Основы теории надежности и диагностика

L_з = L_cp-kσ,  (82)

где L_cp - средний пробег деталей (агрегатов) между отказами, км; σ - среднее квадратическое отклонение, км; k - доверительный коэффициент (принимается в зависимости от закона распределения количества элементов в машине и заданной вероятности безотказной работы).

Точность  прогнозирования отказов статистическим методом невысокая. Повышение точности прогноза может быть достигнуто в сочетании статистического метода с методом, основанным на использовании диагностической аппаратуры, сущность которого заключается в том, что с помощью указанной аппаратуры (без разборки машины) непосредственно определяется значение параметров выходных процессов или диагностических симптомов и по ним делается заключение о техническом состоянии объекта или его элементов (см. ниже)

Прогнозирование отказов методом граничных испытаний  основано на том, что прогнозирующие параметры сложного объекта или его элементов определяются при работе в условиях утяжеленных режимов. Это позволяет ускорить протекание необратимых процессов изнашивания или старения элементов и в более ранние периоды определить закономерности изменения прогнозирующих параметров, а также обнаружить слабые элементы, имеющие скрытые дефекты, которые в процессе эксплуатации могут привести к отказам.

Теория надежности машин дает общие методы, позволяющие  на основе анализа достаточной статистической информации определить вероятность возникновения отказов в группе однотипных машин (как статистической совокупности) без указания того, как будет вести себя данная конкретная машина. Методы и приборы технической диагностики позволяют определить техническое состояние конкретной машины и реализовать потенциальную надежность, заложенную в каждом автомобиле. Следовательно, техническая диагностика является разделом теории надежности машины. Она дает конкретное решение тех задач, которые в общем виде ставит и решает теория надежности. Некоторые специалисты рассматривают техническую диагностику как самостоятельную научную дисциплину, или как раздел эксплуатационной науки.

В зависимости  от поставленной задачи техническая  диагностика разделяется на общую и поэлементную. Задача общей диагностики состоит в том, чтобы установить, исправен или неисправен автомобиль, т. е. может ли он быть допущен к дальнейшей работе без технических воздействий. Задача поэлементной диагностики заключается в том, чтобы быстро обнаружить неисправный агрегат, механизм или систему и точно установить причину неисправности.

Методы и  приемы технической диагностики  применяют для оценки качества готовой продукции и отремонтированных машин, определения соответствия характеристик и параметров агрегатов и механизмов требуемым значениям, установления характера и объема работ при техническом обслуживании и ремонте и ряда других вопросов.

Техническая диагностика позволяет обнаруживать неисправности автомобилей на ранней стадии развития и принимать меры по их предупреждению, резко сократить дорожно-транспортные происшествия, обусловленные техническими неисправностями, устранить ненужные разборочно-сборочные работы и снизить простои машин в технических обслуживаниях и ремонте, повысить ресурс деталей и агрегатов и снизить их расход. Все это дает возможность снизить затраты на эксплуатацию автомобилей и повысить эффективность их использования.

11.2. Постановка диагноза

Постановка диагноза, т. е. заключение о техническом состоянии  диагностируемого механизма, имеет цель определить его пригодность к эксплуатации в настоящее время и в будущем за время пробега до очередного обслуживания.

Из этого следует, что  при плановом диагностировании постановка диагноза содержит элементы прогнозирования ресурса исправной работы автомобиля.

Для уменьшения эксплуатационных затрат применяют  два вида диагноза, различающиеся по глубине: общий и поэлементный. Диагноз работоспособности агрегата, системы, автомобиля в целом называют общим, а детальный диагноз, определяющий причины снижения работоспособности, - поэлементным. Как общий, так и поэлементный диагноз используют для управления технологическими процессами и качеством обслуживания автомобилей. По результатам общего диагноза автомобиль подвергают поэлементному диагностированию или направляют в эксплуатацию, а по результатам поэлементного - производят ремонт или обслуживание. Кроме того, заключительный диагноз используют для контроля качества ТО и ремонта автомобилей. Постановка диагноза состояния относительно простых механизмов, когда приходится пользоваться одним диагностическим параметром, не встречает особых методических затруднений. Она практически сводится к измерению величины диагностического параметра S и сравнению ее с нормативом.

Постановка поэлементного  диагноза сложных механизмов автомобиля, когда приходится пользоваться несколькими диагностическими параметрами, существенно осложняется.

Дело в том, что каждый диагностический параметр может  быть связан с рядом структурных. Поэтому определенная величина каждого  из них может свидетельствовать о той или иной неисправности объекта диагностирования. Значит, если число используемых диагностических параметров п, то возможное число технических состояний диагностируемого механизма составит 2ⁿ.

Теоретически постановка диагноза сводится к тому, чтобы из множества возможных состояний диагностируемого механизма выделить одно, наиболее вероятное. Поэтому задачей диагноза по многим диагностическим параметрам является раскрытие множественных связей между структурными параметрами X₁, Х₂, ..., Х_п и соответствующими диагностическими параметрами S₁, S₂, ..., S_m. Для этой цели в практике диагностирования автомобилей наиболее часто применяют диагностические матрицы.

Диагностическая матрица (табл. 3) представляет собой двузначную логическую модель, описывающую связи между структурными и диагностическими параметрами, достигшими допустимой величины. При достижении диагностическим параметром нормативной величины возможна одна или несколько неисправностей объекта диагностирования.

 

 

 

Таблица 3

Матричная модель связей между диагностическими и структурными

параметрами

Нормативные величины диагностических  параметров	Нормативные величины структурных  параметров (неисправностей)
	X1	Х2	Х3	Х4	Х5
S1	0	0	1	0	0
S2	1	1	0	1	1
S3	0	0	0	0	1
S4	0	1	1	0	1
S5	0	1	0	0	0
Примечание. 1 - возможность существования неисправности;    0 —  отсутствие такой возможности.

