Основы теории надежности и диагностика

Различают форсированные  испытания, основанные на интенсификации процессов, вызывающих отказы или повреждения, и сокращенные испытания без интенсификации этих процессов.

Трудность разработки методов  ускоренных испытаний заключается  в том, что всякая интенсификация процессов разрушения или старения приводит к искажению истинной картины потери изделием работоспособности.

Перед исследователем всегда встает вопрос - возможно ли на основании этих искаженных данных сделать суждение о поведении изделия в нормальных условиях эксплуатации, и если да, то как осуществить оценку надежности изделия?

Обычно положительный ответ на данный вопрос связан с объектом испытания, с его сложностью и теми задачами, которые ставятся при испытании.

При испытании стойкости  материалов и надежности простых  изделий с одним ведущим процессом  повреждения имеется, как правило, больше возможностей для форсирования испытаний, чем для сложных изделий. Чем сложнее изделие, тем большее число его элементов работает в различных динамических условиях и форсирование процесса потери изделием работоспособности по-разному скажется на изменении состояния отдельных его частей и тем больше будет искажение общей картины потери машиной работоспособности по сравнению с нормальными условиями эксплуатации.

Возможность, проведения ускоренных испытаний осложняется  еще тем, что реальные условия  нагружения любой машины при ее эксплуатации характеризуется спектром нагрузок вероятностной природы.

Поэтому при разработке методов проведения ускоренных испытаний  необходимо учитывать следующее:

- изменение условий  испытания, по сравнению с эксплуатационными,  должно находиться в пределах, допускающих пересчет на нормальные условия работы изделия;

- при планировании  режимов испытаний необходимо  знать спектр эксплуатационных нагрузок и его вероятностные характеристики;

- чем сложнее изделие,  тем меньше возможностей по  интенсификации процессов, приводящих  к отказам и повреждениям;

- испытание сложных изделий необходимо сочетать с расчетами и прогнозированием надежности, а также с использованием априорной информации о надежности аналогов и комплектующих изделий.

10.3.1. Сокращенные испытания

Сокращение длительности испытаний без интенсификации процессов старения и разрушения может быть достигнуто различными методами.

Наиболее простой метод  заключается в уплотнении испытаний  по времени: сокращении холостых ходов и простоев, круглосуточной непрерывной работе изделия и т. п. Однако использовать этот простой метод ускорения испытаний можно только после анализа влияния перерывов в работе изделия на интенсивность процесса разрушения. Здесь могут встретиться различные случаи. Например, увеличение частоты циклов нагрузки при усталостных разрушениях в большинстве случаев не влияет на конечный результат, в то время как при изнашивании деталей наличие перерывов в работе может как увеличивать износ (например, при жидкостном трении в подшипниках скольжения), так и уменьшать его (например, при эксплуатации металлорежущего инструмента, так как при перерывах в работе он охлаждается). Если при испытаниях ликвидированы все холостые ходы Т_х и имеет место непрерывная работа Т_р, то

, (80)

Сокращение длительности испытаний будет также при  одновременном испытании возможно большего числа изделий, что достижимо для сравнительно простых изделий.

Для быстрейшего получения  информации о надежности сложных  машин без искажений условий эксплуатации часто выделяют лидера - машину, которая эксплуатируется непрерывно в заданных, как правило, наиболее тяжелых условиях. При испытании производят измерение всех её основных параметров и характеристик. В результате такого испытания данные о надежности машины-лидера накапливаются значительно быстрее, чем для аналогичных машин, находящихся в эксплуатации.

Трудности для суждения о надежности всей генеральной совокупности машин заключаются в том, что  испытываются одна-две машины, которые  обладают индивидуальными особенностями, и методы статистики здесь неприменимы.

Уплотнение испытаний по времени не искажает в большинстве случаев процесса потери изделием работоспособности, но дает заметный эффект лишь для тех изделий или их элементов, которые мало загружены в процессе нормальной эксплуатации. Например, механизм загрузки станка-автомата работает после обработки каждой детали, что занимает незначительную долю в балансе рабочего времени станка. Шасси самолета выпускается при каждой посадке, а во время полета не функционирует. Переключение скоростей у станка-автомата занимает незначительную долю в общем времени эксплуатации машины и т.п.

