Організація випробування на надійність

Одержання необхідної інформації про надійність на стадіях виготовлення дослідних зразків, дослідних партій та серійних машин пов'язані зі значними витратами часу та трудових ресурсів.

Організація випробувань передусім включає: систему випробувань; вибір об'єктів випробувань та переважаючого виду пошкодження, вибір обладнання та обґрунтування режимів випробувань та ін.

Система випробувань – це комплекс експериментів та спостережень, які виконуються у певному обсязі, в заданій послідовності і забезпечують отримання інформації про надійність виробу з певними витратами.

Складна сільськогосподарська техніка випробовується за схемою: деталь, сполучення деталей, складальна одиниця (агрегат) та машина в цілому. Основний обсяг випробувань доцільно проводити в лабораторних умовах з розв’язанням задач оптимізації. При виборі об'єктів випробувань машину поділяють на агрегати, сполучення деталей і деталі з урахуванням їх навантаженості.

Визначаються групи елементів, які не потребують випробувань, потребують незначного обсягу випробувань та для яких необхідні значні обсяги випробувань. Виділяються деталі і сполучення, які випробовують окремо або у складі агрегатів, і агрегати, які випробовуються окремо. Проводиться класифікація елементів за впливом їх на надійність та обґрунтовується перелік складальних одиниць, надійність яких повинна нормуватися.

При виборі переважаючого виду пошкодження граничний стан елементів машин в експлуатації обумовлюється спрацюванням, яке супроводжується спотворенням розмірів та форми робочих поверхонь деталей та їх правильного взаємного положення. При цьому зростають зазори у сполученнях, погіршуються фізико-механічні властивості матеріалів деталей, знижується твердість робочих поверхонь і міцність деталей.

Граничний стан деталей машин обумовлюється також втомою. Часто руйнуючі фактори діють сумісно: зношування і корозія та зношування з втомою. З різноманітних пошкоджень виявляється одне або кілька типових їх видів для даної конструкції.

Шлях до підвищення ресурсу і безвідмовності машин починається з вивчення видів їх пошкодження.

При виборі режимів та методів випробувань машин керуються експериментальними даними про види руйнування деталей та вузлів машин-аналогів.

При випробуванні сільськогосподарської техніки застосовуються спеціальні стенди та їх комплекси, які дозволяють уніфікувати методичні прийоми і здійснити її випробування з оптимальними витратами часу та коштів. Вибір методу й випробуваного обладнання має здійснюватися з урахуванням існуючої матеріально-технічної бази.

Дуже важливо правильно вибрати режими випробувань. Під режимом випробувань розуміють сукупність факторів, які визначають механізм та інтенсивність процесів руйнування деталей машин: навантаження; швидкості (або частота прикладення навантажень); середовища у навантаженому контакті (кількість, властивості і температура мастила, дисперсність, форма та інші властивості абразивних частинок); зовнішнє середовище (температура, тиск, вологість, агресивність). Режим і методи випробувань взаємопов'язані між собою.

Основою вибору ресурсних випробувань є характеристики режиму роботи машини в умовах експлуатації. Ці характеристики мають входити до технічного завдання на проектування. Вони використовуються при виборі конструкції, розмірів та розрахунків елементів машин, розробці режимів випробувань та прогнозуванні експлуатаційної надійності. Режими прискорених випробувань в основному відрізняються від експлуатаційних режимів, але зв'язані з ними.

Тому випробування машин на надійність можуть проводитися в режимах:

– які відтворюють режими експлуатації без будь-яких змін;

– з підвищеною частотою робочого циклу;

–які включають дії, що суттєво не впливають на надійність виробу;

– на комбінованих режимах;

– на умовних режимах, які відрізняються від експлуатаційних, але еквівалентні їм за руйнуючою дією;

– на режимах, важчих за експлуатаційні.

При випробуваннях на експлуатаційних режимах прискорення випробувань досягається за рахунок цілодобової роботи машини та імітування режимів їх експлуатації завдяки використанню різних технологічних середовищ. Особливо представляють інтерес варіанти випробувань, коли створюються умови і режими, важчі за експлуатаційні. Такі режими забезпечують значне прискорення випробувань. При випробуваннях важчі умови, порівняно з експлуатаційними, створюються також за рахунок зміни середовища у контакті деталей: зниження в'язкості масла, введення у зону тертя деталей дозованої кількості абразивів.