При составлении матрицы  стремятся применять минимальное  число диагностических параметров.

Для этого используют только наиболее чувствительные и информативные параметры. В то же время число диагностических параметров должно быть достаточным для получения достоверного однозначного диагноза.

Аналитическую связь  между структурными и диагностическими параметрами можно записать в общем виде следующими уравнениями:

X₁ = f₁ (S₁, S₂,…… S_m);

X₂ = f₂ (S₁, S₂,…… S_m);

……………………….

X_n = f_n (S₁, S₂,…… S_m);

Здесь система из п уравнении (где п - число структурных параметров X, каждый из которых может быть связан с m измеряемых диагностических параметров) описывает все возможные состояния объекта диагностирования, выраженные диагностическими параметрами S.

Для практического составления  этих уравнений необходимо знать  перечень характерных неисправностей объекта, подлежащих выявлению, и структурно-следственную схему соответствующего диагностируемого механизма. Перечень характерных неисправностей механизма составляют на основе статистических показателей его надежности.

11.3. Методы диагностики

В зависимости от того, какие параметры выходных процессов  используются в качестве диагностических симптомов, различают следующие основные методы диагностики технического состояния автомобиля:

а) акустический;

б) виброметрический;

в) функциональный;

г) комбинированный.

В настоящее время  ведутся большие работы по развитию акустического метода диагностики машин, который в качестве диагностического симптома использует звуковые сигналы. По мнению сторонников этого метода, он является универсальным и может применяться для широкого класса механических систем. В образовании упругих колебаний практически участвуют все элементы системы, поэтому акустический сигнал несет достаточную информацию о состоянии всех деталей и кинематических пар.

Однако стратегия поиска и опознавания требуемого соударения в общем шуме агрегата, а также интерпретация результатов в терминах технической диагностики представляют собой довольно сложную задачу. Метод акустической диагностики предлагает решить две задачи:

1) разделить получаемые  акустические сигналы таким образом,  чтобы каждый из них можно  было отнести к вполне определенному сопряжению;

2) по составляющей  сигнала определить техническое  состояние сопряжения.

Для опознавания кинематической пары, создающей последовательность соударений, используют такие признаки, как частоту следовании соударений, момент появления импульсов относительно некоторой опорной точки (например, ВМТ), а также частотные характеристики каналов, по которым поступает информация (каждой кинематической паре принадлежит свой канал, так как он пропускает к датчику определенные частоты, а остальные подавляет).

Для оценки состояния  сопряжения необходимо сравнивать параметры  импульсов и их отклонение от запроектированного состояния с эталонными значениями.

Задачи акустической диагностики могли бы быть легко  разрешимы, если бы сигнал (который порождается погрешностями в структуре механизма) и шум (совокупность большого количества быстро меняющихся по частоте и силе звуков, порождаемых работой механизма) занимали различные интервалы частотного диапазона. В действительности полезный сигнал и шум занимают очень широкий диапазон. Для полной характеристики случайных функций вводится так называемая корреляционная функция. Для построения корреляционных функций применяются специальные электронно-вычис-лительные приборы - корреляторы.

Сущность вибрационного метода диагностики заключается в том, что энергия удара в подвижных сопряжениях и амплитуда вибрации пропорциональны величине зазора. Зная величину ускорений вибрации для любого подвижного сопряжения и сравнивая ее с эталонными значениями, можно оценить состояние механизма без его разборки.

Исследованиями, проведенными в Харьковском автомобильно-дорожном институте, установлена зависимость  между ускорениями вибрации и  зазорами в зацеплении шестерен главной  передачи и коробки передач. Максимальное ускорение вибраций в коробке передач автомобиля ГАЗ-51А не должно превышать 20 м/с² Предаварийное состояние заднего моста характеризуется ускорениями вибрации в пределах от 40 до 80 м/с².

Так как акустические сигналы создаются вибрацией, в  ряде случаев для диагностики  технического состояния машины применяют виброакустические методы, которые используют одновременно (или для выбранных сопряжений) параметры выходных процессов энергии удара и параметры акустических сигналов. Для виброакустической диагностики используется также спектральный анализ. В этом случае с помощью специального спектрометра строят графики распределения амплитуд колебаний по частотам (амплитудный спектр). Сравнивая полученные амплитудные спектры с эталонными значениями, принимают решение о техническом состоянии сопряжении. В Киевском автомобильно-дорожном институте разработана методика и аппаратура, позволяющая определять по амплитудным спектрам зазоры в шатунных и коренных подшипниках автомобильного двигателя ЗИЛ-120 без их вскрытия.

Сущность метода функциональной диагностики состоит в том, что в рабочих условиях или с помощью установок, имитирующих работу автомобиля или его элементов, измеряют косвенные параметры, характеризующие уровень функционирования автомобиля или его элементов.

Сравнивая эти параметры с полем допуска или их предельными значениями, оценивают техническое состояние автомобиля. Например, общее состояние тормозной системы автомобиля оценивается по величине тормозного пути и синхронности торможения колес; состояние рулевого механизма характеризуется величиной усилия, прикладываемого к рулевому колесу, и величиной свободного хода рулевого колеса.

Динамика накопления ферромагнитных примесей в картерном  масле любого механизма характеризует  интегральную интенсивность изнашивания  и предельное состояние.

Качество работы дизельной  топливной аппаратуры можно оценить  по температуре и составу отработавших газов и т. д.

При комбинированном методе диагностики принимаются различные сочетания вышеперечисленных методов. В качестве диагностических симптомов принимают те параметры выходных процессов, которые для данного элемента наиболее приемлемы по простоте их измерения, полноте и достоверности информации, которую они несут.