Все эти механизмы  испытываются в режиме непрерывной  работы, что позволяет за сравнительно короткое время получить необходимую  информацию об их надежности без интенсификации процессов повреждения. Поэтому такие узлы и механизмы целесообразно испытывать отдельно от машины.

Однако для многих машин с высокой загрузкой  при эксплуатации (например, Текстильные машины работают, как правило, круглосуточно) и для механизмов, работающих в течение основного цикла машины, указанный метод ускорения не пригоден.

При испытании сложных  изделий сокращенные испытания  проводятся только для некоторых  характеристик надежности, например запаса надежности. В этом случае испытание изделия сводится к оценке его области состояний без определения ее изменения в процессе эксплуатации. Поэтому время, затрачиваемое на испытание изделия, включает лишь оценку его работоспособности при различных режимах и условиях работы и не учитывает процессов старения. Для более полного суждения о надежности изделия здесь необходимо прогнозирование процесса изменения выходных параметров или моделирование этих процессов.

Достоинство перечисленных  методов - малое искажение тех  явлений, которые имеют место  в машине при ее эксплуатации. Однако достоверность суждений о надежности изделий в большей степени зависит от правильности построения модели отказов и совершенства методов прогнозирования и моделирования.

10.3.2. Форсированные испытания

Применение при испытании  более высоких нагрузок, скоростей, температур и других режимов работы изделия, по сравнению с эксплуатационными, интенсифицирует процессы повреждения и ускоряет наступление отказа.

Однако этот метод  ускоренных испытаний следует применять  весьма осторожно, так как работа изделия при форсированных режимах  может вызвать новые явления в процессах старения и разрушения, не характерных для применяемых условий эксплуатации, и качественно изменить картину отказов. В этом случае приведение показателей надежности к нормальным условиям работы изделия будет иметь формальный характер и может вызвать грубые ошибки.

Форсирование режимов  допустимо лишь в пределах известного закона старения или разрушения материала  изделия.

Предельные значения факторов, ускоряющих процесс, должны выбираться, в первую очередь, исходя из условия сохранения физической природы отказа, т.е. чтобы вид и характер разрушения при нормальной эксплуатации и при работе на повышенных режимах были идентичны. Для определения коэффициента ускорения надо знать функциональную зависимость процесса разрушения от данного параметра (скорости, нагрузки).

Например, при испытании  изделий, которые выходят из строя  в результате износа, для форсирования испытаний можно увеличивать нагрузку р и скорость относительного скольжения υ.

Максимально допустимые значения р_max и υ_max определяются условием сохранения данного вида изнашивания.

При линейной зависимости износа от р и υ коэффициент ускорения будет

, (81)

Обычно испытание при  форсированных режимах более  эффективно для оценки стойкости  материала к тому или иному виду разрушения и при знании закономерностей этого процесса.

Различные методы форсирования нагрузок при испытании  материалов и изделий часто базируются на принципах линейного накопления повреждений и независимости  последующего израсходования ресурсов от предыстории.

При испытании сложных  изделий форсирование нагрузок и  скоростей приводит к неравномерному ужесточению условий работы отдельных  элементов, и поэтому искажает общую картину потери изделием работоспособности. В этом случае часто ориентируются лишь на отдельные узлы и детали, находящиеся в наиболее напряженных условиях работы и в основном определяющие надежность изделия, так называемые критичные детали. По процессам старения, протекающим в этих деталях, судят о характеристиках надежности изделия.

Если же нельзя выделить такие детали и нужно испытать изделие в целом, то форсирование режимов допустимо обычно лишь в пределах диапазона допускаемых нагрузок, т.е. применяются не средние или типовые режимы, а экстремальные. Таким образом, здесь понятие «форсирование режимов» носит условный характер, и ускорение испытаний будет иметь место лишь по отношению к номинальным (средним) режимам эксплуатации машины.

Находят применение также  так называемые эквивалентные испытания  сложных изделий, при которых обеспечивается более быстрое исчерпание ресурса и затем производится пересчет на нормальный режим эксплуатации.