Без обґрунтованого вибору, методу та режимів випробувань неможливо отримати достовірну інформацію.

Планування випробувань на надійність

Показники надійності деталей та СГТ в цілому визначаються в результаті проведення спеціальних стендових, полігонних та експлуатаційних випробувань.

При оцінці надійності можуть бути використані різні способи опрацювання результатів випробувань. Питання планування випробувань на надійність регламентовані рядом стандартів, якими передбачається проведення випробувань на надійність по одному із планів:

[NUN]; [NUT]; [NUr]; [NU(r,T)]; [NMT]; [NM(r,T_S)] і т.д.,

де N – число виробів (об’єм випробувань), поставлених під спостереження;

Τ – встановлене напрацювання або календарна тривалість спостережень;

U – плани, в яких вироби, що відмовили, не відновлюються і не замінюються новими, а знімаються з випробувань;

r – число відмов або граничних станів, до виникнення яких ведуться cпoстереження;

R – плани, в яких вироби, що відмовили, замінюються новими;

Μ – плани, в яких вироби, що відмовили, відновлюються.

План [NUN] – на випробування одночасно поставлено N об'єктів; випробування проводять до виникнення відмов або граничного стану всіх об'єктів; об'єкти, що відмовили, новими або відновленими не замінюються і знімаються з випробувань.

План [NUT] – на випробування одночасно поставлено N об'єктів; об’єкти, що відмовили за час випробувань, не відновлюються і не замінюються; випробування припиняють при закінченні часу випробувань або напрацюванні Τ для кожного об'єкта.

План [ΝΜΤ] – на випробування одночасно поставлено N об'єктів; після кожної відмови об'єкт відновлюють; кожний об'єкт випробують до закінчення часу випробувань або напрацювання Т.

План [NUr] – на випробування одночасно поставлено N об'єктів; ті об'єкти, які відмовили під час випробувань, не відновлюють і не замінюють; випробування закінчують, якщо число об'єктів, що відмовили, досягло r і т.д.

Вибір планів випробувань залежить від типу об'єкту, мети випробувань, оцінюваних показників надійності, умов експлуатації з урахуванням економічної доцільності та технічної необхідності (табл. 4.2).

Таблиця 4.2. Пропозиції по використанню деяких планів випробувань (спостережень)

План випробувань (спостережень)	Показники надійності	Розподіл випадкових величин
[NUN]	Середнє напрацювання до відмови, середній ресурс, середній строк служби, гама-відсотковий ресурс, гама-відсотковий строк служби, імовірність безвідмовного напрацювання.	Вейбулла, експоненціальний, нормальний, логарифмічно-нормальний.
[NUr]	Гама-відсотковий ресурс, гама-відсотковий строк служби, імовірність безвідмовного напрацювання.	Невідомий.
[NUT]	Середнє напрацювання до відмови, середній ресурс, середній строк служби.	Вейбулла, експоненціальний, нормальний.
[NRr]; [NRT]	Середнє напрацювання до відмови.	Експоненціальний.
[NMr]	Середнє напрацювання на відмову, коефіцієнт готовності.	Невідомий.
[NMT]	Середнє напрацювання на відмову.	Експоненціальний.

При випробуваннях сільськогосподарської техніки найбільше розповсюдження набули плани [NUN], [NUT], [NUr].

План випробувань залежить від типу машин, зайнятості їх на сільськогосподарських роботах протягом року, передбаченої довговічності, прийнятої системи технічного обслуговування і ремонту та ін.

Завдання планування випробувань – це визначення мінімального їх обсягу.

Під обсягом спостережень треба розуміти:

– число об'єктів спостережень N – для плану [NUN];

– число об'єктів спостережень N та число відмов (граничних станів) спостережуваних об'єктів r – для планів [NUr], [NRr] та [NMr];

– число об'єктів спостережень N та тривалість спостережень Τ – для планів[NUT], [NRT] та [NMT].

Показники надійності, визначені за вибірковими даними, є випадковими величинами, розташованими у певних інтервалах. Значення цих інтервалів залежить від розсіювання показників надійності та кількості об'єктів у вибірці. Для оцінки точності параметрів розподілу користуються поняттям надійної імовірності інтервалу.

Початковими даними для розрахунку мінімального обсягу спостережень для розглянутих планів служать:

– довірча імовірність γ для оцінки відповідного показника надійності. Довірчу імовірність γ вибирають з ряду: 0,80; 0,90; 0,95; 0,99;

– гранична відносна помилка δ оцінки показника надійності.

Гранична відносна помилка δ оцінки відповідного показника надійності являє собою міру точності оцінки показника надійності:

,

де Н – оцінка показника надійності;

Н_н – нижня границя одностороннього інтервалу (Н_н, ¥) при заданій довірчій імовірності γ;

А_в – верхня границя одностороннього довірчого інтервалу (0, Н_в) при заданій довірчій імовірності γ.

Граничну відносну помилку δ вибирають з ряду: 0,05; 0,10; 0,15; 0,20. Довірчий інтервал визначають відповідно стандарту.

Довірча імовірність характеризує вірогідність того, що визначені по результатах спостережень значення показників надійності не будуть відрізнятися від дійсних більше, ніж в межах відносної помилки. Припущення, наприклад, відносної помилки δ =0,15 з довірчою імовірністю 0,90 свідчить про те, що у 90% випадків визначена середня величина показника не повинна виходити за межі помилки 0,15 і тільки в 10% можливі перевищення у відхиленнях більше, ніж на 15%. Чим вища бажана точність у визначенні показників надійності, тим більше виробів необхідно брати для спостережень.

Орієнтовно коефіцієнти варіації при організації спостережень можна вибирати з виду руйнування та по типових елементах (табл. 4.3).

Таблиця 4.3. Наближені значення коефіцієнтів варіації ресурсів в залежності від виду руйнування об'єкту

Вид руйнування деталей	Значення коефі-цієнта варіації
1. Спрацювання деталей двигунів, трансмісій, ходових систем і т. д.	0,3…0,4
2. Втома при вигині та крученні: – пружини, ресори; – зубчасті колеса, ланцюги гусениць; – решта деталей з геометричними концентраторами та зварними з'єднаннями	0,3 0,6   0,4
3. Контактна втома: – підшипників кочення; – решта деталей	0,7…0,9 0,5
4. Комплексне спрацювання основних агрегатів автомобілів, тракторів та сільськогосподарських машин: – до першого капітального ремонту – між капітальними ремонтами	0,3…0,4 0,5…0,7

Для основних агрегатів колісних та гусеничних машин рекомендується приймати коефіцієнти варіації 0,3...0,4 до першого капітального ремонту і 0,5...0,8 між капітальними ремонтами. При організації спостережень доцільно вибирати більше значення коефіцієнта варіації. Якщо в ході випробувань він виявиться дещо меншим, то це призведе тільки до підвищення точності оцінки показників, а якщо ж коефіцієнт варіації буде більше за прийнятий, то з'явиться необхідність у додаткових спостереженнях.

Планування випробувань методами багатофакторного експерименту

Планування випробувань здійснюється як на стадії попередніх експериментів при виборі факторів, що визначають спрацювання деталей, так і безпосередньо при проведенні випробувань на зносостійкість.

У першому випадку відшукання факторів, суттєво впливаючих на спрацювання деталі, здійснюється шляхом попередніх досліджень на основі методів математичного планування експериментів.

Виходячи з того, що при зносних випробуваннях геометричний, структурний та тепловий фактори, як правило, лімітовані і зміні не піддаються, то прискорення спрацювання вузлів здійснюється в залежності від трьох головних факторів: навантаження, швидкості відносного переміщення та навколишнього середовища.

Останній фактор практично залежить від наявності абразиву. Так, змащення, вологість та інші спрацювання імітуються на рівнях максимально можливих реальних умов експлуатації і приймаються постійними.

Ступінь впливу кожного з цих факторів встановлюється методом математичного планування експерименту, виходячи з дробової репліки 2^3-1 при рівнянні відгуку:

, (4.4)

де у – спрацювання деталі від тертя;

х ₁, х ₂, х ₃ – змінні фактори (навантаження, швидкість, абразив);

в ₀, в ₁, в ₂, в ₃ – коефіцієнти регресії, які характеризують ступінь впливу кожного з факторів на спрацювання деталі. Матриця планування експерименту для цього випадку – табл.4.12.

Таблиця 4.4. Матриця планування трифакторного експерименту при дробовій реплиці 2^3-1

Номер досліду	Фактори	Середнє значення спрацювання
х 0	х 1	х 2	х 3
	+	–	–	+
	+	+	–	–
	+	–	+	–
	+	+	+	+

Примітка. "+" (плюс) визначає верхнє, а "–" (мінус) – нижнє числові значення фактора.

Середнє значення спрацювання визначається, виходячи з числа повторюваностей кожною досліду. Всі досліди мають бути точно визначеної довгочасності. Послідовність кожною з них має бути рандомізована.

Коефіцієнти регресії рівняння (4.4) визначаються за формулами:

; (4.5)

, (4.6)

де N – число дослідів; і – номер досліду; j – номер фактору.

Результати дослідів перевіряються на відтворенність, а також на адекватність одержаної протягом випробувань моделі спрацювання. Відтворенність результатів випробувань перевіряють порівнянням їх дисперсій на однорідність за допомогою критерію Кохрена, який являє собою відношення максимальної дисперсії дослідів до суми всіх дисперсій:

. (4.7)

Якщо одержане значення критерія при ступенях вільності, відповідаючих s _max і s_і та рівня значущості 0,05, виявиться меншим за табличне значення цього критерія, то дисперсії відрізняються між собою незначно, і однорідність результатів випробувань забезпечена. При протилежному співвідношенні критеріїв результати випробувань неоднорідні і вимагають повторення дослідів при уточненні режимів випробувань, підвищенні точності вимірювань спрацювання або збільшенні числа дослідів.

Адекватність досліджуваного параметру – спрацювання деталей – визначають за допомогою критерія Фішера, який являє собою відношення дисперсії адекватності до дисперсії середніх значень спрацювання:

. (4.8)

Дисперсію адекватності розраховують за формулою:

, (4.9)

де – середнє значення спрацювання в і -му досліді; – середнє значення спрацювання, яке підраховане по рівнянню регресії (4.4) при умовах і -го досліду; k – число факторів.

Значення підрахованого критерія Фішера порівнюють з табличним значенням при рівні значущості 0,06, і ступіням вільності [ та , де m – число повторностей в кожному досліді].

Адекватність забезпечується, якщо розрахункове значення критерія менше за табличне.

Потім проводиться перевірка значущості коефіцієнтів регресії, яку виконують за t - критерієм Стьюдента:

, (4.11)

де – абсолютне значення і -го коефіцієнта регресії; – середньоквадратична помилка коефіцієнта регресії, яка обчислюється за виразом:

, (4.21)

За умови t > t _табл аналізований коефіцієнт регресії признається значущим, і при проведенні досліджень фактор, який характеризує цей коефіцієнт, має бути врахований як один із основних. В протилежному випадку даним факторам нехтують. Обґрунтування факторів, що визначають спрацювання деталей вузла, а також граничних значень їх показників, є основою для побудови плану прискорених порівняльних випробувань.

Спочатку досліджуються всі еталонні об'єкти, а потім порівняльні.

З метою забезпечення рандомізації процесу послідовність випробувань тих чи інших об'єктів здійснюється за законами випадкової вибірки. Вимірювальні операції над випробуваними деталями вузла проводяться звичайно не менше як на трьох стадіях перед початком випробувань з метою перевірки їх відповідності заданим технічним вимогам, після припрацювання для визначення вихідних параметрів робочих поверхонь та після закінчення випробувань. При необхідності вимірювання проводять і на проміжних стадіях випробувань (число циклів навантаження). Основними об'єктами вимірювань при здійсненні процесу випробувань вузла є геометричні розміри, шорсткість робочої поверхні деталей та тривалість випробувань. Додатково можуть вимірюватись твердість поверхонь тертя, об'ємна температура, сила навантаження, частота обертання та інші параметри. Обов'язковою умовою всіх вимірювань протягом випробувань є їх повтор повторюваність.