть от нескольких процессов, с не выявленными функциональными связями и, в первую очередь, интересовать практику.

Оценка процессов повреждения  или 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 общего объема испытаний приходится на оценку выходных параметров.

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 (вращения), изменение взаимного положения (износ сопряжения), коэффициент трения и др.

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

Задачи испытания  и объекты измерения должны быть указаны в разрабатываемых для каждого случая методике и плане испытаний - совокупности правил для осуществления заложенных принципов, устанавливающих порядок проведения испытаний и критерии их прекращения.

10. ПРОВЕДЕНИЕ  ИСПЫТАНИЙ

10. 1. Испытания  стойкости материалов

Испытания стойкости материалов, т. е. их сопротивляемости разрушению, износу, коррозии, кавитации и другим процессам, являются исходными для суждения о надежности тех изделий, где эти процессы играют основную роль в потере работоспособности. В результате этих испытаний должны быть получены данные о скорости протекания процессов при действии различных факторов или о критических значениях параметров, при которых возникают нежелательные формы процесса разрушения.

Основной целью испытаний  стойкости материала является установление зависимостей, связывающих характеристики материала с воздействиями, приводящими к его разрушению. Наиболее ценной является аналитическая закономерность, связывающая процесс разрушения материала с физическими константами. Однако такую зависимость, которая является достаточно универсальной, часто трудно получить из-за сложности физико-химических процессов и она, как правило, относится к категории физических законов. Практические цели испытаний обычно более узки и сводятся к получению данных о стойкости материала в заданном диапазоне условий его работы. Эти данные могут быть выражены в виде аналитических зависимостей, таблиц, графиков или в иной форме.

Общие требования, которые  предъявляются к испытаниям материалов на тот или иной вид разрушения, следующие:

- испытания должны проводиться в условиях, возможно ближе моделирующих условия эксплуатации материалов в конструкциях или машинах, и соответственно выбрать вид нагружения образцов, действующие нагрузки, скорости, температуры, условия смазки и др.;

- конструкция испытательной машины должна обеспечивать весь необходимый диапазон условий испытания;

- испытания (методы, испытательные  машины, образцы) должны быть стандартными  и обеспечивать сопоставимость  результатов, проведенных различными  исследователями;

- условия и метод  испытания должны обеспечить получение характеристик, оценивающих работоспособность материала в данных условиях с наименьшим влиянием конструктивных особенностей образцов - это позволит использовать данные испытания для оценки надежности различных деталей, дополнительно учитывая особенности их конструктивных форм;

- длительность испытания  связана как с характером протекания  процесса (например, наличием периодов с различной физикой процесса), так и с точностью измерения хода процесса. Чем выше точность методов оценки степени повреждения, тем, в общем случае, может быть больше сокращена длительность испытаний;

- при одновременном  испытании нескольких образцов  могут применяться различные планы испытаний, которые определяют условия проведения и критерии прекращения испытания.

В основу разработки методики и порядка испытания стойкости  материала должен быть положен соответствующий физический закон, в общей форме описывающий данный процесс - упругой и пластической деформации материала, изнашивания, усталостного разрушения и др. Испытания должны определить параметры данного закона для выбранных условий и материалов или те характеристики процесса старения, которые необходимы для оценки надежности изделий, выполненных из исследованных материалов и работающих в аналогичных условиях.

10.2. Стендовые  испытания узлов и механизмов  машин

При оценке надежности узлов и механизмов машин, теряющих свою работоспособность из-за износа, усталости, коррозии и других причин, не удается, как правило, ограничиться испытанием стойкости материалов, из которых они выполнены. Конструктивные особенности деталей и механизмов, взаимовлияние отдельных элементов, масштабный эффект и другие факторы оказывают существенное влияние на показатели надежности изделия. Поэтому испытание стойкости материалов - это первый этап оценки надежности изделия, это исходные данные для прогнозирования и выбора лучшего варианта. Для подтверждения прогноза и уточнения или определения показателей надежности требуется проведение стендовых испытаний, которые при правильно построенной методике позволяют получить данные, близкие к эксплуатационным, и учесть конструктивные особенности изделия. Однако их трудоемкость значительно выше, чем испытание стойкости материалов на образцах, а результаты могут быть применимы лишь к данной конструкции.

Поэтому стендовым  испытаниям должны подвергаться лишь те узлы, механизмы и системы, к  которым предъявляются высокие  требования надежности, а затраты на испытание экономически обоснованы. Чем сложнее испытываемый объект, тем большим числом выходных параметров оценивается его работоспособность и тем труднее провести такое число испытаний, которое позволило бы применить статистические методы для определения показателей надежности. Поэтому все стендовые испытания делятся на две категории. Для сравнительно простых узлов и механизмов, выпускаемых в массовом или крупносерийном производстве, проводится такое число испытаний, при котором может быть определен закон распределения сроков службы (наработки) изделия или его числовые характеристики. Для сложных изделий обычно такая возможность отсутствует и стендовым испытаниям может быть подвергнуто одно-два изделия. В этом случае методика испытания не может опираться на обычные (как их иногда называют - классические) методы математической статистики. Свою специфику в обе категории испытаний вносят ускоренные методы испытаний. При стендовых испытаниях с применением статистических методов для накопления данных стремятся одновременно испытывать несколько изделий и хотя бы часть из них доводить до отказа.

Испытанию на стендах подвергаются натурные узлы и элементы машины, макеты или модели объекта, что определяется в основном затратами на испытание.

На стенде должны быть воспроизведены условия, отражающие работу изделия в эксплуатации. Поэтому, помимо основного силового нагружения узла, во многих случаях дополнительно предусматривается влияние температур, вакуума, вибраций, различных сред и других воздействий.

Для наиболее распространенных или стандартных узлов и механизмов стенды выполняются в виде испытательных  машин, обладающих обычно определенной универсальностью в отношении режимов нагружения и типоразмеров испытываемых изделий. В современных испытательных стендах и машинах часто предусматривается программное нагружение, когда спектр нагрузок автоматически воспроизводится по заданной программе.

10.3. Ускоренные  испытания на надежность

Сокращение времени  на проведение испытаний на надежность является проблемой, имеющей первостепенное значение с точки зрения экономии средств, идущих на испытания, и для  сокращения сроков освоения новых изделий. Высокие требования надежности, предъявляемые к современным машинам, приводят к тому, что доведение изделия до отказа при режимах работы, соответствующих эксплуатационным, требует весьма длительных испытаний, гораздо больших, чем установленный для изделия ресурс. Если же требуются также статистические данные по наработкам до отказа, то часто организация таких испытаний становится практически неосуществимой. При ускоренных испытаниях изделий применяются такие методы и условия их проведения, которые обеспечивают получение необходимого объема информации в более короткий срок, чем в предусмотренных условиях и режимах эксплуатации [12].