10.3.3. Ужесточение факторов внешней  среды

Ужесточение факторов внешней  среды способствует существенному  сокращению времени испытания. Так, насыщение абразивом среды, в которой происходит износ трущихся пар, применение более агрессивных, чем при обычных условиях работы, сред при коррозионных испытаниях, наложение вибраций на испытываемое изделие, повышенные радиационные, биологические и другие воздействия существенно интенсифицируют процессы разрушения материалов.

Ужесточение условий  при испытании, как материалов, так  и изделий часто используют для  ускорения получения необходимой  информации, особенно о стойкости материалов. Например, при испытании материалов на абразивное изнашивание применяют подачу абразивной смеси в зону трения (при сухом трении) или производят погружение образцов в ванну со смазкой, в которой находится во взвешенном состоянии абразив. Это значительно ускоряет износ. Наибольшее абразивное воздействие на материал происходит при его трении об абразивную шкурку при постоянном изменении зоны контакта (метод испытания на абразивный износ проф. М. М. Хрущова).

При ускоренных испытаниях на абразивное изнашивание не образцов, а отдельных узлов и механизмов часто создают условия для более легкого попадания абразива на поверхность трения. Например, при испытании автомобильных и тракторных двигателей специально загрязняют масло или снимают воздухоочиститель, агрегаты очистки и охлаждения масла. В процессе испытания производят подачу в определенной концентрации пыли в засасываемый воздух и в масло. В результате испытания определяется износ гильз цилиндров, поршневых колец и других сопряжений.

При коррозионных испытаниях металлов в кислотных электролитах процесс ускоряют за счет увеличения концентрации кислоты, снижения перенапряжения водорода, повышения температуры, усиления размешивания.

При выборе электролита  учитывается состав коррозионной среды, в которой эксплуатируется изделие. Так, для конструкций, работающих в морской воде, основная составляющая которой - хлористые соли, испытания проводят обычно в растворах хлористого натрия.

Создания условий, при  которых процессы, приводящие к потере работоспособности, интенсифицируются, могут еще в большей степени, чем повышение нагрузок и скоростей, исказить физическую картину отказа. Поэтому данным методом ускорения надо пользоваться с большой осторожностью и лишь в тех случаях, когда известны закономерности, описывающие влияние отдельных факторов.

Часто испытания, связанные  с усилением влияния окружающей среды, используются для сравнительных  испытаний на надежность с целью  выявления более стойких конструкций и материалов. Однако и здесь надо учитывать, что ряд материалов, расположенных по возрастанию стойкости к тому или иному воздействию, может изменить последовательность их расположения при испытании в нормальных и в ужесточенных условиях. Это значит, что если одному материалу отдано предпочтение перед другим на основе испытаний в ужесточенных условиях, то результаты эксплуатационных исследований могут опровергнуть этот вывод.

Таким образом, форсирование режимов и ужесточение условий  испытания должно проводиться только на базе тщательного анализа физической природы отказов и разработки на основании этого моделей подобия для возможности пересчета на нормальные условия эксплуатации.

11. СУЩНОСТЬ  ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ И ЕЕ  ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

11.1. Общие понятия

Под технической диагностикой (diagnosticos - способный распознавать) подразумевают определение, регистрацию и анализ информации, позволяющей оценивать техническое состояние сложного объекта в целом или его элементов без разборки.

Задача диагноза может быть сформулирована как задача прогнозирования, т. е. научного предсказания времени возникновения отказов. Сводится она к тому, чтобы по известным состояниям, в которых элемент сложного объекта находился в предшествующие и текущие моменты времени, определить состояние, в которое он перейдет после определенного времени работы.

В теории надежности рассматривается три метода прогнозирования отказов:

1) статистический;

2) основанный  на применении диагностической  аппаратуры;

3) граничных  испытаний.

Сущность статистического метода прогнозирования отказов состоит в том, что на основании достаточной статистической информации об интенсивности отказов элементов (или параметрах потока отказов) строят кривую распределения и, исходя из требуемого уровня надежности, определяют время или пробег, после которого необходимо произвести профилактическую замену или регулировку элементов.

Учитывая  нормальный закон распределения  отказов, пробег автомобиля, после которого производится замена или регулировка  элемента, выражается такой зависимостью: